浅析水源热泵对区域水文地质条件的影响

1、浅析水源热泵对区域水文地质条件的影响第35卷第4期2009年2月 山西建筑si-ianxiarchitecrurtv01.35no.4feb.2009?213?文章编号:10096825 2009）04021302 浅析水源热泵对区域水文地质条件的影响 廖荣丁跃元刘立才摘要:通过分析我国地下水源热泵空调系统的发展现状，结合我国自然环境及社会 环境现状，探讨了热泵系统可能引起回灌率低，热污染及地面沉降等问题，并指出应加强对热泵系统的采能区地下水 环境的研究，并制定相应的地下水源热泵空调技术应用标准.关键词:地下水源热泵，地下水回灌，热污染,地下水动力场中图分类号:tu831文献标识码:a水源热泵

2、空调系统是利用水具有较大比热储能的特性，消耗 少量高品质能量（一般是电能），将水屮蕴藏的低品位热能转换为 高品位热能和冷能的集能系统由于土壤的隔热和蓄热作用，地 下水温度随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温常年基本 不变，一般约比当地年平均气温高1 °c-2°c,是一种十分理想的 热泵热源.'地下水热泵空调系统主要由三个部分组成，即地下水抽灌系 统，水源热泵机组和室内采暖空调末端系统，各个系统利用水作 为介质进行热量传递，形成抽灌井间水热循环，热泵机组水热循 环及室内空调水热循环3个水一热耦合循环.在夏季制冷模式下，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后 进人冷凝器

3、，向地下水释放热量而冷却成高压液体，致使地下水 的温度升高，高压液体经节流膨胀阀成为低压液体，进入蒸发器 后转变为低压蒸汽，吸收空气（水）中的热量，达到室内制冷的目 的在该循环过程中，采能区地下水温度升高.在冬季制热模式下，高温高压的制冷剂气体从压缩机排出后 进入冷凝器，冷凝过程屮释放热量而冷却成高压液体，释放的热 量用来供暖，高压液体经膨胀阀进行节流膨胀成为低压液体，再 进入蒸发器，蒸发为低压蒸汽,蒸发过程中吸收地下水中的热量， 达到冬季采暖的目的在该循环过程中，采能区地下水温度降低. 1997年，我国开始引进地下水热泵技术，并陆续实施了一批 大规模的地下水热泵采暖工程项目.20世纪末，我国

4、大约安装了 100套地下水热泵供热制冷系统，水源热泵空调系统的应用已初 具规模.目前，该技术己在北京，上海，沈阳，广州及深圳等地得 到较快的发展.从总体上说，水源热泵空调系统的技术比较成 熟，且具有广阔的发展前景.1地下水回灌率低在地下水源热泵系统中,地下水作为储能介质在完成一个运 行周期后回灌，并参与下一个循环热传递浅层地能（热）一部分 储存在含水层的地下水中，而大部分储存在含水层岩石骨架顶层 与底层岩土中，通过地下水源热泵系统的回灌井把温度较低（高） 的水注入含水层屮，重新与含水层顶层和底层岩土进行换热，以 此来提高浅层地能（热）的利用率因此高效率的地下水冋灌是 地下水源热泵系统可持续运行

5、的关键1地下水作为一种优质的战略资源，对社会的稳定发展具有重 要的作用目前，我国各地区出现了不同程度的水资源短缺，大 部分地下水资源超采较为严重，地下水位下降较快.此时，如果 热泵系统的应用不能完全冋灌地下水，将造成地下水资源巨大浪 费，加剧因地下水缺乏而导致的地面沉降,海水侵入及超采漏斗 等现象. 地下水难以实现完全回灌主要是因堵塞而引起的.回灌井 的堵塞原因可以归纳为悬浮物堵塞，微生物生长堵塞，化学沉淀， 气泡堵塞,粘粒膨胀扩散堵塞及含水层颗粒重组六方面原因在 dillon等调查的40个回灌事例中，有80%的注水井出现了堵塞， 其中65%的井堵塞原因已经查明，其余15%的原因尚不清楚. 2

6、热污染 在热泵系统运行期间，室内与抽取的地下水发生热量交换， 改变了回灌水的温度，使采能区地温场不可避免地受到了影响. 在对地下水热泵系统采能区温度变化的数值模拟研究中发现，区 域地下水温度将随着制冷期及供暧期交替出现周期的升降.通 过分析认为，区域地下水温度变化的幅度以及趋势主要受系统冷 热负荷及场区水文地质条件的影响在冷热负荷的运行条件下， 热泵系统从含水层提取及回灌的冷热量平衡，地下水温度在背景 值区域内周期性振荡（见图1）.但在冷热不平衡的条件下，地下 水温度将偏离温度背景值呈现上升或下降的趋势.而在正常条 件下，热泵系统热负荷一般大于冷负荷，即冬季供暖时间及面积均 超过夏季，场区地下

7、水温度将偏离温度背景值逐年下降（见图2）. 为了解场区地下水温度出现较大变化后其恢复的情况，现假 researchstatusoffillerairhandlingequipmentathomeandabroadllushuai abstract:theauthordescribestheresearchprogressofthefillerintheevaporativecoolingand theliquiddesiccantoftheair一conditioningfield athomeandabroad,andanalyzestheinfluencingfactorsofthefil

