淺層地溫能利用中的環(huán)境影響初探

趙晨曦，劉明坤，劉建凱，楊艷鋒，陳柘舟

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

淺層地溫能利用中的環(huán)境影響初探

趙晨曦，劉明坤，劉建凱，楊艷鋒，陳柘舟

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

淺層地溫能屬于環(huán)境友好型能源，能在一定程度上減少污染物的排放，緩解環(huán)境壓力。然而，其可能產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)影響常常被人們忽略。本文以地下水地源熱泵（GWHP）系統(tǒng)和地埋管地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)為重點(diǎn)，系統(tǒng)梳理了淺層地溫能在不合理利用時(shí)，可能引發(fā)的環(huán)境問題。分析了熱泵系統(tǒng)對(duì)地下動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及微生物環(huán)境等的影響。為抑制熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)影響，迫切需要對(duì)相關(guān)限制性指標(biāo)及法律法規(guī)進(jìn)行完善。本文總結(jié)了國(guó)外與環(huán)境有關(guān)的限制性指標(biāo)（技術(shù)性指標(biāo)和生態(tài)學(xué)指標(biāo)），對(duì)比了國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，提出我國(guó)在淺層地溫能利用上，尚存在指標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)單一、法律約束力較弱、區(qū)域差異性不明顯等不足之處，需加強(qiáng)配套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，控制并減少環(huán)境負(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生。

淺層地溫能；環(huán)境；負(fù)影響；限制性標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

淺層地溫能屬綠色可再生能源，熱泵系統(tǒng)也具有能源利用率高、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)（曲云霞等，2002；朱保華，2008），因此得到政府部門的大力扶植。截至2014年底，我國(guó)地源熱泵總利用面積已達(dá)到3.6億㎡，年利用能量已超美國(guó)，位居第一。

雖然淺層地溫能利用發(fā)展迅速，但若利用不當(dāng)，也會(huì)引發(fā)環(huán)境負(fù)影響。不但造成能源利用率不高，更會(huì)在與地下環(huán)境的長(zhǎng)期接觸中改變地下巖土體、水體的理化性質(zhì)，引發(fā)地下溫度異常、水質(zhì)污染、水位下降、甚至地面沉降等嚴(yán)重后果（李明惠等，2012；張超等，2008；章長(zhǎng)松，2010）。此外，熱泵技術(shù)存在市場(chǎng)先行、法律規(guī)范落后等問題。在激勵(lì)其發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)修正和完善技術(shù)指標(biāo)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備及周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

以往研究多關(guān)注地源熱泵系統(tǒng)的性能測(cè)試或效益分析，而關(guān)于其對(duì)地質(zhì)環(huán)境負(fù)影響的系統(tǒng)性研究成果較少。本文圍繞過去研究中淺層地溫能可能對(duì)環(huán)境帶來的潛在負(fù)影響，歸納總結(jié)了國(guó)際上與環(huán)境有關(guān)的限制性指標(biāo)（技術(shù)性指標(biāo)和生態(tài)學(xué)指標(biāo)）及法律法規(guī)，橫向?qū)Ρ攘藝?guó)內(nèi)各地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，提出了我國(guó)在淺層地溫能利用上存在的指標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)單一、法律約束力較弱、區(qū)域差異性不明顯等不足，以期淺層地溫能在未來發(fā)展中能有效加強(qiáng)配套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，控制并減少環(huán)境負(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生。

1 淺層地溫能利用情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)以地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛，分別占到39.26%和21.36%（單金龍，2009），污水源熱泵、海水源熱泵及耦合式熱泵等比例相對(duì)較小，因此本文將以地下水及地埋管兩種熱泵系統(tǒng)為研究重點(diǎn)。在區(qū)域發(fā)展分布上，遼寧、北京是我國(guó)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)進(jìn)行供暖（冷）較早且發(fā)展較快的地區(qū)（欒英波等，2013），華北平原、東北、西北等地區(qū)也逐步大面積開發(fā)利用淺層地溫能。

