1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國的能源形勢日趨緊張，國家提倡節(jié)能減排，并鼓勵可再生能源的使用。淺層地熱資源是可再生能源的一種，是可以循環(huán)利用、清潔的能源。在能源短缺的今天，利用淺層地熱資源必定會帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，對其進行綜合開發(fā)利用具有十分廣闊的前景。

地下水源熱泵是把地下水作為冷源或熱源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。目前地下水源熱泵在我國已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是由于前期的研究不夠成熟，使得地下水源熱泵在應用過程中，產(chǎn)生了一些不利于社會、經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的負面影響，需要得到及時的控制，在今后的新建工程中更應該避免此類問題的發(fā)生，從而使地下水源熱泵向健康、節(jié)能、高效、經(jīng)濟和環(huán)保的方向發(fā)展。

2 地下水源熱泵的基本原理

由于地層的隔熱和蓄熱作用，使得儲存于其中的地下水溫度受地表氣溫變化的影響較小，特別是較深地層中的水，其溫度常年不變。地下水源熱泵系統(tǒng)就是利用淺層地下水溫度較為穩(wěn)定的特性，以淺層地下水作為熱源或熱匯，通過熱泵實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，從而達到對建筑物供熱和制冷的目的。

夏季，地下水溫度較地表氣溫(或地表水溫)低，可以高效地帶走空調(diào)用戶側(cè)的熱量，熱泵系統(tǒng)所起的作用就是將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到地下水源中;而冬季，水源溫度較地表氣溫(或地表水溫)高，熱泵系統(tǒng)從水源中提取熱量，轉(zhuǎn)移到建筑物以達到供暖的目的。由此可見，地下水源熱泵系統(tǒng)就是一種通過消耗少量高品位能量，將地下水中不可直接利用的低品位能量提取出來，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。

3 地下水源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵的優(yōu)勢比較

對于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)而言，低位能量來自于室外空氣，通過比較可以看出地下水源熱泵比空氣源熱泵有很大的優(yōu)勢：

表1地下水源熱泵與空氣源熱泵優(yōu)勢比較表

從表1中可以看出地下水源熱泵具有高效、節(jié)能、穩(wěn)定、環(huán)保、受氣候影響小的優(yōu)點，而這些是傳統(tǒng)空氣源熱泵不具備的?，F(xiàn)階段我國地下水源熱泵無論在設計還是施工上都日漸成熟，發(fā)展也比較迅速，但還是存在一些問題，所以在今后的工作中，我們對于已建項目出現(xiàn)的問題應及時糾正;對于未建項目，盡量避免在建設及應用過程中可能會出現(xiàn)的問題，從而使其向更好的方向發(fā)展?；诖?，本文對地下水源熱泵存在的問題進行了總結(jié)分析，并提出了解決這些問題的建議。

4 地下水源熱泵應用中產(chǎn)生的問題

4.1 水源對熱泵的影響

地下水的水量、水質(zhì)、水溫是影響水源熱泵效率的主要因素。如果進入熱泵系統(tǒng)的水量不足，水溫不適，系統(tǒng)的效率將會受到影響;如果水質(zhì)不滿足要求，有可能會造成系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢、磨損，設備安裝時的殘留油垢以及熱泵與風機潤滑系統(tǒng)泄漏的油污也會影響換熱器的換熱效果及緩蝕劑的使用效果，減少機組的壽命。

4.2 不合理的回灌設計造成“熱短路”

抽水井周圍地下水溫度的穩(wěn)定對于維持地下水源熱泵的效率起著關鍵性作用，但是回灌過程中，回灌井附近地下水的溫度會出現(xiàn)變化，隨著時間的推移，這種溫度的變化會影響到抽水溫度，就有可能在熱泵運行過程中造成地下“熱短路”。一般抽灌井的水溫溫差小于5℃時，地下水源熱泵的效能將大大降低，可以以此作為熱短路的依據(jù)。因此在進行地下水源熱泵的設計時，要通過水文地質(zhì)試驗合理設計井間距，將回灌井對抽灌井的溫度影響減小到最低的水平，避免熱短路的發(fā)生。

4.3 對地下熱平衡的破壞

人類為了使室內(nèi)保持舒適的溫度，將建筑內(nèi)的冷/熱量轉(zhuǎn)移到了地下，如果規(guī)模較小、局部、短期的熱量轉(zhuǎn)移不會引起明顯的冷熱島問題，但是如果規(guī)模較大，時間較長，就有可能引起地下的冷熱島效應。一般情況下，如果熱泵夏季輸入到地下的總熱量和冬季從地下提取的總熱量保持平衡，那么從長期看地下的熱量收支仍然是平衡的，只產(chǎn)生季節(jié)性的冷熱島現(xiàn)象，但是在很多地區(qū)，建筑物的夏季冷負荷和冬季熱負荷需求并不平衡，這樣會形成長期的冷熱島，不但降低熱泵的效率，而且長期下去會對地質(zhì)環(huán)境不利，有可能造成地下的冷熱污染，引起生態(tài)平衡問題。

