安徽省地源热泵换热系统适用条件分析

2019-06-17韩非汪国武安徽两淮建设有限责任公司安徽合肥230000

安徽建筑 2019年5期

韩非，汪国武（安徽两淮建设有限责任公司，安徽合肥 230000）

0 前言

地源热泵是以岩土体、地下水、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的中央空调系统或热水系统。根据浅层地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统[1]。而浅层地热能是指蕴藏于地表以下200m埋深的浅岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能，所以地质条件是选择设计换热系统的首要因素和基本依据。

安徽省位于我国东南部，居华东腹地，属泛长三角地区。全省国土面积139600km2，有15个中心城市，地源热泵系统作为供热空调系统已经在安徽建筑节能中广泛应用，换热方式主要是地埋管换热系统。全省利用地源热泵系统供暖/制冷面积已超过2000万m2，省会合肥约800万m2（滨湖新区在建分布式能源站约200万m2），到“十三五”末，安徽地源热泵系统供暖/制冷面积将达到4800万m2。本文主要根据安徽省地质条件对地源热泵系统换热方式使用条件进行分析。

1 安徽气候和地形及地貌

安徽地处中纬度地带，为暖温带向亚热带过渡的季风气候类型；淮河以北地区属温带半湿润季风气候，淮河以南属亚热带湿润季风气候，属于夏热冬冷地区，也是地源热泵系统开发利用的适宜地区。安徽地形复杂，地处黄淮海平原南缘、秦岭东延余脉、长江中下游平原和江南丘陵北部的交变地带，跨长江、淮河及新安江三大流域，地势南高北低，西高东低，北部平原坦荡，中部丘陵起伏，西部及南部为山地。全省分淮北平原、江淮波状平原、皖西山地、沿江丘陵及皖南山地五大地貌单元[2]。

2 地表水换热系统适用地区

地表水热泵系统是指通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及塌陷区水作为热泵冷热源[1]。

安徽省境内地表水比较丰富，共有河流2000多条，资源总量约672.20亿m3，除东南部新安江水系属钱塘江流域外，总体分属长江、淮河两大流域。长江自西南入境，汇华阳河、皖河、滁河、青弋江及水阳江等支流，境内长416km，长江流域6.68万km2，占全省总面积的47.6%。淮河自西向东横贯安徽北部，流经长约430km，淮河流域6.75万km2，占全省总面积48.0%。新安江源于安徽东南部山区，在安徽境内为其上游段，呈树枝状水系，长194.3km，流域6197.8km2。主要支流有率水、休宁河及丰乐河等。安徽湖泊星罗棋布，湖泊580多个，总面积约3800km2，多集中分布于沿淮和沿江地区，沿淮南岸及沿江北岸湖泊分布较多（图1）；还有人工建造的水库、采矿塌陷积水区等地表水体[2]。巢湖位于合肥市工作区南部，面积776km2，是省内最大的湖泊，也是全国五大淡水湖泊之一。

地表水具有动态变化的特点。由于地表水体直接暴露于地表，地表水温度受光照、气温等明显影响。在地表水流动性较小的情况下，冬季气温较低，其浅部温度低而深部较高；夏季气温较高，浅部地表水温度高而深处较低。地表水在流动状态下，其温度相应呈混合型[3]。而设计地表水换热系统的主要影响因素是地表水的深度、流量和温度，还要获得相关部门的允许。地表水换热系统从水质和能效的角度考虑，主要采用开式系统，因此，取水高差和水位变化将影响取水水泵的选择，动态变化的水温则是决定热泵机组性能的关键因素[4]。

图1 安徽省地表水体分布

安徽适用地表水换热系统的地区很多，有长江流域、淮河流域和新安江流域，有巢湖、太平湖、瓦埠湖等等众多湖泊，有淮北、淮南的众多塌陷区，但真正实施的项目不多，只有合肥大剧院、黄山市香茗酒店和玉屏假日酒店等项目。主要是因为项目在设计时未考虑水体的换热能力和环境因素，例如，夏天换热后将水直接排放到水体中，造成生态破坏；未考虑水位随季节变化等因素，造成冬天换热能力不足等，形成了对地表水换热系统的认识误区，造成建设单位和设计部门接受程度不够。

3 地下水换热系统适用地区

地下水换热系统即深井回灌式水源热泵系统。该系统通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至地源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。安徽省地下水类型可分松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水、岩浆岩类裂隙水及变质岩类裂隙水[5]。