由于氣候條件的不同，淺層地溫能利用在南北方也具有一定差異。北方地區(qū)冬、夏兩季供暖（冷），冬季的吸熱量大于夏季排熱量，易產(chǎn)生土壤冷熱不平衡問題；而南方地區(qū)僅夏季制冷，單季負(fù)荷較大，易產(chǎn)生熱堆積現(xiàn)象（張超等，2008）。我國(guó)浙江、江蘇及華北平原區(qū)域，曾因地下水地源熱泵過度抽取而引發(fā)地面沉降；湖北武昌發(fā)生過多起因地下水不合理使用而導(dǎo)致巖溶地面塌陷事件（肖建華等，2006）；河南也有地下水地源熱泵在使用過程中出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象或因含砂量過大最終導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢的問題（吳燁，2012）。北京市發(fā)改委曾對(duì)123個(gè)地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行過節(jié)能減排調(diào)查。運(yùn)行不理想的項(xiàng)目占24%，其中包括4%的不合格項(xiàng)目，產(chǎn)生了不完全回灌和埋管漏水等問題（冉偉彥等，2014）?？梢?，在淺層地溫能的開發(fā)利用中，存在一定比例的項(xiàng)目運(yùn)行失敗或系統(tǒng)能效較低，不合理利用現(xiàn)象仍有發(fā)生，這將會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成潛在威脅。

2 對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響

2.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)屬于開放系統(tǒng)，主要依賴地下水進(jìn)行換熱，因此，對(duì)地下水的動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及微生物情況均會(huì)產(chǎn)生較大的影響（表1）。

（1）動(dòng)力場(chǎng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)抽灌井群的數(shù)量和分布直接影響地下水流的運(yùn)動(dòng)方向及強(qiáng)度，造成地下水動(dòng)力場(chǎng)的局部改變（廉翔，2004）。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理可計(jì)算得到動(dòng)力場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)的水位降深，并繪制等值線圖，劃定其影響范圍。以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的2眼抽水井為例，井間距為100m，每眼抽水量為120m3/h，利用FEFLOW軟件模擬抽水井影響半徑。通過模擬結(jié)果及實(shí)際抽水試驗(yàn)得到，鉆孔中心處水位降深約5m左右，抽水影響范圍約78m（衛(wèi)萬順等，2010）。若抽、灌水量相等且實(shí)現(xiàn)同層回灌，其影響范圍一般不會(huì)超過1000m（張遠(yuǎn)東等，2006），而當(dāng)抽出的地下水由于堵塞或動(dòng)力不足等因素?zé)o法經(jīng)回灌井實(shí)現(xiàn)完全回灌或注入原含水層時(shí)，將造成水源浪費(fèi)、區(qū)域水位下降等問題，大大增加對(duì)地下水動(dòng)力場(chǎng)的影響范圍。隨著原有地下水力學(xué)平衡的破壞，淺層或上部的污染水或咸水通過滲流方式遷移到深部含水層，出現(xiàn)水質(zhì)惡化和污染水界面下移問題（孫曉明等，2006；楊麗芝等，2013）。若長(zhǎng)時(shí)期無法有效補(bǔ)充，將引起地面沉降、地裂縫等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。

表1 地下水地源熱泵可能造成的環(huán)境負(fù)影響Tab.1 Adverse effects of groundwater source heat pump system may lead

（2）溫度場(chǎng)

