地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

戈建民，王亞彬

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061；2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

戈建民1，王亞彬2

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061；2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

在分析天津地區(qū)Ⅱ-Ⅴ深層含水組含水層富水性、水溫、水質(zhì)和水位埋深條件基礎(chǔ)上，研究地下水源熱泵的適宜性，為地下水分區(qū)管理提供科學(xué)依據(jù)。

地下水源熱泵；單井回灌量；熱交換層位；深層巖水

地下水源熱泵系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行的重要因素。由于天津平原區(qū)第I含水組地下水一般富水性差、水位埋深淺、大部分地區(qū)礦化度高，不適宜于用來作地下水源熱泵系統(tǒng)的熱交換層位，因此本次地下水源熱泵系統(tǒng)的適宜性只考慮第Ⅱ～Ⅴ深層含水組。

1 影響因素分析

1.1 含水層富水性

天津市深層地下水含水組單層厚度小于10m或含水組中砂層總厚度小于20m，出水量低于60m3/h的地區(qū)將不予建設(shè)新的地下水源熱泵系統(tǒng)，而這些地區(qū)，均分布在導(dǎo)水系數(shù)小于100m2/d的地區(qū)，因此，將含水組導(dǎo)水系數(shù)小于100m2/d的地區(qū)劃為欠適宜區(qū)。富水性好的地區(qū)，單井回灌量較大。

1.2 水溫

地下水源熱泵系統(tǒng)對地下水溫有較為嚴格的要求，按GB/T 19409《水源熱泵機組》的要求，水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍為：①水環(huán)熱泵系統(tǒng)，20～40℃（制冷），15～30℃（制熱）；②地下水熱泵系統(tǒng)，10～25℃（制冷），10～25℃（制熱）

1.2.1 夏季制冷時

機組處于制冷模式下運行，進入冷凝器的地下冷卻水水溫不得低于15℃時，可采用把地下抽取水于冷凝器出口冷卻水相混合的方法來提高冷卻水進口水溫。進水溫度20℃時，能保證機組長壽命運行，制冷效果最好。

1.2.2 冬季制熱時

進入機組蒸發(fā)器的熱源水溫度可使用范圍10℃～25℃，不直接使用低于10℃的熱源水，應(yīng)采用輔助加熱手段后方可使用。

由于天津市第Ⅱ～Ⅴ含水組的地下水溫在多13～40℃，對于地下水溫大于30℃的地區(qū)，劃為欠適宜區(qū)。

1.3 地下水水質(zhì)

1.3.1 水源熱泵

地下水水質(zhì)對水源熱泵適宜性的影響主要從兩個方面來考慮：一是地下水質(zhì)對單井回灌能力的影響，在計算單井回灌能力時已經(jīng)考慮；二是地下水質(zhì)對設(shè)備的腐蝕損壞，地下水的水質(zhì)，應(yīng)適宜于系統(tǒng)機組、管道和閥門的材質(zhì)，不產(chǎn)生嚴重的腐蝕損壞。天津市第Ⅱ～Ⅳ含水組水礦化度基本上小于2g/L，滿足熱泵要求。

1.3.2 設(shè)備腐蝕

地下水質(zhì)對設(shè)備的腐蝕損壞，與設(shè)備安裝及材質(zhì)有很大的關(guān)系。水源的含砂量應(yīng)小于1/200000；渾濁度小于20NTU；如果水源熱泵系統(tǒng)中裝有板式換熱器，水源水中固體顆粒物的粒徑應(yīng)小于0．5mm；pH值6．5～8．5；CaO含量小于200mg/L；礦化度小于3g/L。地下水地源熱泵系統(tǒng)對水質(zhì)要求如表1。

表1 地下水地源熱泵系統(tǒng)對水質(zhì)要求

本次適宜性研究中，除將礦化度大于2g/L的地下水分布區(qū)做為不適宜地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)區(qū)外，其他不再考慮。

1.4 地下水位埋深

地下水位埋深對水源熱泵建設(shè)適宜性的影響，體現(xiàn)在3個方面：①對地下水回灌能力的影響；②對水源熱泵系統(tǒng)提水能力的影響，地下水位埋深越大，系統(tǒng)提水能力越小，提水成本越高；③當?shù)叵滤怀掷m(xù)下降，地下水位埋深超過100m，地下水資源嚴重超采。

綜合后兩方面來考慮，當?shù)叵滤宦裆畛^90m時，為不適宜區(qū)；而當?shù)叵滤宦裆畈怀^90m時，可不考慮地下水位埋深因素。

2 適宜性分區(qū)

根據(jù)本次定義的適宜性含義及影響因素分布，確定以下分區(qū)標準。如表2。

表2 地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標準

2.1 適宜性分區(qū)

根據(jù)適宜性分區(qū)標準，確定天津市深層含水組地下水源熱泵系統(tǒng)分區(qū)。

2.1.1 第Ⅱ含水組

適宜區(qū)主要分布于薊縣西部、寶坻區(qū)南部沿潮白河兩側(cè)、寧河西部、東麗區(qū)東北部及靜海西部沿子牙河一帶，這些地區(qū)單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，地下水位埋深及水溫適中，有利于回灌。

較適宜區(qū)主要分布于薊縣南部至海河以北地區(qū)，包括了寶坻、寧河、武清、北辰區(qū)的大部分地區(qū)，漢沽全區(qū)，中心城區(qū)、東麗區(qū)、塘沽區(qū)的北部地區(qū)等，另外在靜?？h西部沿南運河一帶也有分布；這些地區(qū)單井涌水量多在60～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中。

