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地下水源热泵系统对地下水资源的影响分析
地下水源热泵系统对地下水资源的影响分析
来源:环球暖通网    2011-4-26
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  随着地下水源热泵的大面积推广,一方面其节能、减排效果在我国的能源战略中发挥了重要的作用;另一方面,由于对地下水资源的利用存在着不环评、不科学、不合理的开发,导致了地下水资源正逐步受到影响。文章通过分析我国31个省市地下水资源的变化,倡导科学的、有效的地下水资源综合开发利用管理及应用。

    前言

    地下水源热泵(GroundWaterHeatPump)是地源热泵(GroundSourceHeatPump)的一个分支。这项技术起始于1912年,瑞士Zoelly提出了“地热源热泵”的概念。1948年,第一台地下水源热泵系统在美国俄勒冈州波特兰市的联邦大厦投入了运行。在其后的几十年中,地下水源热泵得到了更为广泛的应用。美国在过去的10年内,地下水源热泵的年增长率为12%,每年大约有50,000套地下水源热泵在安装。我国地下水源热泵从1997年开始学习和引进欧洲产品,出现了大规模的地下水源热泵采暖工程项目。到2005年底,全国范围内除香港、澳门、台湾地区的31个省市均有地源热泵项目,项目数量达到3869项;统计归纳建筑部三批共计212项示范项目,其中地下水系统占总量的39.26%(各种地源热泵类型分布参见图1)。近30年来,全国地下水开采量以每年25亿M3的速度递增,总开采量超过1000亿M3,伴随着国家可持续发展能源战略的调整,水源热泵在建筑节能降耗领域发挥着重要的作用。

    1、地下水源热泵系统简介

    地水源热泵是利用了地下水作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统,没有燃烧过程,避免了排烟、排污等污染;供冷时省去冷却塔,避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。地水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12~22℃,水体温度比环境空气温度高,所以热泵蒸发温度提高,能效比也提高。而夏季水体为18~35℃,水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率提高。

    据美国环保署[1]EPA估计,设计安装良好的地下水源热泵,平均来说可以为用户节约20~30%的供热制冷空调的运行费用。采用地源热泵系统作为楼宇空调系统,其运行费用可大大降低。根据北京11个地源热泵项目2003~2004年冬季的运行费用调查结果,其中7项工程低于燃煤集中供热的采暖价格,所有被调查项目均低于燃油、燃气和电锅炉供暖价格;用地源热泵系统制冷时,其运行费用可比传统中央空调系统降低15%~30%。折算到一次能源,以能源利用系统总能效进行比较,现有地下水热泵系统供热总能效最高,约为115%,土壤源热泵系统供热总能效约为100%,燃煤集中锅炉房供热总能效55%左右,燃气集中锅炉房供热总能效的65%左右,热电厂供热总能效约为70%。

    2、地下水源热泵的应用对地下水位的影响

    我国水资源非常缺乏,主管部门对开采地下水有严格管理,为保证地下水源热泵系统长期正常运行,补充地下水源,调节水位,维持储量平衡,必须进行100%同层回灌。同时,为避免在热泵装置中冷却或加热后回灌到地下的水,因短路而被抽回,回灌井与取水井之间应保证一定距离。目前,虽然还没有回灌水质国家标准,但回灌水质至少应等于原地下水质,以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。根据国土资源部发布的《我国主要城市和地区地下水水情通报》,2006年163个城市地下水水位监测资料显示,与2005年相比,监测区地下水位总体保持稳定,深层地下水位较浅层变化明显,水位变化明显区主要在地下水开采程度较高的华北、华东、西北等地区。

    在开展浅层地下水水位监测的126个城市中,与2005年相比,水位总体呈下降趋势(下降幅度大于0.5米)的城市有23个,主要分布在华北、华东、西北地区。在开展深层地下水水位监测的78个城市中,与2005年相比,水位总体呈下降趋势的城市有24个,主要分布在华北、华东地区。