地下水溫度會(huì)隨熱泵系統(tǒng)運(yùn)行周期發(fā)生規(guī)律性的上升或下降，使整個(gè)含水層的溫度發(fā)生改變（劉立才等，2007）。初始運(yùn)營(yíng)期為冬季或夏季，吸排量平衡情況均對(duì)溫度場(chǎng)有一定影響。數(shù)值模擬法（郝治福等，2006）結(jié)合HST3D、FEFLOW、MODFLOW、GM6.0等地下水?dāng)?shù)值軟件可模擬預(yù)測(cè)不同運(yùn)行期及工況條件下地下水滲流、溶質(zhì)運(yùn)移和熱傳遞等（張遠(yuǎn)東等，2006；LUO et al，2015），結(jié)果顯示，當(dāng)熱泵系統(tǒng)的冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷時(shí)，初始運(yùn)營(yíng)期為冬季對(duì)場(chǎng)地溫度升高的影響較小。反之，初始運(yùn)營(yíng)期應(yīng)為夏季，以減輕地下熱儲(chǔ)量的流失（廖榮等，2010）。巖土體和水體的長(zhǎng)期熱量收支不均，也將會(huì)造成土壤內(nèi)部溫度的升高或降低，溫度的持續(xù)變化不僅影響土壤動(dòng)植物生長(zhǎng)，更將影響整個(gè)生態(tài)環(huán)境（匡耀求等，2003） 。

此外，地下水溫度場(chǎng)受動(dòng)力場(chǎng)影響，地下水的流速和流向有效控制了熱量的傳遞。在地下水動(dòng)力條件、含水層滲透性和熱傳導(dǎo)率等因素的影響下，注入地下的回灌水溫沿地下水流動(dòng)方向溫度逐漸趨于一致，在地下含水層中形成“溫度影響半徑”。當(dāng)抽灌井間距小于該半徑時(shí)，將產(chǎn)生局部溫度異常現(xiàn)象，稱之為“熱突破”或“熱貫通”。單井回灌技術(shù)面臨的熱突破風(fēng)險(xiǎn)更大，數(shù)據(jù)顯示，北京己安裝和運(yùn)行的1800萬㎡供曖制冷建筑中，就有610萬㎡建筑物采用單井抽回技術(shù)（倪龍，2007）。熱突破將導(dǎo)致抽灌井間溫度相互干擾，引起地下水和土壤的熱污染，并降低熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。由河南鄭州市兒童醫(yī)院地下水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行抽水井的溫度變化監(jiān)測(cè)可知：距離回灌井較近（15m）的3#抽水井8年時(shí)間內(nèi)溫度上升了0.5℃，距離回灌井較遠(yuǎn)（30m）的6#抽水井8年時(shí)間內(nèi)溫度上升了0.5℃（趙靜等，2009）?？梢?，限制各井間的最短距離對(duì)限制地下環(huán)境溫度異常具有十分重要的意義。

（3）化學(xué)場(chǎng)

傳統(tǒng)地下水地源熱泵成井管材一般為水泥管、鑄鐵管、普通鋼管，以普通鋼管和鍍鋅橋式過濾管組合的成井管柱最為常見，容易造成腐蝕、結(jié)垢、破裂等現(xiàn)象（高波等，2002）。試驗(yàn)證明，鍍鋅橋式過濾管腐蝕速度最快，在第7d時(shí)開始腐蝕結(jié)垢，150d時(shí)其過水縫隙幾乎全部堵塞（吳燁，2013）。管內(nèi)產(chǎn)生大量FeS及黃色“銹瘤”，會(huì)對(duì)地下水造成污染（劉翰，2013）并影響回灌水回注到原含水層。此外，由于回灌過程中部分空氣會(huì)隨著回灌水進(jìn)入含水層，在氧存在的情況下，還原性硫化物( FeS2，H2S，S）發(fā)生氧化反應(yīng)，使得硫酸鹽濃度在一定范圍內(nèi)的增加。

沈陽市3個(gè)地下水地源熱泵項(xiàng)目取用水與回灌水水質(zhì)的變化情況見表2（賈玉鶴等，2008；王宏等，2009）。郭雙喜（2013）對(duì)安陽市6個(gè)地下水地源熱泵空調(diào)的取水回水進(jìn)行檢測(cè)，其中5個(gè)項(xiàng)目的回水中鋅含量增大，但其影響僅在設(shè)備運(yùn)行初期的短時(shí)間內(nèi)。然而由于樣本較少，地下水地源熱泵項(xiàng)目對(duì)地下水質(zhì)的影響評(píng)價(jià)還不夠全面。李娟（2014）對(duì)北京11個(gè)區(qū)縣的41個(gè)水源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了取樣監(jiān)測(cè)，共采集水樣83件，將其按照地下水質(zhì)量分類指標(biāo)進(jìn)行了分類。其中，92%的項(xiàng)目地下水總硬度偏高，均值達(dá)到了967.41mg/L；pH值在6.5～9.5范圍內(nèi)，多數(shù)屬于堿性或弱堿性水，Ⅰ類水比例約為95.18%；硫酸鹽、氯化物屬于較穩(wěn)定化學(xué)組分，濃度于運(yùn)行初期波動(dòng)加大，后期可趨于穩(wěn)定，主要以Ⅱ類為主。

