上海地區(qū)地下水源熱泵技術(shù)應(yīng)用實例研究

葛 佳，陳 敏，喬堅強(qiáng)（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

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上海地區(qū)地下水源熱泵技術(shù)應(yīng)用實例研究

葛 佳，陳 敏，喬堅強(qiáng)
（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

摘 要：地下水源熱泵是一種新興的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式，可將不能被直接利用的低品位地?zé)崮芴嵘秊榭衫玫哪茉?，并具有高效?jié)能、環(huán)境效益顯著、適用范圍較廣、市場前景廣闊等優(yōu)點，對于能源供需矛盾突出的上海，開發(fā)利用地下水源熱泵技術(shù)十分必要。本文通過上海地區(qū)地下水源熱泵技術(shù)應(yīng)用實例研究，進(jìn)一步驗證通過優(yōu)化設(shè)計（如采用全封閉100%回灌、合理的井間距等措施），可使地下水源熱泵系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境影響微小、可控，且經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮?；地下水源熱泵；地質(zhì)環(huán)境影響；經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

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地下水源熱泵技術(shù)是地下水源熱泵作為地源熱泵的一個分支，是一種新興的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式，通過熱（冷）源井抽取地下水，經(jīng)過水源熱泵機(jī)組，將地下水中低品位難以直接利用的熱（冷）能提取出來，為建筑物供熱（制冷）的過程［1］。與常規(guī)系統(tǒng)相比，地下水源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能、環(huán)境效益顯著、適用范圍較廣、市場前景廣闊的優(yōu)點，因此，該技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來在歐美等部分國家得到廣泛應(yīng)用［2］。相比之下，地下水源熱泵技術(shù)在上海地區(qū)的應(yīng)用落后于國際與國內(nèi)水平。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，上海的能源供需矛盾更加突出，制約了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尋求節(jié)能型能源利用形式是重要任務(wù)之一。在本市有效控制地面沉降的前提下，尋求節(jié)能型能源利用，開發(fā)利用上海地區(qū)地下水源熱泵技術(shù)對構(gòu)建資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會、促進(jìn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義［3，4］。

本文通過從地下水源熱泵項目實例的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、對地質(zhì)環(huán)境的影響以及其經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益等方面進(jìn)行研究，以期能為上海地區(qū)地下水的合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 項目概況

本項目擬建設(shè)一個溫室基地，為實現(xiàn)該基地溫室中農(nóng)業(yè)產(chǎn)品對于生長溫度指標(biāo)的需求，尤其在夏季及冬季極端氣候時期，既能確保環(huán)境保護(hù)，又能有效調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的需求，經(jīng)綜合論證，利用天然狀態(tài)下含水層儲能特性，地下水為水源熱泵系統(tǒng)源水，運(yùn)用全封閉采灌流程，實現(xiàn)熱（冷）源在溫室內(nèi)的采暖和降溫調(diào)節(jié)。

本項目場地總占地面積約196500m2，計劃建設(shè)自控玻璃溫室、全開型溫室和其他相關(guān)配置。自控玻璃溫室為本項目試驗場所，位于場地的最東南端，由溫室A、溫室B和溫室C三部分組成，共占地25650m2，為整個場地占用面積的13%，其中溫室C是本次水源熱泵試驗溫室，占地面積約9600m2，平面布置如圖1所示。

圖1　儲能井平面位置設(shè)計圖Fig.1 Storage wells plane location design

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 目的含水層與運(yùn)行溫度

根據(jù)本項目場地的水文地質(zhì)資料分析可知，場區(qū)各承壓含水層地下水基本滿足本次試驗對于水源的基本要求，但從地下水出水量、水溫、水質(zhì)及經(jīng)濟(jì)成本綜合權(quán)衡，選擇第二含水層作為儲能含水層較為理想，該含水層地下水初始溫度為19～20℃。地下水溫度20℃左右時，水源熱泵機(jī)組的制冷和制熱將處于最佳工況點［5］。本項目設(shè)計的原生地下水溫度19.5℃左右；項目運(yùn)行后，夏灌井最高回灌溫度為23℃，冬灌井最低溫度無具體指標(biāo)要求，一般回灌水溫6℃左右。2.2 地下水總需水量

根據(jù)上海地區(qū)工程經(jīng)驗，本項目溫室設(shè)計熱負(fù)荷為120W/m2，按溫室建筑面積20000m2計算，則熱負(fù)荷2400kW。水源熱泵提取溫差為10℃，熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)（COP）按4.0考慮。工程項目冬季和夏季所需的地下水總量由水源熱泵機(jī)組的性能，地下水水位及冷熱負(fù)荷等因素決定［6］。冬季熱泵機(jī)組按制熱工況運(yùn)行，根據(jù)相關(guān)公式計算得需水量為155m3/h，故按每小時160m3水源量進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)年度不同時間用水需求，全年地下水總需水量約為511200m3（表1）。

