安徽省地源熱泵換熱系統(tǒng)適用條件分析

韓非，汪國(guó)武 （安徽兩淮建設(shè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

地源熱泵是以巖土體、地下水、地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的中央空調(diào)系統(tǒng)或熱水系統(tǒng)。根據(jù)淺層地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)[1]。而淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏于地表以下200m埋深的淺巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能，所以地質(zhì)條件是選擇設(shè)計(jì)換熱系統(tǒng)的首要因素和基本依據(jù)。

安徽省位于我國(guó)東南部，居華東腹地，屬泛長(zhǎng)三角地區(qū)。全省國(guó)土面積139600km2，有15個(gè)中心城市，地源熱泵系統(tǒng)作為供熱空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)在安徽建筑節(jié)能中廣泛應(yīng)用，換熱方式主要是地埋管換熱系統(tǒng)。全省利用地源熱泵系統(tǒng)供暖/制冷面積已超過(guò)2000萬(wàn)m2，省會(huì)合肥約800萬(wàn)m2（濱湖新區(qū)在建分布式能源站約200萬(wàn)m2），到“十三五”末，安徽地源熱泵系統(tǒng)供暖/制冷面積將達(dá)到4800萬(wàn)m2。本文主要根據(jù)安徽省地質(zhì)條件對(duì)地源熱泵系統(tǒng)換熱方式使用條件進(jìn)行分析。

1 安徽氣候和地形及地貌

安徽地處中緯度地帶，為暖溫帶向亞熱帶過(guò)渡的季風(fēng)氣候類型；淮河以北地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，淮河以南屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，屬于夏熱冬冷地區(qū)，也是地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用的適宜地區(qū)。安徽地形復(fù)雜，地處黃淮海平原南緣、秦嶺東延余脈、長(zhǎng)江中下游平原和江南丘陵北部的交變地帶，跨長(zhǎng)江、淮河及新安江三大流域，地勢(shì)南高北低，西高東低，北部平原坦蕩，中部丘陵起伏，西部及南部為山地。全省分淮北平原、江淮波狀平原、皖西山地、沿江丘陵及皖南山地五大地貌單元[2]。

2 地表水換熱系統(tǒng)適用地區(qū)

地表水熱泵系統(tǒng)是指通過(guò)直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫(kù)水以及塌陷區(qū)水作為熱泵冷熱源[1]。

安徽省境內(nèi)地表水比較豐富，共有河流2000多條，資源總量約672.20億m3，除東南部新安江水系屬錢塘江流域外，總體分屬長(zhǎng)江、淮河兩大流域。長(zhǎng)江自西南入境，匯華陽(yáng)河、皖河、滁河、青弋江及水陽(yáng)江等支流，境內(nèi)長(zhǎng)416km，長(zhǎng)江流域6.68萬(wàn)km2，占全省總面積的47.6%?；春幼晕飨驏|橫貫安徽北部，流經(jīng)長(zhǎng)約430km，淮河流域6.75萬(wàn)km2，占全省總面積48.0%。新安江源于安徽東南部山區(qū)，在安徽境內(nèi)為其上游段，呈樹枝狀水系，長(zhǎng)194.3km，流域6197.8km2。主要支流有率水、休寧河及豐樂河等。安徽湖泊星羅棋布，湖泊580多個(gè)，總面積約3800km2，多集中分布于沿淮和沿江地區(qū)，沿淮南岸及沿江北岸湖泊分布較多（圖1）；還有人工建造的水庫(kù)、采礦塌陷積水區(qū)等地表水體[2]。巢湖位于合肥市工作區(qū)南部，面積776km2，是省內(nèi)最大的湖泊，也是全國(guó)五大淡水湖泊之一。

地表水具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。由于地表水體直接暴露于地表，地表水溫度受光照、氣溫等明顯影響。在地表水流動(dòng)性較小的情況下，冬季氣溫較低，其淺部溫度低而深部較高；夏季氣溫較高，淺部地表水溫度高而深處較低。地表水在流動(dòng)狀態(tài)下，其溫度相應(yīng)呈混合型[3]。而設(shè)計(jì)地表水換熱系統(tǒng)的主要影響因素是地表水的深度、流量和溫度，還要獲得相關(guān)部門的允許。地表水換熱系統(tǒng)從水質(zhì)和能效的角度考慮，主要采用開式系統(tǒng)，因此，取水高差和水位變化將影響取水水泵的選擇，動(dòng)態(tài)變化的水溫則是決定熱泵機(jī)組性能的關(guān)鍵因素[4]。