（4）微生物

地下水地源熱泵系統(tǒng)的回灌水改變了原有地下水環(huán)境的正常溫度和含氧量，將不可避免的對(duì)地下水中微生物的生長(zhǎng)與繁殖產(chǎn)生影響（H·hnlein et al, 2013）。以北京為例，地下水的平均溫度為13℃～16℃，熱泵系統(tǒng)夏季制冷時(shí)回灌水的溫度平均為23℃，冬季供暖時(shí)回灌水的溫度平均為7℃。夏季時(shí)回灌水將促進(jìn)地下水位附近嗜溫型好氧微生物的生長(zhǎng)，如氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等。這又導(dǎo)致了硫酸鹽的增加與pH的降低，使地下水溶解更多的無機(jī)鹽從而硬度增加（董悅安，2008），這也在一定程度上解釋了地下水地源熱泵運(yùn)行過程中硫酸鹽和水硬度的變化規(guī)律。此外，硝化細(xì)菌的最佳適宜溫度為30℃～35℃，當(dāng)溫度小于5℃或大于50℃時(shí)，生長(zhǎng)和繁殖將受到抑制，反硝化細(xì)菌的適宜溫度為35℃～65℃，當(dāng)溫度低于11℃時(shí)受到抑制。冬季供暖的回水造成地下水溫一定程度的下降，相比之下該條件更利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，因此硝化作用更加明顯，間接證實(shí)了廖榮等的試驗(yàn)的真實(shí)性。

表2 沈陽市地下水地源熱泵項(xiàng)目水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of water quality tests in Shenyang groundwater source heat pump systems

鄭凱等（2005）對(duì)北京某開發(fā)區(qū)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行后的地下水溫和細(xì)菌數(shù)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其分布基本符合正態(tài)分布，于13℃～14℃附近出現(xiàn)峰值。此外，非正常工況條件下形成的局部高溫區(qū)域，還會(huì)導(dǎo)致某些對(duì)溫度敏感的微生物種群發(fā)生變化或消失（賈玉鶴等，2008）。因此，地下水的循環(huán)換熱會(huì)顯著影響地下微生物的數(shù)量及分布，改變地下水的物理、化學(xué)性質(zhì)，從而影響生態(tài)環(huán)境。

2.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵作為閉合回路的循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)地埋管材料的要求較高。目前以化學(xué)聚合物為主，在不發(fā)生堵塞和泄露的條件下一般不會(huì)對(duì)土壤和地下水產(chǎn)生直接影響，對(duì)土壤化學(xué)特性的影響也不大。但該系統(tǒng)通過管道內(nèi)的傳熱介質(zhì)輸送和傳遞熱量進(jìn)行季節(jié)性循環(huán)換熱，會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)地埋管附近的土壤環(huán)境，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)。