    2006年监测结果表明,全国有地下水降落漏斗216个,其中浅层地下水降落漏斗120个,深层地下水降落漏斗91个,岩溶地下水降落漏斗5个。与2005年相比,地下水降落漏斗状况总体保持稳定,有明显变化的降落漏斗主要分布在受地下水开采影响较大的华北、华东地区。其中浅层地下水降落漏斗主要分布在华北、华东地区;深层地下水降落漏斗主要分布在华北、东北、华东地区。

    地下水回灌的方法有三种,即:真空回灌、重力(自流)回灌和压力回灌。真空回灌:真空回灌是利用存颇低的静水位(低于地面10m)形成真空进行回灌,含水层渗透性要良好,由于回灌时,对井的滤水层冲击力不强,所以很适用于老井。采用真空回灌,对于细颗粒含水层,回灌量一般为取水量的1/3-1/2;对于粗颗粒含水层,回灌量可达取水量的1/2-2/3。重力回灌:依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层,此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层,其回灌量一般为取水量的50%;对于渗透性好的砾卵石层来说,回灌量可达取水量75-90%。压力回灌:压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层,其缺点是回灌时,对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。因此,综合目前的地下水源热泵的取水层情况,国家相关标准提出回灌井不得少于抽水井的两倍,其目的也就是为了实现抽水与回灌量的平衡。

    3、地下水源热泵的应用对地下水质的影响

    2006年163个城市的地下水水质监测资料分析,监测区主要监测点的地下水水质以良好-较差为主,深层地下水水质优于浅层地下水,开采程度低的地区地下水水质优于开采程度高的地区。在开展浅层地下水水质监测的125个城市中,主要监测点地下水水质呈恶化趋势的城市有21个,主要分布在东北、西北、华东、中南等地区;开展深层地下水水质监测的75个城市中,主要监测点地下水水质呈恶化趋势的城市12个,主要分布东部沿海地区。

    一般而言,第三系含水层较少,第四系含水层较多,水量丰富,除污染严重或咸碱水区域外,地下水物化特性比较适中。在第四系与第三系地层覆盖较薄区域,水源大都采自基岩井,华北地区由于寒武纪地层埋藏大部分较深,一般建井是在奥灰地层,水源是原生水或次生水(有一定的补给关系,与外界连通交换并有区域流动和流向)。原生水水质与其形成地质时代有巨大关系,大都埋藏较深,目前水文地质界因视其为“战备水”而不建议开采;次生水是区域降雨可以补充的地下水,华北地区常采的是奥陶系灰岩地层水,水文地质界称为“奥灰水”,由其形成特性决定其水质。因此目前国家针对地下水的回灌,不仅仅要求是满足等量回灌,更加关键的是为了防止不同含水层中水质的相互影响,同时提出了同层回灌的要求,即所谓异井回灌。

    在开展浅层地下水水位监测的126个城市中,与2005年相比,水位总体呈下降趋势(下降幅度大于0.5米)的城市有23个,主要分布在华北、华东、西北地区。在开展深层地下水水位监测的78个城市中,与2005年相比,水位总体呈下降趋势的城市有24个,主要分布在华北、华东地区。

    2006年监测结果表明,全国有地下水降落漏斗216个,其中浅层地下水降落漏斗120个,深层地下水降落漏斗91个,岩溶地下水降落漏斗5个。与2005年相比,地下水降落漏斗状况总体保持稳定,有明显变化的降落漏斗主要分布在受地下水开采影响较大的华北、华东地区。其中浅层地下水降落漏斗主要分布在华北、华东地区;深层地下水降落漏斗主要分布在华北、东北、华东地区。

    地下水回灌的方法有三种,即:真空回灌、重力(自流)回灌和压力回灌。真空回灌:真空回灌是利用存颇低的静水位(低于地面10m)形成真空进行回灌,含水层渗透性要良好,由于回灌时,对井的滤水层冲击力不强,所以很适用于老井。采用真空回灌,对于细颗粒含水层,回灌量一般为取水量的1/3-1/2;对于粗颗粒含水层,回灌量可达取水量的1/2-2/3。重力回灌:依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层,此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层,其回灌量一般为取水量的50%;对于渗透性好的砾卵石层来说,回灌量可达取水量75-90%。压力回灌:压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层,其缺点是回灌时,对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。因此,综合目前的地下水源热泵的取水层情况,国家相关标准提出回灌井不得少于抽水井的两倍,其目的也就是为了实现抽水与回灌量的平衡。