欠適宜區(qū)主要分布于海河以南地區(qū)，包括了西青區(qū)、津南區(qū)、大港區(qū)，中心城區(qū)、東麗區(qū)、塘沽區(qū)的南部地區(qū)，靜?？h西部地區(qū)，別外在武清區(qū)的北部及薊縣的中部地區(qū)也有較大面積的分布；這些地區(qū)單井涌水量多小于60m3/h，回灌能力多小于25m3/h，部分地段地下水位埋深較淺，不利于地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1.2 第Ⅲ含水組

適宜區(qū)主要分布于寶坻—薊運河斷裂南側(cè)（武清區(qū)北部、寶坻區(qū)西部等）、漢沽及塘沽北部沿海地區(qū)、靜?？h中西部地區(qū)、寧河西側(cè)至東麗區(qū)北部等地區(qū)，這些地區(qū)單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，地下水位埋深及水溫適中，有利于回灌。

較適宜區(qū)分布范圍較廣，包括了寧河、武清、北辰區(qū)、西青區(qū)、東麗區(qū)、塘沽區(qū)的大部分地區(qū)及靜海縣東部地區(qū)；這些地區(qū)單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中，可進行地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

欠適宜區(qū)主要分布于大港區(qū)、津南區(qū)，北辰區(qū)中部至中心城區(qū)沿海河一帶，這些地區(qū)單井涌水量多小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，不利于地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1.3 第Ⅳ含水組

適宜區(qū)主要分布武清區(qū)的東北部至寶坻西部、靜?？h大部分地區(qū)、漢沽等地區(qū)，這些地區(qū)單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，有利于回灌，適宜于進行地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

較適宜區(qū)主要包括武清區(qū)西北部至東南部、北辰區(qū)、寧河中南部地區(qū)、塘沽區(qū)北部及沿海地區(qū)、津南區(qū)的西部、大港區(qū)的東部及靜?？h北部、東部地區(qū)等；這些地區(qū)單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中，可進行地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

欠適宜區(qū)主要分布于寶坻區(qū)的東部南部、武清區(qū)的西南部至西青區(qū)，津南區(qū)的大部分地區(qū)及大港區(qū)西部部分地區(qū)；這些地區(qū)大部分地段單井涌水量多小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，而另一些地區(qū)段存在地下水位埋深過大及地下水溫偏高等不利于地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1.4 第Ⅴ含水組

適宜區(qū)分布面積較小，主要分布于靜?？h大中東部、寧河的東北部及西南部、塘沽區(qū)的北端等地區(qū)，這些地區(qū)單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，有利于回灌，適宜于進行地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

較適宜區(qū)主要包括武清區(qū)中西部、寧河縣的中部至漢沽區(qū)、塘沽區(qū)中部地區(qū)、北辰區(qū)中西北、中心城區(qū)北部、靜海縣東部至大港區(qū)西部等；這些地區(qū)單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，可進行地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

欠適宜區(qū)分布面積較大，主要分布于武清區(qū)東部、寶坻區(qū)大部分地區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)、東麗區(qū)、大港區(qū)等；這些地區(qū)部分地段單井涌水量小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，而另一些地區(qū)較大區(qū)段均存在地下水位埋深過大及地下水溫偏高等不利于地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

3 結(jié)語

（1）第Ⅲ、Ⅳ含水組更適宜于地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)，適宜區(qū)及較適宜區(qū)分布面積較大。

（2）寧河縣、漢沽區(qū)、塘沽區(qū)北部、靜?？h西部地區(qū)、中心城區(qū)北部至北辰區(qū)多適宜于深層含水組地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)，而西青區(qū)、津南區(qū)、大港區(qū)、薊縣平原區(qū)建設(shè)深層含水組地下水源熱泵系統(tǒng)的適宜性較差。

［1］天津市水文水資源管理中心.井水源熱泵技術(shù)應(yīng)用后評價報告［R］.2008.

［2］天津市地質(zhì)調(diào)查研究院.天津市地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價成果報告［R］.2011.

［3］天津市塘沽區(qū)水資源管理中心.天津市塘沽區(qū)水源熱泵系統(tǒng)因灌儲能工程研究報告［R］.2011.

［4］薛禹群.地下水動力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

［5］上海市水文地質(zhì)大隊地下水人工回灌編寫組.地下水人工回灌［M］.北京：地質(zhì)出版社，1977.

［6］天津市水務(wù)局.天津市地源熱泵系統(tǒng)管理規(guī)定［Z］.2011.

（責任編輯：姜彤宇）

Suitability analysis of groundwater source heat pump system

GE Jian-min1，WANG Ya-bin2
（1.Tianjin Hydrology and Water Resource Investigation Management Bureau，Tianjin 300061，China；2.Tianjin Institute of Geological Survey，Tianjin 300191，China）

The research of groundwater source heat pump suitability based on the analysis of water yield property，water temperature，water quality and water depth condition of Tianjin region the second to the fifth deep water aquifer.This paper provides scientific basis for the partition management of groundwater.

groundwater source heat pumps；quantity of standing column well；horizon of heat exchange；deep aquifer

S277.9

：A

：1672-9900（2017）02-0067-03

2017-03-20

戈建民（1969-），男（漢族），河北康保人，高級工程師，主要從事水文學(xué)及水資源研究工作，（Tel）022-28452268。