上海地区地下水源热泵技术应用实例研究

葛 佳，陈 敏，乔坚强（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）



上海地区地下水源热泵技术应用实例研究

葛 佳，陈 敏，乔坚强
（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

摘 要：地下水源热泵是一种新兴的浅层地热能开发利用方式，可将不能被直接利用的低品位地热能提升为可利用的能源，并具有高效节能、环境效益显著、适用范围较广、市场前景广阔等优点，对于能源供需矛盾突出的上海，开发利用地下水源热泵技术十分必要。本文通过上海地区地下水源热泵技术应用实例研究，进一步验证通过优化设计（如采用全封闭100%回灌、合理的井间距等措施），可使地下水源热泵系统对地质环境影响微小、可控，且经济环境效益显著。

关键词：浅层地热能；地下水源热泵；地质环境影响；经济环境效益分析

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地下水源热泵技术是地下水源热泵作为地源热泵的一个分支，是一种新兴的浅层地热能开发利用方式，通过热（冷）源井抽取地下水，经过水源热泵机组，将地下水中低品位难以直接利用的热（冷）能提取出来，为建筑物供热（制冷）的过程［1］。与常规系统相比，地下水源热泵系统具有高效节能、环境效益显著、适用范围较广、市场前景广阔的优点，因此，该技术自20世纪70年代以来在欧美等部分国家得到广泛应用［2］。相比之下，地下水源热泵技术在上海地区的应用落后于国际与国内水平。而随着经济的发展，上海的能源供需矛盾更加突出，制约了产业结构调整和经济发展，寻求节能型能源利用形式是重要任务之一。在本市有效控制地面沉降的前提下，寻求节能型能源利用，开发利用上海地区地下水源热泵技术对构建资源节约和环境友好型社会、促进国家节能减排战略目标的实现具有重要意义［3，4］。

本文通过从地下水源热泵项目实例的系统优化设计、对地质环境的影响以及其经济与环境效益等方面进行研究，以期能为上海地区地下水的合理开发利用提供参考依据。

1 项目概况

本项目拟建设一个温室基地，为实现该基地温室中农业产品对于生长温度指标的需求，尤其在夏季及冬季极端气候时期，既能确保环境保护，又能有效调节温室环境的需求，经综合论证，利用天然状态下含水层储能特性，地下水为水源热泵系统源水，运用全封闭采灌流程，实现热（冷）源在温室内的采暖和降温调节。

本项目场地总占地面积约196500m2，计划建设自控玻璃温室、全开型温室和其他相关配置。自控玻璃温室为本项目试验场所，位于场地的最东南端，由温室A、温室B和温室C三部分组成，共占地25650m2，为整个场地占用面积的13%，其中温室C是本次水源热泵试验温室，占地面积约9600m2，平面布置如图1所示。

图1　储能井平面位置设计图Fig.1 Storage wells plane location design

2 系统优化设计

2.1 目的含水层与运行温度

根据本项目场地的水文地质资料分析可知，场区各承压含水层地下水基本满足本次试验对于水源的基本要求，但从地下水出水量、水温、水质及经济成本综合权衡，选择第二含水层作为储能含水层较为理想，该含水层地下水初始温度为19～20℃。地下水温度20℃左右时，水源热泵机组的制冷和制热将处于最佳工况点［5］。本项目设计的原生地下水温度19.5℃左右；项目运行后，夏灌井最高回灌温度为23℃，冬灌井最低温度无具体指标要求，一般回灌水温6℃左右。2.2 地下水总需水量

根据上海地区工程经验，本项目温室设计热负荷为120W/m2，按温室建筑面积20000m2计算，则热负荷2400kW。水源热泵提取温差为10℃，热泵机组的制热性能系数（COP）按4.0考虑。工程项目冬季和夏季所需的地下水总量由水源热泵机组的性能，地下水水位及冷热负荷等因素决定［6］。冬季热泵机组按制热工况运行，根据相关公式计算得需水量为155m3/h，故按每小时160m3水源量进行设计，根据年度不同时间用水需求，全年地下水总需水量约为511200m3（表1）。