表1　第二含水層地下水年度取水能力及用水量分配計劃Table 1 The annual allocation plan of water consumption and groundwater abstraction capacity of the second aquifer

2.3 單井設(shè)計出水量及井?dāng)?shù)

一般來說，要想達(dá)到合理利用含水層儲能的要求，需要配置成對的儲能井，即通過熱井和冷井的組合以循環(huán)灌采［7］。為了利用晚間低谷電以提高COP和發(fā)揮能源效率，地源熱泵系統(tǒng)按每小時160m3水源量進(jìn)行設(shè)計，2對（冷、熱對井）共4口第二承壓含水層采灌井，單井設(shè)計出水量為80m3/h，對井之間實現(xiàn)全封閉100%回灌。

2.4 井間距設(shè)計

熱貫通是熱泵運(yùn)行期間抽水溫度發(fā)生改變的現(xiàn)象。輕微的熱貫通是可以接受的，但強(qiáng)烈的熱貫通會降低系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷的能力，過大的溫度變化會影響熱泵機(jī)組的效率，嚴(yán)重時還能使地下水凍結(jié)，造成事故。井間距越大，產(chǎn)生熱貫通的時間越長，程度也越輕微。一般對滲透性較好的松散砂石層，井間距應(yīng)在100m左右；對滲透性較差的含水層，井間距一般在50m左右［8］。本項目結(jié)合實際情況，儲能井平面位置設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境影響

根據(jù)回灌類型、設(shè)計理念等的不同，地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對地質(zhì)環(huán)境影響可以分為不同類別，影響程度也存在很大差異?；毓嗍嚼錈崞胶鈨δ苄拖到y(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境影響較小，追求換熱率的直排式對地質(zhì)環(huán)境影響較大，下面主要從地下溫度場和地面沉降兩個方面研究該地下水源熱泵對地質(zhì)環(huán)境的影響。

3.1 對地下溫度場影響

從目前掌握的資料來看，大部分地源熱泵系統(tǒng)沒有達(dá)到熱平衡［9］，意味著充入到含水層的冷量或熱量會引起地下水長期變冷或變熱。加拿大溫尼伯一份研究表明，含水層只供冷是不可持續(xù)的，因為會引起地下水長期溫升［10］。上海地區(qū)熱泵系統(tǒng)冷負(fù)荷一般大于熱負(fù)荷，即冬季供暖時間及熱負(fù)荷均小于夏季，場區(qū)地下水溫度將偏離溫度背景值逐年升溫的變化，除了影響地?zé)崮芟到y(tǒng)的能效外，會對周邊用戶和地下水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響［11，12］。

根據(jù)本項目1月至5月的換熱器進(jìn)出口溫度統(tǒng)計，該系統(tǒng)運(yùn)行時，換熱器的進(jìn)出口溫度呈現(xiàn)波動變化，除經(jīng)過管路產(chǎn)生的熱損失外，換熱器的進(jìn)出口溫度差約為10℃，即能產(chǎn)生10℃的交換熱能，符合設(shè)計要求。由此可見，該地下水源熱泵系統(tǒng)對地下溫度場的影響不大。

3.2 對地面沉降影響

地面沉降是一種廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，不僅會使地下環(huán)境發(fā)生變化，也會對地面設(shè)施產(chǎn)生巨大的破壞作用［13］。對于地下水源熱泵系統(tǒng)，若嚴(yán)格按照政府的要求實行地下水100%回灌至原含水層的話，局部的地下水位的變化也遠(yuǎn)小于沒有回灌的情形，所以一般不會因抽灌地下水而產(chǎn)生地面沉降，但當(dāng)回灌率不足時，可能造成長期而難以察覺的地面沉降趨勢［14］。

根據(jù)本項目1月至5月熱水井抽水統(tǒng)計，熱水井共抽水24850.8m3，100%實現(xiàn)回灌，流量基本在80m3/h，故總體來講地下水的供補(bǔ)是平衡的。采用MODFLOW模型模擬系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后年累計沉降量分布（圖2），由此可見本項目所產(chǎn)生的地面附加沉降量是微米級的，范圍不大，可以忽略不計，對區(qū)域地面沉降基本沒有影響。

圖2　年累計沉降量分布圖Fig.2 The distribution of cumulative land subsidence

4 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益

儲能型地下水源熱泵系統(tǒng)是利用儲藏在地下水體中的太陽能作為冷熱源，利用熱泵技術(shù)實現(xiàn)熱量由低位能向高位能的轉(zhuǎn)移，向建筑物供熱或供冷的系統(tǒng)，是清潔的可再生能源利用技術(shù)。通過地下水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)平均能效比計算比較，從而分析其節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益［15］。

4.1 節(jié)能效益分析

根據(jù)本項目自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，1～5月熱泵機(jī)組共耗電134862kWh，產(chǎn)熱量573218kWh，制冷量442438kWh，加熱平均COP為4.25，與空氣源熱泵的年能效值3.97相比，全年節(jié)能效果顯著。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