4.4 對地下水質(zhì)的影響

某些水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)，地下水源熱泵需要同時利用多個含水層才能達到設計的取水和回灌要求，目前我國某些地區(qū)的地下水已遭受不同程度的污染，水質(zhì)相對較差。若系統(tǒng)建在污染較重、水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)，這種多層混合開采和回灌的方式，容易加速含水層間的相互污染，并且利用稀鹽酸或稀硫酸進行洗井的過程也會使含水層水質(zhì)惡化。地下水水質(zhì)惡化有一部分原因還來自于地下水的氧化，熱泵系統(tǒng)應用過程中有可能會使外界的空氣與地下水接觸，導致地下水氧化，地下水氧化會使地下水的化學成分發(fā)生變化，從而對地下水水質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。

4.5 地面沉降

淺層地下水通常儲存在由松散的、未固結(jié)或弱固結(jié)的第四紀沉積物組成的含水層中，地下水源熱泵往往開采的是夾在粘性土層之間的砂層中的地下水，砂層內(nèi)部也會夾有粘性土。而粘性土層壓縮性大，地下水位下降時易發(fā)生壓縮形變，如果開采區(qū)粘性土層厚度較大，并且不及時回灌，就有可能會產(chǎn)生巖土體變形，導致不均勻的地面沉降。不過，一般情況下獨立的地下水源熱泵不會誘發(fā)顯著的地面沉降，但當?shù)叵滤礋岜妹芗植紩r，如果形成聯(lián)合漏斗，有可能會增加地面沉降的風險。

4.6 地下水溫數(shù)據(jù)缺乏

一直以來，我國對地下水位的動態(tài)監(jiān)測較為重視，各地區(qū)都有連續(xù)、長期的觀測數(shù)據(jù)，但是對地下水溫數(shù)據(jù)則沒有引起足夠的重視，通過走訪有關部門，發(fā)現(xiàn)有關地下水水溫的數(shù)據(jù)較為缺乏，并且在數(shù)據(jù)的共享性和權(quán)威性上，也都難以滿足要求，從而給地下水源熱泵的研究工作帶來一定的困難，并且在進行熱泵設計時，由于取水點溫度的變化情況難以確定，給設計也帶來一定的影響。

4.7 不適宜地區(qū)建立地下水源熱泵問題

通過閱讀大量文獻，發(fā)現(xiàn)有關熱泵適宜性評價方面的文章很少，并且國家也沒有進行全國性的地下水源熱泵的適宜性分析和區(qū)域規(guī)劃，致使某些地區(qū)在不適宜地區(qū)盲目的建立地下水源熱泵系統(tǒng)，出現(xiàn)了較多的問題;由于對熱泵建設場地勘察力度不夠所造成系統(tǒng)性能下降，回灌困難等問題也比較突出。例如：在銀川地區(qū)，由于對地下水文地質(zhì)的研究處于較低的層面，采用熱泵系統(tǒng)時僅參照工程的經(jīng)驗值，抽取的地下水回灌困難，無法回灌的地下水就直接排放到地表，造成了極大的資源浪費。我國北京地區(qū)，地下水源熱泵工程分布較密集，有可能會使兩熱泵系統(tǒng)的地下部分相互影響，導致地下水成為不穩(wěn)定的熱源，熱泵效率降低。

4.8 缺乏對地下水源熱泵的監(jiān)管

國際能源組織、國際地源熱泵協(xié)會等行業(yè)組織為地下水源熱泵的推廣提供了技術上的支持，但實際上各國法規(guī)對地下水源熱泵的應用都有一定的約束。由于地下水源熱泵需要大量抽取地下水，歐美許多國家一般不鼓勵使用開式回路系統(tǒng)，鑒于監(jiān)測管理地下工程的難度較大，美國等發(fā)達國家在應用地下水源熱泵上表現(xiàn)的也相當謹慎，比如禁止在地下水的水源地保護區(qū)使用地下水源熱泵，要求熱泵循環(huán)水同層回灌等。我國在應用地下水源熱泵的過程中雖有一定限制，但還有不完善之處，比如：由于監(jiān)管不嚴造成抽灌不平衡問題;對于已建項目，沒有強調(diào)進行地下監(jiān)測的必要性和強制性等。我國在管理上也存在一定的漏洞，比如：對于從事地源熱泵系統(tǒng)承包、設計、施工的單位沒有建立資質(zhì)審核制度，對于地下部分的勘測、熱泵的設計、施工、驗收等環(huán)節(jié)也缺乏相應的標準和規(guī)范，從而造成了工程質(zhì)量不過關和資源的浪費。