松散岩类孔隙水主要蕴藏于淮北、江淮、沿江平原及山间谷地，其岩性在淮北平原为新近系及第四系粘性土与砂互层，主要指阜阳、亳州及宿州市工作区，淮北、蚌埠及淮南市次之。浅层地下水多呈条带状分布，为潜水及微承压水，深层地下水为承压水；单井涌水量一般为10～50m3/h。淮河以南有新近系-下更新统砂砾夹粘性土，中更新统下部泥砾和上部网纹红土，中更新统下蜀粘土和全新统粘性土及砂、砾石层。淮北平原地区地下水总体较丰富。淮北平原水文地质区多为溶解性总固体小于1g/L的重碳酸型淡水，溶解性总固体总体北高南低，地下水含砂量多超标，超标值10～50mg/L，水质结垢性为结垢多，以淮南市工作区较为严重。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要蕴藏于沿江、沿淮、淮北北部丘陵及皖南山地北部的灰岩及白云岩中，强岩溶带埋深100～250m；含水不均，一般为承压水；单井涌水量一般为10～60m3/h。

碎屑岩类孔隙裂隙水分布于沿江、大别山北麓丘陵、皖南山地北部及江淮波状平原，变质岩类裂隙水主要蕴藏于皖南及沿江及沿淮丘陵，地下水不发育，单井涌水量一般小于5m3/h。

皖南地区（主要是黄山市）松散岩类孔隙水含水岩组主要为中更新统和全新统。中更新统分布于二三级阶地，下部为河床相不稳定砂砾层，中上部为粘性土。屯溪东北新安江畔局部地段单井涌水量30～50m3/h。全新统分布于屯溪盆地及青弋江、水阳江上游河谷一级阶地，下部为河床相砂砾，上部为粘性土。单井涌水量5～30m3/h。本区地下水结垢性较强，工作区主要以结垢为主。

淮北平原深层地下水和皖南地区浅层地下水丰富，通过在淮北平原进行的有压和无压回灌试验，灌采比均小于50%[5]，抽灌井比例需要一抽两灌或一抽三灌，根据目前完成的项目，因为物理、化学和生物等因素，回灌井回灌能力逐年下降[6-7]，滤水管堵塞等现象[7-8]，有的项目甚至发生因回灌不力，将水直接排放到城市管网等，造成水资源浪费[9]。所以，考虑到地源热泵系统长期使用，淮北平原不宜使用地下水换热系统。皖南山区是我省地下水换热系统最适宜的地方，也是新安江的源地，其浅层地下水直接排放到新安江，取热井中水可直接排放至地表，目前运行良好的黄山市中医院等项目即是例证。

图2 安徽省地下水域分布

4 地埋管换热系统适用地区

地埋管换热系统是以200m以浅的岩土层作为低温热源，通过输入少量的电能，实现热量从岩土层向建筑供热区域转移，该换热系统只提取热量不取水，不对地下水造成破坏，也不存在对大气排热、排尘等污染[10]。

安徽地层跨华北、华南两个地层大区，分属三个地层区和五个地层分区。淮北地区各中心城市200m以浅主要为松散岩类（上第三系和第四系）地层，主要分布在阜阳、亳州及宿州市，上覆第四系厚大于100m，东北向渐薄，岩性以砂砾岩、砂岩、泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩为主，淮河以南呈零星分布，以正阳关组及安庆组为主，厚度一般小于50m。江淮之间地区各中心城市200m以浅多由半固结岩类地层（古今系及白垩系）组成，半固结岩类包括古近系及白垩系，主要分布在合肥、六安、滁州、宣城，以及黄山、淮南及马鞍山市等局部地区，上覆松散岩类地层厚度多小于30m。固结岩类岩性是除松散岩类、半固结岩类地层外的其它各类岩石，主要分布于沿江、江南丘陵及平原地区的马鞍山、芜湖、铜陵、池州、安庆、黄山市，以及淮北、蚌埠、淮南等城市的部分工作区。其上覆松散岩类地层厚度一般小于30m，30～150m深多为岩石，包括白垩纪以前的各地质时代的沉积岩，以及变质岩及岩浆岩。多为灰岩、砂岩及泥岩，变质岩主要分布于黄山市等工作区，岩浆岩主要分布于蚌埠市等工作区，以固结、坚硬及块状为主要特征[5]。

图3 安徽省地层岩土分布

总之，安徽省除了自然水体外，都可以施工地埋管换热系统，但因为各地区岩性和水文地质条件差异很大，地埋管换热系统的换热能力和施工造价区别比较大。淮北平原，主要包括亳州、阜阳、宿州、淮北、蚌埠和淮南市的淮河以北地区，地下为80～200m的松散岩类，地下水（孔隙水）丰富，施工难度小，造价低，换热效果好，最适宜设计施工地埋管换热系统；江淮波状平原，主要包括合肥、六安以及蚌埠、淮南市的淮河以南地区，地下为半固结岩类，地下水贫乏，施工难度较大，造价低，换热效果稍差[6]。皖西山地，包括岳西、霍山一带，地下为岩石，施工难度大，造价较高，但换热效果好；沿江丘陵平原，主要有滁州、芜湖、马鞍山、铜陵、安庆、池州及宣城，上部有0～30m的松散岩类，下部为固结岩，富含孔隙水及碳酸盐岩类裂隙岩溶水，施工难度大，造价较高，但换热效果好[12]。