上海地区地下水源热泵系统适用性研究

黄 坚

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

上海地区地下水源热泵系统适用性研究

黄 坚

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

浅层地热能作为在当前技术经济条件下具备开发利用价值的特殊矿产资源，得到了较好的推广和应用，特别是地埋管地源热泵系统的应用发展较快。而对于应用效率更高，占用地下空间较少，以温度较为稳定的地下水为媒介，通过热泵技术进行热交换的地下水源热泵系统研究较少。本文旨在综合分析与评价资源条件，通过应用案例重点对系统运行可能造成地质环境变化的影响因素进行监测和研究，分析地下水源热泵系统应用的适用性，为上海地下水源热泵系统的推广应用提供决策依据。

浅层地热能；地下水源热泵系统；资源条件；地质环境影响；适用性分析

随着全球性能源供应紧张和矿物资源利用引发的环境污染问题与矛盾日益加剧，在一定程度上制约了经济社会的发展。浅层地热能主要是通过地源热泵技术来实现对建筑物的供暖和制冷，可替代或减少建筑物对常规能源的使用量，对优化能源结构、节能减排、建设生态宜居城市发挥积极作用。地源热泵系统分类主要有地表水源热泵系统、地下水源热泵系统和地埋管热泵系统[1]。近年来，上海市对地埋管地源热泵应用和研究较多[2～4]，但对于应用效能更高的地下水地源热泵系统目前还处于实验研究阶段。本文拟通过相关研究，综合分析地下水源热泵系统在上海的适用性，为其推广应用提供决策依据。

1 地下水源热泵系统的应用现状

1.1 国外应用现状

地源热泵技术起源于欧洲，后来在瑞典、法国、德国、美国等国家广泛利用，目前热泵理论与技术均已非常成熟。自1948年第一台地下水源热泵系统在俄勒冈州运行，掀起了上世纪欧洲和美国的地源热泵研究高潮，美国地下水源热泵系统的应用一直呈上升趋势。1950年，美国拥有近320台的地下水源热泵系统，90年代以后，热泵系统的应用年增长率约为12%，1997年已近万台。至2004年底，美国大约有50万套地源热泵在运行，每年大约有5万套在安装。根据对美国能源信息署（U.S.EIA）2012年1月公开发布的2000～2009年的数据进行统计分析，地下水源热泵的应用比例较高，约占70%左右。据研究机构预测，美国地源热泵的销量将在未来几年里呈快速增长的态势，年销量将从2011年的15万台套，增长到2017年的32.6万台套。

与美国不同，欧洲的热泵系统一般仅用来供热或提供生活热水。在欧洲的中部和北部，由于气候寒冷，主要通过水源热泵系统，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年统计，家用供热装置中水源热泵所占比例，瑞士为96%、奥地利为38%、丹麦为27%，到2000年，欧洲用于供热、热水供应的热泵总数为46.7万台，其中水源热泵约5.5万台[5]。

1.2 国内应用现状

我国浅层地热能技术研究可以追朔到上世纪60年代，上海等地开展了地下水储能技术研究。1997年开始学习和引进欧洲产品后，热泵技术广泛应用于国内的空调工程领域，出现了较大规模的地下水源热泵采暖工程项目，成为华北和中原地区空调系统的一大热点。到1999年底，全国大约有100套地下水源热泵供热、制冷系统。近年来，地下水源热泵技术发展较快，以北京为例，地源热泵应用在北京的办公楼、住宅、学校、商场、宾馆、医院等，应用面积达100余万平方米[6]。上海市以利用地下水为棉纺厂生产车间供暖和降温，开启了浅层地热能直接应用的先例。根据统计结果分析，目前上海浅层地热能应用类型主要为地埋管热泵系统，占到总建筑应用项目的98%，地下水源热泵系统仅占1%左右，建筑应用面积约为10万平方米。

2 地下水源热泵系统工作原理及应用特点

2.1 工作原理

地下水源热泵系统是一种新型节能环保空调系统，是以温度较为稳定的地下水为媒介，利用热泵技术，通过采灌井的水路循环进行热交换，实现为建筑物供热或制冷的目的。根据地下水的采灌井布设特征，地下水源热泵系统分为异井采灌系统和同井采灌系统，主要工作原理如图1。

图1 地下水源热泵系统工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of ground water source heat pump system

2.2 应用特点

地下水地源热泵在技术上是相对成熟的，与传统空调系统相比有以下特点：

（1）地下水源热泵系统适用于地下水资源丰富的地区，可实现对建筑物的供热和制冷，并可提供生活热水。

（2）地下水热泵系统的效率较高，通过少量的电量就可获得较多的热量或冷量，通常COP值可达4.0以上。

（3）具有良好的经济性和适用性，少量的采、灌井就可满足建筑物的制冷或供热需要，占地面积少小对场地内的地下空间规划和使用影响较小。

（4）应用地下水源热泵系统须符合当地地下水资源管理部门的管理规定。

2.3 存在问题

（1）可能导致地下水资源受到影响。一是地下水源热泵系统需要抽取一定量的地下水，进行换热后再进行回灌，常常由于回灌量的不足，导致地下水位的下降，耗费宝贵的地下水资源；二是施工时回填料、井管材的腐蚀、洗井材料等均可能引起地下水污染；三是地下水、土中对温度比较敏感的微生物等可能会受到一定的影响，地下水水质可能会发生变化。