（1）土壤溫度的恢復(fù)性與土壤熱平衡

太陽輻射、地?zé)醾鲗?dǎo)的熱補(bǔ)償作用和地下巖土體、水體的擴(kuò)散調(diào)節(jié)能力，使土壤溫度具有一定恢復(fù)性。當(dāng)系統(tǒng)吸、排熱量超過熱補(bǔ)償和擴(kuò)散能力時(shí)，地下空間的自然冷熱平衡將被破壞。受長(zhǎng)期熱泵系統(tǒng)運(yùn)行影響，地埋管附近的土壤溫度最先受到擾動(dòng)，隨著與換熱孔距離的增加，溫度變化曲線有明顯的滯后趨勢(shì)（高世軒，2012）。當(dāng)換熱溫差較大、地埋管間埋設(shè)距離相對(duì)較短時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥罍囟鹊母蓴_較大（衛(wèi)萬順等，2010），受土層恢復(fù)性限制，熱影響范圍逐年擴(kuò)大（魏靜，2015）。不同區(qū)域地質(zhì)條件及土壤換熱能力的差異，也使土壤的自身調(diào)節(jié)與恢復(fù)功能不盡相同。高新宇等（2009）通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)得出，土壤溫度的變化與深度相關(guān)，且地層中地下水的存在有利于土壤溫度的恢復(fù)。高世軒（2012）認(rèn)為在吸排比基本平衡的條件下，地埋管換熱對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響較小。反之，區(qū)域人為擾動(dòng)過大，土壤的自我恢復(fù)速度難以跟上時(shí)，將會(huì)破壞土壤的熱平衡。

鄒瑜等（2006）利用TRNSYS模擬了典型城市5年運(yùn)行期內(nèi)熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器出口處夏季最高溫度和冬季最低溫度的變化情況（圖1），北京、上海存在小范圍的溫度持續(xù)上升現(xiàn)象，沈陽基本持平，齊齊哈爾略有下降。張士花（2008）模擬了天津地區(qū)一地埋管地源熱泵機(jī)組運(yùn)行情況，預(yù)測(cè)4年后的土壤溫度將上升12.6℃；李魁山等（2007）在上海地區(qū)模擬了不平衡率為3%時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，結(jié)果顯示5年后土壤平均溫上升2.77℃，若僅供冷季運(yùn)行，5年后土壤溫度上升8.39℃；李舒宏等（2010）發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)地源熱泵單季運(yùn)行9年后，距鉆孔1m處的土溫上升了9.36℃，若雙季運(yùn)行，則升溫5.27℃。一般來說，春秋季為土壤溫度的恢復(fù)期，冬夏季取熱量和取冷量的持續(xù)不平衡會(huì)影響土壤的恢復(fù)能力（楊衛(wèi)波等，2014）。然而，實(shí)際生產(chǎn)中要做到100%的平衡是不可能的，研究認(rèn)為，系統(tǒng)夏季排熱量和冬季吸熱量之差在10%～20%的范圍內(nèi)，即可認(rèn)為達(dá)到了季節(jié)性平衡，能夠通過土壤的蓄熱、傳熱、熱衰減等加以恢復(fù)（王艷霞等，2008）。

圖1 不同城市熱泵運(yùn)行期內(nèi)地埋管換熱器出口處最高、最低溫度的變化圖Fig.1 Variance of maximum and minimum at exit of temperature ground heat exchanger during heat pump operating period in different cities

（2）土壤生態(tài)

①土壤結(jié)構(gòu)：在華北平原、東南部區(qū)域的一般地層，熱泵系統(tǒng)對(duì)地層土壤結(jié)構(gòu)的影響不大，但在（青海、西藏、東北、內(nèi)蒙）等凍土地區(qū)，土壤溫度的改變將顯著影響土壤中固、液相水分的比例，導(dǎo)致土壤孔隙度發(fā)生改變，對(duì)土壤入滲能力產(chǎn)生影響（王艷霞等，2008）。凍土的融化呈現(xiàn)蠕動(dòng)或流動(dòng)狀態(tài)，巖土強(qiáng)度（抗剪強(qiáng)度、壓縮模量）隨之降低，容易造成邊坡失穩(wěn)、路面塌陷、建筑基礎(chǔ)不均勻沉降等問題（魏智等，2011）。土壤融化、凍結(jié)過程影響N2O、CH4等溫室氣體的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，地層中N2O年排放量的70%左右都發(fā)生在土壤融化過程中（AN et al，2007）。