圖1 安徽省地表水體分布

安徽適用地表水換熱系統(tǒng)的地區(qū)很多，有長(zhǎng)江流域、淮河流域和新安江流域，有巢湖、太平湖、瓦埠湖等等眾多湖泊，有淮北、淮南的眾多塌陷區(qū)，但真正實(shí)施的項(xiàng)目不多，只有合肥大劇院、黃山市香茗酒店和玉屏假日酒店等項(xiàng)目。主要是因?yàn)轫?xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮水體的換熱能力和環(huán)境因素，例如，夏天換熱后將水直接排放到水體中，造成生態(tài)破壞；未考慮水位隨季節(jié)變化等因素，造成冬天換熱能力不足等，形成了對(duì)地表水換熱系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，造成建設(shè)單位和設(shè)計(jì)部門接受程度不夠。

3 地下水換熱系統(tǒng)適用地區(qū)

地下水換熱系統(tǒng)即深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)建造抽水井群將地下水抽出，通過(guò)二次換熱或直接送至地源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。安徽省地下水類型可分松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖漿巖類裂隙水及變質(zhì)巖類裂隙水[5]。

松散巖類孔隙水主要蘊(yùn)藏于淮北、江淮、沿江平原及山間谷地，其巖性在淮北平原為新近系及第四系粘性土與砂互層，主要指阜陽(yáng)、亳州及宿州市工作區(qū)，淮北、蚌埠及淮南市次之。淺層地下水多呈條帶狀分布，為潛水及微承壓水，深層地下水為承壓水；單井涌水量一般為10～50m3/h?；春右阅嫌行陆?下更新統(tǒng)砂礫夾粘性土，中更新統(tǒng)下部泥礫和上部網(wǎng)紋紅土，中更新統(tǒng)下蜀粘土和全新統(tǒng)粘性土及砂、礫石層?；幢逼皆貐^(qū)地下水總體較豐富?；幢逼皆牡刭|(zhì)區(qū)多為溶解性總固體小于1g/L的重碳酸型淡水，溶解性總固體總體北高南低，地下水含砂量多超標(biāo)，超標(biāo)值10～50mg/L，水質(zhì)結(jié)垢性為結(jié)垢多，以淮南市工作區(qū)較為嚴(yán)重。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要蘊(yùn)藏于沿江、沿淮、淮北北部丘陵及皖南山地北部的灰?guī)r及白云巖中，強(qiáng)巖溶帶埋深100～250m；含水不均，一般為承壓水；單井涌水量一般為10～60m3/h。

碎屑巖類孔隙裂隙水分布于沿江、大別山北麓丘陵、皖南山地北部及江淮波狀平原，變質(zhì)巖類裂隙水主要蘊(yùn)藏于皖南及沿江及沿淮丘陵，地下水不發(fā)育，單井涌水量一般小于5m3/h。

皖南地區(qū)（主要是黃山市）松散巖類孔隙水含水巖組主要為中更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。中更新統(tǒng)分布于二三級(jí)階地，下部為河床相不穩(wěn)定砂礫層，中上部為粘性土。屯溪東北新安江畔局部地段單井涌水量30～50m3/h。全新統(tǒng)分布于屯溪盆地及青弋江、水陽(yáng)江上游河谷一級(jí)階地，下部為河床相砂礫，上部為粘性土。單井涌水量5～30m3/h。本區(qū)地下水結(jié)垢性較強(qiáng)，工作區(qū)主要以結(jié)垢為主。

淮北平原深層地下水和皖南地區(qū)淺層地下水豐富，通過(guò)在淮北平原進(jìn)行的有壓和無(wú)壓回灌試驗(yàn)，灌采比均小于50%[5]，抽灌井比例需要一抽兩灌或一抽三灌，根據(jù)目前完成的項(xiàng)目，因?yàn)槲锢?、化學(xué)和生物等因素，回灌井回灌能力逐年下降[6-7]，濾水管堵塞等現(xiàn)象[7-8]，有的項(xiàng)目甚至發(fā)生因回灌不力，將水直接排放到城市管網(wǎng)等，造成水資源浪費(fèi)[9]。所以，考慮到地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期使用，淮北平原不宜使用地下水換熱系統(tǒng)。皖南山區(qū)是我省地下水換熱系統(tǒng)最適宜的地方，也是新安江的源地，其淺層地下水直接排放到新安江，取熱井中水可直接排放至地表，目前運(yùn)行良好的黃山市中醫(yī)院等項(xiàng)目即是例證。