上海工業(yè)用電價在峰谷平分別為1.197、0.356、0.629 元/kWh，由于系統(tǒng)主要在谷段（22:00～06:00）使用，加權(quán)統(tǒng)計后平均電價為0.470元/kWh。根據(jù)本項目1～5月用電等費(fèi)用統(tǒng)計，熱泵系統(tǒng)共用電146055kWh，電費(fèi)68686元（表2）。系統(tǒng)全自動運(yùn)行，無人工成本。

表2　地下水源熱泵系運(yùn)行數(shù)據(jù)（冬季運(yùn)行工況）Table 2 GWHP system operating data （winter operating conditions）

與本項目蓄能型地源熱泵系統(tǒng)相比，冬季加熱能源成本：燃煤（700元/t，效率60%）成本為本系統(tǒng)的1.68倍，燃?xì)猓?.8元/m3，效率90%）成本為本系統(tǒng)的2.57倍，燃油（8.8元/kg，效率90%）成本為本系統(tǒng)的6.85倍。由此可見，與常規(guī)能源相比，本項目蓄能型地源熱泵系統(tǒng)節(jié)約能源成本產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。

4.3 環(huán)境效益分析

（1）綠色能源

地下水源熱泵既可以作為夏季供冷的冷源，也可以作為冬季供熱的熱源。冬季省去了鍋爐房，避免了燃燒過程產(chǎn)生的排煙造成的污染，同時大幅降低了溫室氣體的排放。夏季將建筑物余熱轉(zhuǎn)移到地下而非空氣中，避免了空調(diào)系統(tǒng)對于城市熱島效應(yīng)的加劇。

（2）減少能耗

地下水源熱泵的驅(qū)動能為電能，雖然電能本身是一種清潔能源，但在發(fā)電的過程中需要消耗一次能源并排放 CO2等溫室氣體及其它污染物。地下水源熱泵系統(tǒng)可減少能源消耗，與空氣源熱泵相比，可以減少 30%以上的電力消耗；與直接采用電供暖的電力消耗相比可減少 70%以上，節(jié)能減排效果明顯。

（3）對地下水水質(zhì)的影響

本項目確定利用同層次地下水作為回灌水源，并將在封閉狀態(tài)下實施“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的采灌平衡方案。雖然運(yùn)行過程中采灌井附近地下水水溫有一定變化，但較小的溫差不致以原生水中化學(xué)組分發(fā)生很大變化，且影響范圍有限，因此預(yù)計項目運(yùn)行后對原生地下水質(zhì)量影響范圍小和影響程度低。

5 結(jié)論

通過對上海地下水源熱泵項目實例的分析可知，在地下水全面回灌的采灌平衡條件下，地下水源熱泵項目所引起的地下水位變化對地面沉降的影響是輕微的、可控的；全封閉同層回灌雖然會使附近地下水水溫有一定變化，但較小的溫差不致以原生水中化學(xué)組分發(fā)生很大變化，且影響范圍有限，因此對水質(zhì)的影響是輕微的；儲能型使地下水溫度更有利于地下水源熱泵系統(tǒng)發(fā)揮能效，對地溫場環(huán)境影響微小。

綜上所述，地下水源熱泵技術(shù)是一項節(jié)能潛力、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益大的新技術(shù)，但面對上海地面沉降控制形勢，為保證特大型城市安全，應(yīng)當(dāng)科學(xué)利用該技術(shù)，如采用全封閉儲能型全回灌系統(tǒng)，整個過程只提取地下水中的溫度能，而不消耗地下水資源，從而使系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響微小且可控。

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The application of groundwater source heat pump technology in Shanghai

GE Jia， CHEN Min， QIAO Jian-Qiang
（Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration， Shanghai 200072， China）

Abstract:A groundwater heat pump is a new method of developing and utilizing shallow geothermal energy.It has the advantages of high effciency， energy savings， and environmental benefts.There is a wide range of applicability， and its market is broad.As there is an imbalance between the supply and demand of energy， it is very necessary to develop and utilize the ground water heat pump technology in Shanghai.In this study， research on the application of this technology in the Shanghai area further verifes the optimal design （such as the use of a 100 % closed recharge， reasonable well spacing，and other measures）， ensures that the ground water heat pump system has a small and controllable effect on the geological environment， and shows that the technology has signifcant economic and environmental benefts.

Key words:shallow geothermal energy； ground water heat pump （GWHP）； effect on geological environment； economic and environmental benefts analysis

中圖分類號：P641.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1329（2016）02-0075-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.018

收稿日期:2016-01-06

修訂日期:2016-03-29

作者簡介:葛佳（1988-），女，碩士，主要從事環(huán)境地質(zhì)及地下水資源研究.

基金項目:上海市規(guī)劃和國土資源管理局科研項目