（2）可能引发地面沉降地质环境问题。地下水源热泵系统的运行可能导致不均匀地面沉降。热泵系统取水的目标含水层一般为较为松散的砂土层或砂土层中夹有一定厚度的粘土层，土层的压缩性较大，地下水位下降后产生土层的压缩变形，可能引发地面沉降。

（3）可能引发地下温度场的变化。在建筑物的冬季和夏季冷热负荷不均衡的条件下，大规模、集中的地下水源热泵系统长期运行后，可能产生区域性的地下热（或冷量）的堆积，改变原温度场的状况，可能导致系统的效率衰减，影响系统的正常运行[7]。

3 应用条件分析

3.1 资源条件

上海地区属长江水系，江、海、湖、河相间，水网交织，150m以浅深度范围内主要为第四纪松散沉积物，分布有潜水含水层、微承压含水层（局部）、第一、第二、第三承压含水层等多个含水层，地下水资源较为丰富。根据调查评价结果，作为可选择作为地下水源热泵系统的目标含水层的第二、第三承压含水层，其主要水文地质参数和指标如下：

（1）含水层厚度较大。第二承压含水层顶板埋深一般为60～70m，沟通区厚度一般为50～70m，第三承压含水层顶板埋深一般为100～120m，沟通区厚度一般大于50m；

（2）含水层的富水性较好。第二、三层承压含水层单井涌水量一般为1000～3000m3/d，局部可达5000m3/d以上；

（3）渗透系数为一般为20～40m/d。第二承压含水层除部分地区外，渗透系数一般为30～40m/d，最大达60m/d以上。第三承压含水层的渗透系数总体比第二承压含水层的小，一般为20～30m/d，部分地区为30～50m/d；

（4）导水系数一般为500～1500m2/d。第二承压含水层山南部以粉细砂为主的地区，导水系数一般为500～1000m2/ d，北部、西部以中粗砂为主的地区，导水系数一般为1000～1500m2/d，局部地区大于2000m2/d。第三承压含水层大部分地区导水系数一般为500～1000m2/d；

（5）水温适宜。第二承压含水层水温一般在18.5～19.5.0℃之间，第三承压含水层水温在19.5～21.5℃之间；

（6）大部分地区矿化度大于1.0g/l。第二承压含水层大多为矿化度大于1.0g/l的微咸水—咸水，部分地区分布有矿化度小于1.0g/l的淡水。第三承压含水层的矿化度大都为1.0～10.0g/l的微咸水—半咸水，局部地区分布有矿化度大于10.0g/l的咸水和矿化度小于1.0g/l的淡水。

（7）通过多年来地下水管控措施的实施，地面沉降防治成效显著。据相关单位的研究数据表明，2016年上海地区第二、第三承压含水层地下水位分别抬升了0.01～0.86m、0.03～1.38m。

3.2 适宜性分区

根据第二、第三承压含水层的含水层厚度、含水层岩性、含水层富水性、导水系数、地下水水质、地下水水位等评价指标，采用层次分析法，划分为不适宜区、较适宜区和适宜区。并在此基础上结合地面沉降防治规划和管控要求，采用单因素判别法对第二、第三承压含水层地下水源换热系统适宜性进行综合分区，划分为潜在适宜区、潜在较适宜区和不适宜区三个级别，如图2、图3。

图2 第二承压含水层地下水换热系统适宜性分区Fig.2 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in second confned aquifer

图3 第三承压含水层地下水换热系统适宜性分区Fig.3 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in third confned aquifer

3.3 资源评价

综合地层特点、施工适宜程度、建筑物负荷和经济合理性，上海地区地下水源热泵系统的目标含水层一般选择第二或第三承压含水层。根据上海市浅层地热能调查评价成果，在不考虑土地利用系数的情况下，全区第二、三承压含水层可供应用建筑面积和资源潜力评价结果如表1。

表1 第二、第三承压含水层可供建筑面积及资源潜力Table1 Available area for construction and resource potential of second and third confned aquifers

3.4 应用案例

上海市由于地下水开采受到严格控制，地下水地源热泵系统应用未得到推广，目前仍处于应用研究阶段。本文通过对某已建地下水源热泵系统应用项目进行跟踪监测，分析系统运行对地质环境的影响程度。

项目情况：某农业示范项目，采用地下水换热方式浅层地热能用于温室的供暖和供冷，温室面积约21000m2，采用全封闭地下水抽回灌系统，系统目的含水层为第二承压含水层，共布置4口采、灌井，2抽2灌，井深104.5m。2016年系统运行情况：上半年为供暖工况，四月中旬进入间歇期，六月下旬转为供冷工况，九月上旬进入间歇期，十一月下旬开启供暖。监测内容包括水温监测、分层沉降、地表沉降、水质监测、水位监测。