圖2 安徽省地下水域分布

4 地埋管換熱系統(tǒng)適用地區(qū)

地埋管換熱系統(tǒng)是以200m以淺的巖土層作為低溫?zé)嵩?，通過(guò)輸入少量的電能，實(shí)現(xiàn)熱量從巖土層向建筑供熱區(qū)域轉(zhuǎn)移，該換熱系統(tǒng)只提取熱量不取水，不對(duì)地下水造成破壞，也不存在對(duì)大氣排熱、排塵等污染[10]。

安徽地層跨華北、華南兩個(gè)地層大區(qū)，分屬三個(gè)地層區(qū)和五個(gè)地層分區(qū)。淮北地區(qū)各中心城市200m以淺主要為松散巖類（上第三系和第四系）地層，主要分布在阜陽(yáng)、亳州及宿州市，上覆第四系厚大于100m，東北向漸薄，巖性以砂礫巖、砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖為主，淮河以南呈零星分布，以正陽(yáng)關(guān)組及安慶組為主，厚度一般小于50m。江淮之間地區(qū)各中心城市200m以淺多由半固結(jié)巖類地層（古今系及白堊系）組成，半固結(jié)巖類包括古近系及白堊系，主要分布在合肥、六安、滁州、宣城，以及黃山、淮南及馬鞍山市等局部地區(qū)，上覆松散巖類地層厚度多小于30m。固結(jié)巖類巖性是除松散巖類、半固結(jié)巖類地層外的其它各類巖石，主要分布于沿江、江南丘陵及平原地區(qū)的馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州、安慶、黃山市，以及淮北、蚌埠、淮南等城市的部分工作區(qū)。其上覆松散巖類地層厚度一般小于30m，30～150m深多為巖石，包括白堊紀(jì)以前的各地質(zhì)時(shí)代的沉積巖，以及變質(zhì)巖及巖漿巖。多為灰?guī)r、砂巖及泥巖，變質(zhì)巖主要分布于黃山市等工作區(qū)，巖漿巖主要分布于蚌埠市等工作區(qū)，以固結(jié)、堅(jiān)硬及塊狀為主要特征[5]。

圖3 安徽省地層巖土分布

總之，安徽省除了自然水體外，都可以施工地埋管換熱系統(tǒng)，但因?yàn)楦鞯貐^(qū)巖性和水文地質(zhì)條件差異很大，地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力和施工造價(jià)區(qū)別比較大?；幢逼皆?，主要包括亳州、阜陽(yáng)、宿州、淮北、蚌埠和淮南市的淮河以北地區(qū)，地下為80～200m的松散巖類，地下水（孔隙水）豐富，施工難度小，造價(jià)低，換熱效果好，最適宜設(shè)計(jì)施工地埋管換熱系統(tǒng)；江淮波狀平原，主要包括合肥、六安以及蚌埠、淮南市的淮河以南地區(qū)，地下為半固結(jié)巖類，地下水貧乏，施工難度較大，造價(jià)低，換熱效果稍差[6]。皖西山地，包括岳西、霍山一帶，地下為巖石，施工難度大，造價(jià)較高，但換熱效果好；沿江丘陵平原，主要有滁州、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、池州及宣城，上部有0～30m的松散巖類，下部為固結(jié)巖，富含孔隙水及碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，施工難度大，造價(jià)較高，但換熱效果好[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

安徽氣候特點(diǎn)決定了冬季有供暖需要，夏季有制冷需要；制冷、供暖時(shí)間總體各半，冷熱負(fù)荷差別較小，適宜施工地源熱泵系統(tǒng)。

安徽省地表水豐富，適宜施工地表水換熱系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮換熱水體在不同季節(jié)的深度和溫度、換熱量、取水點(diǎn)的設(shè)置等因素，同時(shí)不能對(duì)水體生態(tài)造成破壞。

安徽省淮北平原和皖南地區(qū)淺層地下水豐富，但淮北平原巖性以粉細(xì)砂為主，地下水回灌困難，不宜施工地下水換熱系統(tǒng)；皖南地區(qū)施工地下水換熱系統(tǒng)回灌容易，甚至可以不考慮回灌，所以是施工地下水換熱系統(tǒng)的最適宜地區(qū)。

安徽省境內(nèi)都可以施工地埋管換熱系統(tǒng)，淮北平原200m以淺范圍內(nèi)都是松散巖類，地下水豐富，投資小，換熱效果好，是我省施工地埋管換熱系統(tǒng)的最佳地區(qū)。