    3、地下水源热泵的应用对地下水质的影响

    2006年163个城市的地下水水质监测资料分析,监测区主要监测点的地下水水质以良好-较差为主,深层地下水水质优于浅层地下水,开采程度低的地区地下水水质优于开采程度高的地区。在开展浅层地下水水质监测的125个城市中,主要监测点地下水水质呈恶化趋势的城市有21个,主要分布在东北、西北、华东、中南等地区;开展深层地下水水质监测的75个城市中,主要监测点地下水水质呈恶化趋势的城市12个,主要分布东部沿海地区。

    一般而言,第三系含水层较少,第四系含水层较多,水量丰富,除污染严重或咸碱水区域外,地下水物化特性比较适中。在第四系与第三系地层覆盖较薄区域,水源大都采自基岩井,华北地区由于寒武纪地层埋藏大部分较深,一般建井是在奥灰地层,水源是原生水或次生水(有一定的补给关系,与外界连通交换并有区域流动和流向)。原生水水质与其形成地质时代有巨大关系,大都埋藏较深,目前水文地质界因视其为“战备水”而不建议开采;次生水是区域降雨可以补充的地下水,华北地区常采的是奥陶系灰岩地层水,水文地质界称为“奥灰水”,由其形成特性决定其水质。因此目前国家针对地下水的回灌,不仅仅要求是满足等量回灌,更加关键的是为了防止不同含水层中水质的相互影响,同时提出了同层回灌的要求,即所谓异井回灌。

    关于单井回灌技术,确实具有降低初投资、部分增加回灌效果等优点,但是,不可否认的是,除了容易导致热干扰(热短路)之外,由于不同含水层之间的回灌互用,违背了同层回灌的要求,导致了深层地下水(战略储备水)与浅层地下水之间的相互混溶,破坏了地下水系的结构,带来了不可逆的后果与影响。

    4、地下水源热泵良性发展关键

    1).建立证政府行政监管体系,对地下水资源的开发与利用进行统一监管;防止区域性的水资源过度开发与利用。

    2).国家相关水力资源部门进行全国范围的水利调查,绘制全国地下水资源综合分布图;对于地下水资源贫瘠地区,或者地质结构不适宜地区,坚决不允许开采地下水资源。

    3).对于新建或者已建成的水源热泵项目,务必要求100%的同层回灌;防止地下水资源的流失;同时做好回灌水资源的水质监管工作,防止对深层战略储备地下水的污染。

    4).为提高回灌效果,在进行回灌过程中,需要定期进行回扬。回灌井的回扬次数和回扬持续时间,取决于含水层颗粒大小和渗透性。岩溶裂隙含水层的回灌井,长期不回扬,回灌能力仍维持不变;松散粗大颗粒含水层,每周回扬1-2次;中、细颗粒含水层,回扬间隔应进一步缩短,而对于细颗粒含水层的回灌井来说,回扬作为保持回灌量的措施尤为重要。

    5).据专家测算,目前我国发电装机容量为5.08亿千瓦,百米内地下水每年可采集低温能量约为2.2×108千瓦,相当于其43%,浅层地能的应用具有相当大的市场空间,如果全国每年在1亿M2建筑中推广应用地源热泵供暖空调,则每个采暖季可替代374万吨标煤,或25亿M3左右天然气,削减约6.4万吨N0X、933万吨CO2、约16万吨颗粒物的排放。鉴于此,建设部提出,在“十一五”期间,推广浅层低能使其使用面积达到2.4亿平方米。因此,在地下水源热泵不适宜地区,鼓励发展土壤源热泵系统;在具有较丰富地表水,诸如江水、湖水、河水等水与区域,建议推广地表水源热泵系统;沿海城市建议重点推广海水源热泵。总之,地源热泵系统的推广与应用,一定要本着因地制宜的原则。

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