表1　第二含水层地下水年度取水能力及用水量分配计划Table 1 The annual allocation plan of water consumption and groundwater abstraction capacity of the second aquifer

2.3 单井设计出水量及井数

一般来说，要想达到合理利用含水层储能的要求，需要配置成对的储能井，即通过热井和冷井的组合以循环灌采［7］。为了利用晚间低谷电以提高COP和发挥能源效率，地源热泵系统按每小时160m3水源量进行设计，2对（冷、热对井）共4口第二承压含水层采灌井，单井设计出水量为80m3/h，对井之间实现全封闭100%回灌。

2.4 井间距设计

热贯通是热泵运行期间抽水温度发生改变的现象。轻微的热贯通是可以接受的，但强烈的热贯通会降低系统承担负荷的能力，过大的温度变化会影响热泵机组的效率，严重时还能使地下水冻结，造成事故。井间距越大，产生热贯通的时间越长，程度也越轻微。一般对渗透性较好的松散砂石层，井间距应在100m左右；对渗透性较差的含水层，井间距一般在50m左右［8］。本项目结合实际情况，储能井平面位置设计如图1所示。

3 系统对地质环境影响

根据回灌类型、设计理念等的不同，地下水源热泵系统运行对地质环境影响可以分为不同类别，影响程度也存在很大差异。回灌式冷热平衡储能型系统对地质环境影响较小，追求换热率的直排式对地质环境影响较大，下面主要从地下温度场和地面沉降两个方面研究该地下水源热泵对地质环境的影响。

3.1 对地下温度场影响

从目前掌握的资料来看，大部分地源热泵系统没有达到热平衡［9］，意味着充入到含水层的冷量或热量会引起地下水长期变冷或变热。加拿大温尼伯一份研究表明，含水层只供冷是不可持续的，因为会引起地下水长期温升［10］。上海地区热泵系统冷负荷一般大于热负荷，即冬季供暖时间及热负荷均小于夏季，场区地下水温度将偏离温度背景值逐年升温的变化，除了影响地热能系统的能效外，会对周边用户和地下水环境产生负面影响［11，12］。

根据本项目1月至5月的换热器进出口温度统计，该系统运行时，换热器的进出口温度呈现波动变化，除经过管路产生的热损失外，换热器的进出口温度差约为10℃，即能产生10℃的交换热能，符合设计要求。由此可见，该地下水源热泵系统对地下温度场的影响不大。

3.2 对地面沉降影响

地面沉降是一种广泛的地质灾害，不仅会使地下环境发生变化，也会对地面设施产生巨大的破坏作用［13］。对于地下水源热泵系统，若严格按照政府的要求实行地下水100%回灌至原含水层的话，局部的地下水位的变化也远小于没有回灌的情形，所以一般不会因抽灌地下水而产生地面沉降，但当回灌率不足时，可能造成长期而难以察觉的地面沉降趋势［14］。

根据本项目1月至5月热水井抽水统计，热水井共抽水24850.8m3，100%实现回灌，流量基本在80m3/h，故总体来讲地下水的供补是平衡的。采用MODFLOW模型模拟系统运行稳定后年累计沉降量分布（图2），由此可见本项目所产生的地面附加沉降量是微米级的，范围不大，可以忽略不计，对区域地面沉降基本没有影响。

图2　年累计沉降量分布图Fig.2 The distribution of cumulative land subsidence

4 系统的经济与环境效益

储能型地下水源热泵系统是利用储藏在地下水体中的太阳能作为冷热源，利用热泵技术实现热量由低位能向高位能的转移，向建筑物供热或供冷的系统，是清洁的可再生能源利用技术。通过地下水源热泵系统与常规空调系统平均能效比计算比较，从而分析其节能、环保和经济效益［15］。

4.1 节能效益分析

根据本项目自动监测数据，1～5月热泵机组共耗电134862kWh，产热量573218kWh，制冷量442438kWh，加热平均COP为4.25，与空气源热泵的年能效值3.97相比，全年节能效果显著。