②土壤生物活性：一般來說，土壤溫度在一定范圍內(nèi)的提升，有助于促進(jìn)地表作物的生長(zhǎng)及土壤動(dòng)植物的活性，但超過生物最適溫度時(shí)，將逐漸產(chǎn)生抑制作用。例如，植物根系在2℃～4℃時(shí)開始生長(zhǎng)，在10℃以上生長(zhǎng)較為活躍，超過25℃時(shí)根系吸收能力減弱。此外，土壤溫度對(duì)膠體的化學(xué)影響較大，會(huì)影響其中的氧溶解、水分蒸發(fā)及微生物活性等。

（3）土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：土壤溫度的改變影響土壤有機(jī)碳的分解速率，從而影響有機(jī)碳儲(chǔ)量。以北京、上海等城市為例，土壤溫度的升高將會(huì)加速土壤呼吸速率，使有機(jī)碳分解速率加快，增加土壤CO2的排放量，并在一定程度上抵消因提高熱泵COP值而減少的碳排放量（韓君偉等，2013）。

此外，地埋管破裂、鉆孔灌漿材料損耗等導(dǎo)致制冷劑、冷凍液、防銹劑等進(jìn)入土壤或地下水，也將對(duì)地下生態(tài)環(huán)境造成相應(yīng)破壞（肖建華等，2006）。

3 相關(guān)限制性標(biāo)準(zhǔn)

為抑制熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)影響，應(yīng)建立和完善與環(huán)境有關(guān)的限制性法律法規(guī)。筆者閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該方向的限制性指標(biāo)規(guī)定較少，可大體分為技術(shù)性指標(biāo)和生態(tài)學(xué)指標(biāo)兩種。技術(shù)性指標(biāo)指出于對(duì)設(shè)備的性能和安全考慮，對(duì)溫度、距離等加以限制，而生態(tài)學(xué)指標(biāo)則更多從維持和保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，設(shè)置指標(biāo)并進(jìn)行控制。目前，較為常用的指標(biāo)包括溫度限值（最高溫度、最低溫度、溫差）和最短距離。

3.1 國(guó)際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

就世界范圍來說，部分國(guó)家對(duì)熱泵系統(tǒng)的相關(guān)溫度限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)定（Haehnlein et al，2010），較為全面的國(guó)家有奧地利、丹麥等。筆者分別針對(duì)地下水地?zé)岜孟到y(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)（圖2和圖3），不同國(guó)家間的標(biāo)準(zhǔn)差異較大。德國(guó)、英國(guó)等帶星號(hào)（*）國(guó)家采用較為寬泛的管理方式，其指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為建議值，不具有法律效應(yīng)，其余國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)均具有法律約束力。圖3中a為每周均值荷載運(yùn)行條件下的標(biāo)準(zhǔn)，b為峰值荷載運(yùn)行條件下的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)最短距離的設(shè)定以芬蘭最為詳細(xì)，區(qū)分了與建筑物、下水道、輸水管線等不同事物的最短距離，但更多國(guó)家僅提供了與鄰近建筑或地下埋管換熱器之間的最短距離，僅保證技術(shù)性能而未考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。此外，有些國(guó)家區(qū)分開路系統(tǒng)和閉路系統(tǒng)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分別設(shè)置，如希臘，也有些國(guó)家未進(jìn)行區(qū)分，統(tǒng)一設(shè)置，如瑞典。

3.2 國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

較之發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)淺層地溫能的開發(fā)利用起步較晚，但熱泵技術(shù)發(fā)展迅速。在限制性法律法規(guī)上，我國(guó)也做出了相關(guān)規(guī)定?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）中設(shè)定了夏季運(yùn)行期內(nèi)地埋管換熱器出口處的最高溫度宜低于33℃、冬季運(yùn)行期內(nèi)不添加防凍劑時(shí)進(jìn)口最低溫度宜高于4℃，豎直地埋管換熱器埋深宜大于20m，鉆孔間距宜為3～6m。但本標(biāo)準(zhǔn)出于系統(tǒng)節(jié)能性和安全考慮，屬于技術(shù)性指標(biāo)，對(duì)環(huán)境負(fù)影響的限制作用還需進(jìn)一步研究證實(shí)。

