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简析:我国地下水源热泵发展中存在的主要问题及对策

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发表于 2018-9-2 12:51:43 |显示全部楼层
  随着经济的发展,中国的能源形势日趋紧张,国家提倡节能减排,并鼓励可再生能源的使用。浅层地热资源是可再生能源的一种,是可以循环利用、清洁的能源。在能源短缺的今天,利用浅层地热资源必定会带来巨大的社会和经济效益,对其进行综合开发利用具有十分广阔的前景。
  地下水源热泵是把地下水作为冷源或热源,既可供热又可制冷的高效节能的空调系统。目前地下水源热泵在我国已经有了一定的发展,但是由于前期的研究不够成熟,使得地下水源热泵在应用过程中,产生了一些不利于社会、经济和可持续发展战略的负面影响,需要得到及时的控制,在今后的新建工程中更应该避免此类问题的发生,从而使地下水源热泵向健康、节能、高效、经济和环保的方向发展。
  由于地层的隔热和蓄热作用,使得储存于其中的地下水温度受地表气温变化的影响较小,特别是较深地层中的水,其温度常年不变。地下水源热泵系统就是利用浅层地下水温度较为稳定的特性,以浅层地下水作为热源或热汇,通过热泵实现热量的转移,从而达到对建筑物供热和制冷的目的。
  夏季,地下水温度较地表气温(或地表水温)低,可以高效地带走空调用户侧的热量,热泵系统所起的作用就是将建筑物中的热量转移到地下水源中;而冬季,水源温度较地表气温(或地表水温)高,热泵系统从水源中提取热量,转移到建筑物以达到供暖的目的。由此可见,地下水源热泵系统就是一种通过消耗少量高品位能量,将地下水中不可直接利用的低品位能量提取出来,变成可以直接利用的高品位能源的装置。
  对于空气源热泵空调系统而言,低位能量来自于室外空气,通过比较可以看出地下水源热泵比空气源热泵有很大的优势:
  从表1中可以看出地下水源热泵具有高效、节能、稳定、环保、受气候影响小的优点,而这些是传统空气源热泵不具备的。现阶段我国地下水源热泵无论在设计还是施工上都日渐成熟,发展也比较迅速,但还是存在一些问题,所以在今后的工作中,我们对于已建项目出现的问题应及时纠正;对于未建项目,尽量避免在建设及应用过程中可能会出现的问题,从而使其向更好的方向发展。基于此,本文对地下水源热泵存在的问题进行了总结分析,并提出了解决这些问题的建议。
  地下水的水量、水质、水温是影响水源热泵效率的主要因素。如果进入热泵系统的水量不足,水温不适,系统的效率将会受到影响;如果水质不满足要求,有可能会造成系统的腐蚀、结垢、磨损,设备安装时的残留油垢以及热泵与风机润滑系统泄漏的油污也会影响换热器的换热效果及缓蚀剂的使用效果,减少机组的寿命。
  抽水井周围地下水温度的稳定对于维持地下水源热泵的效率起着关键性作用,但是回灌过程中,回灌井附近地下水的温度会出现变化,随着时间的推移,这种温度的变化会影响到抽水温度,就有可能在热泵运行过程中造成地下“热短路”。一般抽灌井的水温温差小于5℃时,地下水源热泵的效能将大大降低,可以以此作为热短路的依据。因此在进行地下水源热泵的设计时,要通过水文地质试验合理设计井间距,将回灌井对抽灌井的温度影响减小到最低的水平,避免热短路的发生。
  人类为了使室内保持舒适的温度,将建筑内的冷/热量转移到了地下,如果规模较小、局部、短期的热量转移不会引起明显的冷热岛问题,但是如果规模较大,时间较长,就有可能引起地下的冷热岛效应。一般情况下,如果热泵夏季输入到地下的总热量和冬季从地下提取的总热量保持平衡,那么从长期看地下的热量收支仍然是平衡的,只产生季节性的冷热岛现象,但是在很多地区,建筑物的夏季冷负荷和冬季热负荷需求并不平衡,这样会形成长期的冷热岛,不但降低热泵的效率,而且长期下去会对地质环境不利,有可能造成地下的冷热污染,引起生态平衡问题。
  某些水文地质条件较差的地区,地下水源热泵需要同时利用多个含水层才能达到设计的取水和回灌要求,目前我国某些地区的地下水已遭受不同程度的污染,水质相对较差。若系统建在污染较重、水文地质条件较差的地区,这种多层混合开采和回灌的方式,容易加速含水层间的相互污染,并且利用稀盐酸或稀硫酸进行洗井的过程也会使含水层水质恶化。地下水水质恶化有一部分原因还来自于地下水的氧化,热泵系统应用过程中有可能会使外界的空气与地下水接触,导致地下水氧化,地下水氧化会使地下水的化学成分发生变化,从而对地下水水质产生不良的影响。