4.2 经济效益分析

上海工业用电价在峰谷平分别为1.197、0.356、0.629 元/kWh，由于系统主要在谷段（22:00～06:00）使用，加权统计后平均电价为0.470元/kWh。根据本项目1～5月用电等费用统计，热泵系统共用电146055kWh，电费68686元（表2）。系统全自动运行，无人工成本。

表2　地下水源热泵系运行数据（冬季运行工况）Table 2 GWHP system operating data （winter operating conditions）

与本项目蓄能型地源热泵系统相比，冬季加热能源成本：燃煤（700元/t，效率60%）成本为本系统的1.68倍，燃气（3.8元/m3，效率90%）成本为本系统的2.57倍，燃油（8.8元/kg，效率90%）成本为本系统的6.85倍。由此可见，与常规能源相比，本项目蓄能型地源热泵系统节约能源成本产生的经济效益是可观的。

4.3 环境效益分析

（1）绿色能源

地下水源热泵既可以作为夏季供冷的冷源，也可以作为冬季供热的热源。冬季省去了锅炉房，避免了燃烧过程产生的排烟造成的污染，同时大幅降低了温室气体的排放。夏季将建筑物余热转移到地下而非空气中，避免了空调系统对于城市热岛效应的加剧。

（2）减少能耗

地下水源热泵的驱动能为电能，虽然电能本身是一种清洁能源，但在发电的过程中需要消耗一次能源并排放 CO2等温室气体及其它污染物。地下水源热泵系统可减少能源消耗，与空气源热泵相比，可以减少 30%以上的电力消耗；与直接采用电供暖的电力消耗相比可减少 70%以上，节能减排效果明显。

（3）对地下水水质的影响

本项目确定利用同层次地下水作为回灌水源，并将在封闭状态下实施“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的采灌平衡方案。虽然运行过程中采灌井附近地下水水温有一定变化，但较小的温差不致以原生水中化学组分发生很大变化，且影响范围有限，因此预计项目运行后对原生地下水质量影响范围小和影响程度低。

5 结论

通过对上海地下水源热泵项目实例的分析可知，在地下水全面回灌的采灌平衡条件下，地下水源热泵项目所引起的地下水位变化对地面沉降的影响是轻微的、可控的；全封闭同层回灌虽然会使附近地下水水温有一定变化，但较小的温差不致以原生水中化学组分发生很大变化，且影响范围有限，因此对水质的影响是轻微的；储能型使地下水温度更有利于地下水源热泵系统发挥能效，对地温场环境影响微小。

综上所述，地下水源热泵技术是一项节能潜力、环境效益和经济效益大的新技术，但面对上海地面沉降控制形势，为保证特大型城市安全，应当科学利用该技术，如采用全封闭储能型全回灌系统，整个过程只提取地下水中的温度能，而不消耗地下水资源，从而使系统对地质环境产生的影响微小且可控。

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The application of groundwater source heat pump technology in Shanghai

GE Jia， CHEN Min， QIAO Jian-Qiang
（Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration， Shanghai 200072， China）

Abstract:A groundwater heat pump is a new method of developing and utilizing shallow geothermal energy.It has the advantages of high effciency， energy savings， and environmental benefts.There is a wide range of applicability， and its market is broad.As there is an imbalance between the supply and demand of energy， it is very necessary to develop and utilize the ground water heat pump technology in Shanghai.In this study， research on the application of this technology in the Shanghai area further verifes the optimal design （such as the use of a 100 % closed recharge， reasonable well spacing，and other measures）， ensures that the ground water heat pump system has a small and controllable effect on the geological environment， and shows that the technology has signifcant economic and environmental benefts.

Key words:shallow geothermal energy； ground water heat pump （GWHP）； effect on geological environment； economic and environmental benefts analysis

中图分类号：P641.8

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0075-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.018

收稿日期:2016-01-06

修订日期:2016-03-29

作者简介:葛佳（1988-），女，硕士，主要从事环境地质及地下水资源研究.

基金项目:上海市规划和国土资源管理局科研项目