水温动态情况：根据2016年度监测数据，年初开始阶段为供暖工况，取水井对地下水温的扰动很小，回灌井周边水温持续下降，最大降幅约为4℃；六月下旬转为供冷工况，由于冷水井内水温远低于热水井，热泵利用后，回灌水水温仍低于对该区域水温，由于供冷需求较小，区域水温很快恢复至19℃左右。

水质变化情况：2016年度数据显示，本年度该场地的水质略有变化。水质监测井中阴离子SO和NO略有增加。

水位动态情况：地下水水位有一定的变化，水位最大变化幅度约为2.5m。

地表沉降情况：根据对23个测点的数据分析，监测三年来累计变化范围为1.16～-4.83mm，沉降量较小，2014～2016年间累计沉降量如图4。

图4 地表监测点2014～2016年度累计沉降量Fig.4 Cumulative settlement of surface monitoring point from 2014 to 2016

分层沉降情况：通过对监测数据分析，含水层、隔水层的土层发生了一定的变形，含水层地层压缩了1.04mm，下伏隔水层回弹了1.36mm，上覆土层压缩了0.47mm。在系统运行期间内，由于采灌相结合，上覆土层和下覆土层的整体变形量较小，土层2014～2016年累计变形量如图5。

图5 土层2014～2016年累计变形量Fig.5 Cumulative deformation of soil layer from 2014 to 2016

4 结论与建议

4.1 结论

本文通过对上海地区浅层地热能调查评价成果以及应用项目多年的监测数据进行分析，并结合地下水及地面沉降管控要求，得出如下的结论：

（1）上海地区拥有丰富和稳定的地下水资源，调查数据表明，本市大部分地区的第二、第三承压含水层的主要水文地质参数能满足地下水地源热泵系统应用的资源条件。

（2）在地下水的采灌量保持基本平衡情况下，地下水源热泵系统运行对地面沉降等地质环境影响较小。应用项目监测数据表明，地下水源热泵系统运行过程中水质、水位、水温会发生一定变化，但年度总体变化不大；分层沉降上覆土层、含水层和隔水层沉降量较小，三年累计沉降量平均小于2mm。

（3）国内外的研究和实践表明，科学合理的地下水资源管理方式既不是完全管制也不是完全放开，应是管控相结合，在采灌之间取得平衡。上海地区多年来开展的地面沉降防治工作取得了一定的成效，各承压含水层地下水位逐年回升。

4.2 建议

通过综合研究和分析，对上海地区地下水源热泵系统应用提出如下建议：

（1）在满足地下水保护和地面沉降管控要求的前提下，建议本市地下水源热泵系统在应用研究的基础上可在适宜的地区开展适当规模的应用与示范。

（2）地下水源热泵应用项目在实施前应提交水资源论证报告，提出地下水的水量、水质保护措施，应布设监测设施，对回灌率、水位、水温和水质等进行监测。水资源论证报告应得到水务管理部门批准后才能实施，项目建成运行一定时间后应进行试验评估。

（3）应加强系统实施过程中的监管，落实各项保护措施，系统设计前应进行水文地质调查，采灌井的布设要科学合理，在确保能够充分回灌的同时，要防止采井区发生不均匀地面沉降。

（4）在条件成熟时，建议出台地下水源热泵应用相关管理制度，科学规划，明确管理职责，规范上海地区地下水源热泵的应用行为，充分发挥地下水源热泵系统显著的节能环保特性和经济性的优势。

（5）监测数据表明，地下水源热泵的应用在一定程度和时间范围内地下水的水质和地温略有变化，建议相关单位加强对应用项目的监测和研究工作，确保地下水资源的安全和可持续利用。

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Research on applicability of groundwater source heat pump system in Shanghai

HUANG Jian
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

Shallow geothermal energy has been greatly developed and publicized as an affordable mineral resource that is worthy to research under today’s economic environment and technological conditions.The application of ground source heat pump system using buried pipelines is advancing especially rapidly.However, the underground water-source based heat pump system has attracted much less research and attention.This system employs underground water, which has a relatively stable temperature, and heat pump technology to accomplish ground heat exchange; it not only is more effcient but also requires less space.This paper tries to achieve a comprehensive analysis and an evaluation of resource condition of the underground water-source based heat pump system.The potential factors caused by such system that may create geological impact on the environment are carefully monitored and studied.The goal of the paper is to analyze the applicability of this system in order to provide advice for the urban plan to further develop the underground water-source based heat pump system.

shallow geothermal energy; groundwater source heat pump system; resource conditions; geological environment impact; applicability analysis

P314

A

2095-1329(2017)03-0053-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.012

2017-07-11

修回日期: 2017-08-18

黄坚(1969-),女,硕士,高级工程师,主要从事水文地质工程地质及浅层地热能应用技术研究.

电子邮箱: huang_jane@sina.com

联系电话: 021-56956111

上海市科委科研项目“浅层地热能可持续利用关键技术研究与示范”(13dz1203100)