圖2 各國(guó)地下水地源熱泵系統(tǒng)相關(guān)溫度限值Fig.2 Temperature thresholds of groundwater source heat pump system in different countries

圖3 各國(guó)地埋管地源熱泵系統(tǒng)相關(guān)溫度限值Fig.3 Temperature thresholds of ground pipe heat pump system in different countries

筆者系統(tǒng)梳理了北京、上海、天津、山東、安徽等多個(gè)省、市或地區(qū)編制的地方技術(shù)規(guī)程、實(shí)施細(xì)則或管理辦法。北京市水務(wù)局發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)我市水源熱泵管理工作的通知》中對(duì)北京市地下水地源熱泵項(xiàng)目抽、灌井的最小距離也做出了相關(guān)規(guī)定，抽灌井與建筑物距離不少于30m，抽灌井之間水平距離不少于50m，抽水井之間距離不少于100m。長(zhǎng)沙地區(qū)取水井與回灌井的間距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)井的熱干擾半徑確定，一般以50～80 m為宜。上海結(jié)合本地區(qū)域特色，禁用地下水地源熱泵并細(xì)化了豎直地埋管換熱器埋深和鉆孔間距的標(biāo)準(zhǔn)，分別定為60～120m和4～6m，其他地區(qū)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 我國(guó)及各省市規(guī)范中的限制指標(biāo)Tab.3 Restrictive criteria of standards in China and different provinces and cities

4 存在的不足

筆者在系統(tǒng)梳理了國(guó)際上與環(huán)境有關(guān)的限制性指標(biāo)（技術(shù)性指標(biāo)和生態(tài)學(xué)指標(biāo)）及法律法規(guī)，并橫向?qū)Ρ攘藝?guó)內(nèi)各地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，初步提出了我國(guó)淺層地溫能在指標(biāo)設(shè)置上的三點(diǎn)不足。

（1）限制性標(biāo)準(zhǔn)較為單一

現(xiàn)有管理體系中，對(duì)避免造成環(huán)境問題的限制性指標(biāo)設(shè)置較為單一，目前較為常用的限制性指標(biāo)僅有為防止地下局部環(huán)境溫度過高或造成交叉污染而設(shè)置的最短距離以及為保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定并間接限制鉆孔溫度變化范圍而對(duì)管道中的載熱流設(shè)置的溫度限值（最高溫度、最低溫度、溫差）。不難看出，目前的限制性指標(biāo)及監(jiān)測(cè)主要以溫度控制為主，對(duì)地下巖土和水環(huán)境的其他性質(zhì)關(guān)注較少。

（2）法律約束力度相對(duì)較弱

我國(guó)對(duì)于熱泵技術(shù)的研究和實(shí)踐已有一定積累，在將合理的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)嵌入法律法規(guī)中還處于起步階段，這使得標(biāo)準(zhǔn)具有較低法律約束力。歐洲部分國(guó)家提出了較為明確生態(tài)學(xué)限制指標(biāo)，并將其納入了法律條文中。與之相比，我國(guó)國(guó)標(biāo)等規(guī)范中雖已對(duì)相關(guān)限制性指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，但其表述多為“宜”或“不宜”，且不屬于強(qiáng)制性條文，這種較為寬泛的管理方式，使得指導(dǎo)意義高于約束力度。

（3）區(qū)域差異性不明顯

隨著熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，各地方也出臺(tái)或籌備出臺(tái)了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。然而，筆者通過比較部分地區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各個(gè)地區(qū)對(duì)限制性指標(biāo)的差異不大，許多地區(qū)更是直接套用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。這在初期制定階段尚可，但應(yīng)在未來應(yīng)用中注重結(jié)合地方地質(zhì)環(huán)境，因地制宜，選擇適合本地的熱泵系統(tǒng)類型，并針對(duì)性的提出具有區(qū)域特色的環(huán)境限制指標(biāo)。例如，可區(qū)分不同地源熱泵系統(tǒng)，分別設(shè)置技術(shù)性和生態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于不同地區(qū)地質(zhì)、水文條件和技術(shù)需求的不同，未來可嘗試動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，使限定值更接近未被擾動(dòng)時(shí)的含水層溫度及理化條件，靈活的閾值限制將對(duì)不同地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更加有利。