5 對策

5.1 加強前期水文地質(zhì)勘察工作保證系統(tǒng)設計的合理性

建設場地的水文地質(zhì)條件是進行地下水源熱泵設計的依據(jù)，在決定某地區(qū)是否采用地下水作為熱泵的冷熱源之前，首先應盡可能全面的收集區(qū)域水文地質(zhì)資料，掌握周圍已建地下水源熱泵的分布情況，然后進行嚴密的現(xiàn)場抽水試驗，看是否具備足夠的地下水水量、水溫是否適宜;其次還需了解該處的地下水質(zhì)情況，以獲得較準確詳盡的規(guī)劃方案?？辈靸?nèi)容不僅包括水文地質(zhì)和工程地質(zhì)參數(shù)，還包括巖土體熱物理性質(zhì)等，從而保證熱泵設計參數(shù)的準確性，避免了因設計不合理產(chǎn)生的一系列問題，如熱短路、熱平衡問題。

5.2 降低對環(huán)境的負面影響

最初有些學者大力宣傳地下水源熱泵能夠降低空氣污染的優(yōu)勢，但忽視了其對環(huán)境的負面影響，隨著這一技術的推廣，有些問題也顯露出來，需要得到及時的解決：

1)地下熱平衡的破壞。建立傳熱模型，并進行模擬，合理確定開采量，或采用輔助裝置，預防冷熱島效應。如：北方地區(qū)，冬季可輔以鍋爐或太陽能加熱;南方地區(qū)，夏季可利用冷卻塔、建筑附近的景觀噴泉或地表水來輔助散熱。

2)地下水質(zhì)的破壞。首先要嚴格控制人工回灌水質(zhì)，雖然目前國家還沒有出臺完善的回灌水水質(zhì)標準，但一般要求回灌水水質(zhì)等于甚至高于原地下水水質(zhì)，盡量同層回灌，避免回灌后各個含水層相互貫通而引起水質(zhì)污染;其次在洗井的時候盡量采用物理的方法，以避免地下水化學成分的變化;再次要采用井口換熱器，將熱交換后的地下水直接進行回灌以減少地下水與空氣接觸的機會，防止因地下水氧化而產(chǎn)生的水質(zhì)惡化。

3)巖土體變形及地面不均勻沉降。地下水源熱泵在應用過程中必須做到及時回灌，在水井選址時，盡量避開那些粘性土層十分發(fā)育的地區(qū)。并且要充分考慮熱泵系統(tǒng)之間的空間布局，盡量使其分散以免產(chǎn)生聯(lián)合漏斗。

5.3 加強監(jiān)測工作、進行適宜性分區(qū)

針對目前我國水溫數(shù)據(jù)缺乏的狀況，建議國家對我國需要建立地下水源熱泵地區(qū)的地下水進行不同深度、長期、連續(xù)的水溫監(jiān)測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，以滿足設計需要。對于已建熱泵的地區(qū)，應設置監(jiān)測點，采集有關數(shù)據(jù)，一方面保證系統(tǒng)正常運行，另一方面及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境隱患。國家還應盡快進行全國性的適宜性分區(qū)和區(qū)域規(guī)劃，并連同監(jiān)測的數(shù)據(jù)一起建立相應的數(shù)據(jù)庫，及時進行數(shù)據(jù)更新，從而為地下水熱泵的設計提供一定的參考。

5.4 制定相關政策及法規(guī)、加強監(jiān)管

建議國家頒布針對該行業(yè)管理的法律、法規(guī)，盡快實行市場準入制度或生產(chǎn)許可證管理制度，對從業(yè)企業(yè)進行有效的約束和管理，防止熱泵相關設備的無序生產(chǎn)。對設計、施工單位建立資質(zhì)審核制度，并制定相應的統(tǒng)一的標準和規(guī)范，使熱泵市場向健康有序的方向發(fā)展;加強對地下水源熱泵項目的監(jiān)管，比如：在項目實施之前要提交水資源論證報告，并需要經(jīng)過水務部門批準，項目建成后，有關部門必須對其進行嚴格的監(jiān)控以保證地下水全部回灌。

本文來源于：地源熱泵網(wǎng)