8、lerair-conditioningsystem, putsforwardthesuggestionstoimprovetheper一 formanceofthefillerair-conditioningsystem,topromotetheapplicationofthefillerintheair 一conditioningfidd.key words:filler,evaporativecooling,liquiddesiccant,air一conditioning 收稿日期:20081007作者简介:廖荣(1980 一)，男，中国农业大学水利与土木工程学院硕士研究生，北京10008

9、3丁跃元(1961.),男,教授级高级工程师,北京市水务局，北京100038 刘立才(1973 )，员高级工程师，北京市水利科学研究所，北京100044.214.第35卷智山西建筑20092?年月，设热泵系统在夏季制冷期后停止运行，对该运行工况进行数值模 拟后发现，一旦含水层温度发生变化，由于地下水水力坡度较小， 流速缓慢，则含水层温度很难恢复到背景值(如图3所示)当 然，场区地下水温度还受区域地下水天然动力场的影响,在强径 流区域，地下水流动速度是主要影响因素.010.0200030004(xxj运彳亍期/d图1冷热负荷平衡条件下地下水温度变化曲线k01000200030004000运行期/

10、d图2冷热负荷失衡条件下地下水温度变化曲线赠 篙 k 叠 难以恢复.3地面沉降由于地下水严重超采，我国目前许多地方由于地下水的开采 而引起地面沉降,如上海，天津，太原等地地面沉降作为一种广 泛的地质灾害，造成地下管道扭曲折断，道路起伏不平,海水倒 灌，建筑物产生裂缝其至倒塌，不仅对地面设施产生很大的破坏 作用，而且也会使地下环境发牛变化，给工业牛产，城市建设和人 们生活带来深刻和巨大的影响.目前，由于地下水源热泵抽灌地下水而引起的地面沉降尚未 记载但如果大面积推广该系统时，未能实现地下水的完全冋 灌，可能造成整个区域黏土层过渡释水压密而造成地面沉降而 且,由于黏性土壤的特性，黏土层吸水量只占同

11、压力下释水量的 30%以下,塑性变形后的黏土层所产生的回弹量甚微【71. 此外，地下水源热泵系统由于项目的局限性，使得抽灌井相距 较近,且水位差较大，造成区域地下水流速加大，含水层中细颗粒介 质被水流携带而出，含水层中的介质坍塌重组而造成地面沉降.4结语1)目前，由于水源热泵空调系统发展较快，但对含水层地下 水冋灌重视不够，应加强对这方面的研究，并通过政府立法，确保 地下水资源得到保护2)水源热泵系统的运行使釆能区地下水 温度发生变化，同时，稳定的地下水温度有助于热泵系统高效运 行,并较少对地下水微生物环境的影响因此，热泵系统的运行 应注意保持冷热负荷的平衡，避免含水层趋冷或趋热.3)地下水

12、动力场的变化将对含水层骨架及颗粒分布造成影响，但对该问题 重视程度不够，应加强该方面的研究工作.参考文献：1 马最良，姚杨，姜益强，等地下水源热泵若不能100%回 灌地下水将是子孙后代的灾难j.制冷技术,2007:582 武晓峰，唐杰地下水人工冋灌与再利用j.工程勘察， 1998(4):37.42.31郭小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状j.暖通空调,2004,34(1):19-22.图系统停止运行后地下水温度变化曲线43kr 饥 bven.;eyofghennlhelatpui lpati 一 温度变化可能对 地下水环境物 理过程和生物过程有重要的 onsint

13、heunitedstatesj.in:l,heproceedingsofthesecond影响，从而对水质产生影响，一般来说，在土壤中有极嗜冷茵，嗜stockton.intermtonalgeotlhermalconference,pomonm,new 一冷菌,嗜热菌，极嗜热菌等菌类，这些菌类对温度和溶解氧十分敏jersey, 1998(2):30. 感，地下水中温度增高时，溶解氧的浓度会降低，影响地下水中细 5burhard-lner,elenikonstantinidou.guidelinedraft(green菌的同化作用，导致地下水生态平衡的破 坏.paper)vdi4640,part

14、3: undergroundthemaal 嘲 storage部分水源热泵空调系统商家采用回灌水质与抽取水质比较j.in:theproceedingsof8thinternationalconference0n的方法，对回灌水的水质进行了监测论证，认为在运行水源热泵thermalenestorage,stuttgart,20oo(3):20.空调系统时，地下水是作为贮存热量的介质使用的，它通过封闭6刘兴月，邵海洲, 王洪星浅析水源热泵系统对地下水环境的管道，仅仅在吸收和接受热量后，立即被回灌，其间既不与其他n,ej.节能与环保,2002(8):50.物质发生化学作用也不在空气中暴露因此，很多运

15、行商基本上7王翠玲，王飞.地 下水人工回灌对地面沉降控制的探讨没有考虑地下水温度变化对地下水水质的影响6.但地下水所j.山四建筑,2007,33(33):142143.处环境较为复杂,区域补给及流动具有长期性，一旦受到污染，将discussionontheinfluenceofwatersourceheatpumpoilregionalhydrogeologiccondition liaorongdingyue-yuanliuli-caiabstract:throughanalyzingthedevelopmentstatusofundergroundwatersourceheatpump airconditioningsysteminchina,combinedwithchinesenaturalenvironmentandsocialenvironmentalstatus,theproblemsthatheatpumpm ayprovokelowrechargerate,heatpollutionand groundsettingwerediscussed.itpointedthatitshouldstrengthresearchonundergroundwate renvironmentofh