5 結(jié)語

目前，我國(guó)淺層地溫能發(fā)展以市場(chǎng)化推動(dòng)為主，缺乏全面的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其影響尚無法量化?？傮w來說，地埋管和地下水作為兩種最常見的熱泵類型，對(duì)地下環(huán)境的影響也略有不同。前者為間接式，將地埋管換熱器理置入地下，利用大地的蓄能進(jìn)行熱量的排放和吸收，對(duì)水文地質(zhì)影響較小。后者為直接式，制冷劑管路直接與土壤進(jìn)行熱交換，換熱效率較高，但當(dāng)回灌效果不好時(shí)造成水源浪費(fèi)和污染的可能性較大，若開采不當(dāng)更會(huì)引起水位下降、地面沉降等水文地質(zhì)問題。

在合理利用和避免危害方面，各地方政府已具有一定前瞻性。如上海、南京等地區(qū)為保護(hù)地下水環(huán)境，禁止采用地下水地源熱泵；北京開始逐步調(diào)整政策支持領(lǐng)域，不再支持地下水地源熱泵，而增加對(duì)余熱熱泵供暖的支持；黑龍江、山東等地因地制宜地發(fā)展污水源熱泵和地表水源熱泵，并將運(yùn)行模式逐步從單一的土壤熱源向多系統(tǒng)耦合模式轉(zhuǎn)變。然而，筆者認(rèn)為與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍尚以局部、短期的溫度控制為主，缺乏實(shí)時(shí)、全面的龐大背景數(shù)據(jù)支持。因此，加強(qiáng)主體設(shè)施的配套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)也應(yīng)成為下一步淺層地溫能發(fā)展的重要部分。我國(guó)面臨清潔能源的急迫需求，淺層地溫能發(fā)展?jié)摿薮?，若能合理利用可以獲得效益與環(huán)境的雙贏，仍需政府的大力扶持。為此地勘部門也應(yīng)加強(qiáng)介入，以前期勘查評(píng)價(jià)與實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)，在制度與實(shí)施等方面體現(xiàn)主體推動(dòng)作用，在生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展與科學(xué)規(guī)劃上下功夫，推動(dòng)淺層地溫能的發(fā)展走向以資源為基礎(chǔ)、市場(chǎng)為導(dǎo)向，開發(fā)與保護(hù)并重的新方向。

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Research on Environmental Effect of Shallow Geothermal Energy Utilization

ZHAO Chenxi, LIU Mingkun, LIU Jiankai, YANG Yanfeng, CHEN Zhezhou
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

As a kind of green resource, shallow geothermal energy could reduce pollutant emissions and the environment pressure could be eased to a certain degree. However, its negative influences usually tend to be ignored. Taking groundwater source heat pump system and ground pipe heat pump system as the focus, environmental issues caused by unreasonable utilization were systematically reviewed in this paper. Infuences of the heat pump system on underground power feld, temperature feld, chemical and microbiological environment were also analyzed. In order to restrain the negative infuences caused by heat pump system operation, restrictive indicators and relevant regulations should be consummated urgently. By summarizing international environmentrelated restrictive indicators (technical indicators and ecological indicators) creatively and contrasting domestic standards in different regions, defciencies of indicators establishment such as single standard, weak legally binding and unobvious regional difference in shallow geothermal energy utilization were proposed in this paper. In order to control and mitigate the negative infuences of shallow geothermal energy, the supporting monitoring system construction should be strengthened.

Shallow geothermal energy; Environment; Adverse effect; Restrictive criteria

P641.8

A

1007-1903（2016）04-0015-09

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.003

趙晨曦（1990- ），女，碩士，主要從事工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害研究等工作。E-mail：zhaochenxiswd@126.com.