地下水式地源热泵前景展望

沈剑杰

（上海长凯岩土工程有限公司，上海200093）

1 背景介绍

地源热泵是一种利用地下温度相对稳定的土壤、岩石或水等作为恒温热源，通过冷热交换装置达到对建筑物进行室内温度调节目的的设备系统。自20 世纪40 年代问世以来，以其清洁性、经济性、无限性等优点，在第一次能源危机后被北欧、英美等发达国家广泛应用，而我国虽然起步较晚，但发展前景广阔[1-2]。

住房和城乡建设部发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，其中要求到2020 年，城镇新建建筑能效水平比2015 年提升20%，城镇新建建筑中绿色建筑面积比重超过50%，城镇可再生能源替代民用建筑常规能源消耗比重超过6%。

国家发展改革委、国家能源局和国土资源部共同印发了《地热能开发利用“十三五”规划》，规划要求在“十三五”时期，我国将新增地热能供暖/制冷面积11 亿m2（其中新增浅层地热能供暖/制冷面积7 亿m2，新增水热型地热供暖面积4 亿m2）；新增地热发电装机容量500 兆W；到2020 年，地热供暖/制冷面积累计达到16 亿m2，地热发电装机容量约530 兆W。

2 地下水地源热泵的研究情况

地源热泵系统主要包括地表水源热泵系统、地下水源热泵系统和地埋管热泵系统。

地下水地源热泵在技术上相对成熟，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，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。但由于成井等前期投入费用较高，限制了其广泛推广和使用[3-4]。

现阶段，国内外对地源热泵进行了很多研究，多集中于耦合换热模拟、换热设备及回填材料、多热源复合式系统、系统优化匹配等研究[5-6]。同时，还有对新型工质、系统环境影响、系统效益评价方法、设计方法等方面的研究。针对地下水源热泵，对抽灌井热贯通、回灌井堵塞、含水层状态、回灌水水质等问题的研究是现阶段研究的热点内容，但目前多为暖通工程领域的人员对该问题进行研究，水文工程领域参与研究的人员较少。

骆祖江等对丹阳市滨江新城地下水地源热泵系统优化布井的数值进行模拟分析后，认为基于地下水渗流与热量运移原理建立的地下水非稳定渗流和热量运移模型，可以较准确地模拟和预测地下水地源热泵三维耦合数值模型系统，分析在不同工况运移过程中的热平衡发展趋势[7]。

福州某客运站采用地下水地源热泵系统，该项目节能、环保，经济效益显著。上海某农业示范项目的实践结果表明，在地下水的采灌量保持基本平衡的情况下，地下水源热泵系统的运行对地面沉降等地质环境影响较小。

3 深基坑井作为热源井的可行性分析

随着社会经济的繁荣发展，城市空间不断向高处、往深层拓展，高层建筑和深层地下空间日益增加，深基坑工程也随之大量增多。深基坑工程在开挖的过程中，可能会引发地下水危害，如基坑突涌、渗流破坏或渗流固结不均匀沉降等。为防止地下水带来的危害，需要对基坑进行降水，减压井进入承压含水层，而承压含水层往往是地源热泵热源层。

深基坑往往位于城市的中心繁华地段，周边建筑物较多，环境保护要求高，而基坑降水施工极易引起周边地层的沉降及建筑物的变形，影响基坑的安全建设。因此，需要在被保护建筑附近区域设置回灌井，通过回灌的方法减少地层变形。

目前，减压井和回灌井被视为临时措施，在基坑工程完工后便进行封井，并未得到有效利用，造成极大的浪费。而在地下水地源热泵的投资中，有30%以上的投入为热源井成井的费用。热源井的成井费用高造成地下水地源热泵成本居高不下，影响地下水地源热泵的推广使用。因此，如能有效地将深基坑降水井及回灌井这种临时性措施长久利用，不仅可以免去封井环节，有效降低工程造价，而且符合绿色环保、节能减排的要求。

对于地下水式地源热泵，高铁锰水有可能堵塞回灌井，影响换热效率。地下水式地源热泵机组通过机组内闭式循环系统，经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换，地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。所以，对抽水回灌工况条件下的除铁锰进行研究，对于地源热泵的稳定运行有很大意义。目前，我国很多地方的地下水铁锰含量超标现象都很严重，而且常常是大面积、区域性的。据统计，全国约20%的地下水资源属于含高浓度铁、锰的地下水，如苏锡常地区、福建地区地下水铁锰含量均较高，甚至超标数倍甚至数十倍。随着社会的发展，人民生活水平的提高，环境效益越来越受到重视，在地源热泵使用过程中对地下水进行监测、处理，提高回灌水质，不仅有利于地源热泵长期有效地使用，同时也有助于改善地下水环境，保证经济、社会和生态效益共同提升。

利用地源热泵技术，在地下水回灌过程中的回路并不能做到严格的密封，也就造成了地下水不可避免地与外界空气接触，使得地下水氧化。此外，国内的地下水回路材料基本上未做相关的防腐措施，故会造成地下水水质发生变化。另外，地下水经过回灌的管路时，一些理化性质的改变能否引起热力学平衡的改变都不可预测。因此，热源井结构的设计、水质的处理、抽水—回灌运行是以后研究的重点。

4 结语

地源热泵作为清洁能源，在环保绿色节能理念被日益重视的今天得到了广泛的应用，拥有广阔的市场前景。地下水地源热泵的技术相对成熟，但成本较高，而采用被视为临时措施的减压井和回灌井作为热源井能够有效降低成本，符合节能减排的要求。

利用深基坑降水井及回灌井作为地源热泵热源井，既改善生态环境质量，还符合习近平总书记提出的“五位一体”的总体布局要求，符合党中央对生态文明建设战略部署。

目前，利用减压井和回灌井作为热源井尚需解决热源井结构的设计、水质的处理、抽水—回灌运行等相关问题，这些问题解决后不仅有利于地源热泵长期有效地使用，同时也有助于改善地下水环境，具有良好的经济、社会和生态效益。