  浅层地下水通常储存在由松散的、未固结或弱固结的第四纪沉积物组成的含水层中,地下水源热泵往往开采的是夹在粘性土层之间的砂层中的地下水,砂层内部也会夹有粘性土。而粘性土层压缩性大,地下水位下降时易发生压缩形变,如果开采区粘性土层厚度较大,并且不及时回灌,就有可能会产生岩土体变形,导致不均匀的地面沉降。不过,一般情况下独立的地下水源热泵不会诱发显着的地面沉降,但当地下水源热泵密集分布时,如果形成联合漏斗,有可能会增加地面沉降的风险。
  一直以来,我国对地下水位的动态监测较为重视,各地区都有连续、长期的观测数据,但是对地下水温数据则没有引起足够的重视,通过走访有关部门,发现有关地下水水温的数据较为缺乏,并且在数据的共享性和权威性上,也都难以满足要求,从而给地下水源热泵的研究工作带来一定的困难,并且在进行热泵设计时,由于取水点温度的变化情况难以确定,给设计也带来一定的影响。
  通过阅读大量文献,发现有关热泵适宜性评价方面的文章很少,并且国家也没有进行全国性的地下水源热泵的适宜性分析和区域规划,致使某些地区在不适宜地区盲目的建立地下水源热泵系统,出现了较多的问题;由于对热泵建设场地勘察力度不够所造成系统性能下降,回灌困难等问题也比较突出。例如:在银川地区,由于对地下水文地质的研究处于较低的层面,采用热泵系统时仅参照工程的经验值,抽取的地下水回灌困难,无法回灌的地下水就直接排放到地表,造成了极大的资源浪费。我国北京地区,地下水源热泵工程分布较密集,有可能会使两热泵系统的地下部分相互影响,导致地下水成为不稳定的热源,热泵效率降低。
  国际能源组织、国际地源热泵协会等行业组织为地下水源热泵的推广提供了技术上的支持,但实际上各国法规对地下水源热泵的应用都有一定的约束。由于地下水源热泵需要大量抽取地下水,欧美许多国家一般不鼓励使用开式回路系统,鉴于监测管理地下工程的难度较大,美国等发达国家在应用地下水源热泵上表现的也相当谨慎,比如禁止在地下水的水源地保护区使用地下水源热泵,要求热泵循环水同层回灌等。我国在应用地下水源热泵的过程中虽有一定限制,但还有不完善之处,比如:由于监管不严造成抽灌不平衡问题;对于已建项目,没有强调进行地下监测的必要性和强制性等。我国在管理上也存在一定的漏洞,比如:对于从事地源热泵系统承包、设计、施工的单位没有建立资质审核制度,对于地下部分的勘测、热泵的设计、施工、验收等环节也缺乏相应的标准和规范,从而造成了工程质量不过关和资源的浪费。
  建设场地的水文地质条件是进行地下水源热泵设计的依据,在决定某地区是否采用地下水作为热泵的冷热源之前,首先应尽可能全面的收集区域水文地质资料,掌握周围已建地下水源热泵的分布情况,然后进行严密的现场抽水试验,看是否具备足够的地下水水量、水温是否适宜;其次还需了解该处的地下水质情况,以获得较准确详尽的规划方案。勘察内容不仅包括水文地质和工程地质参数,还包括岩土体热物理性质等,从而保证热泵设计参数的准确性,避免了因设计不合理产生的一系列问题,如热短路、热平衡问题。
  最初有些学者大力宣传地下水源热泵能够降低空气污染的优势,但忽视了其对环境的负面影响,随着这一技术的推广,有些问题也显露出来,需要得到及时的解决:
  1)地下热平衡的破坏。建立传热模型,并进行模拟,合理确定开采量,或采用辅助装置,预防冷热岛效应。如:北方地区,冬季可辅以锅炉或太阳能加热;南方地区,夏季可利用冷却塔、建筑附近的景观喷泉或地表水来辅助散热。
  2)地下水质的破坏。首先要严格控制人工回灌水质,虽然目前国家还没有出台完善的回灌水水质标准,但一般要求回灌水水质等于甚至高于原地下水水质,尽量同层回灌,避免回灌后各个含水层相互贯通而引起水质污染;其次在洗井的时候尽量采用物理的方法,以避免地下水化学成分的变化;再次要采用井口换热器,将热交换后的地下水直接进行回灌以减少地下水与空气接触的机会,防止因地下水氧化而产生的水质恶化。
  3)岩土体变形及地面不均匀沉降。地下水源热泵在应用过程中必须做到及时回灌,在水井选址时,尽量避开那些粘性土层十分发育的地区。并且要充分考虑热泵系统之间的空间布局,尽量使其分散以免产生联合漏斗。
  针对目前我国水温数据缺乏的状况,建议国家对我国需要建立地下水源热泵地区的地下水进行不同深度、长期、连续的水温监测,并实现数据的共享,以满足设计需要。对于已建热泵的地区,应设置监测点,采集有关数据,一方面保证系统正常运行,另一方面及时发现环境隐患。国家还应尽快进行全国性的适宜性分区和区域规划,并连同监测的数据一起建立相应的数据库,及时进行数据更新,从而为地下水热泵的设计提供一定的参考。
  建议国家颁布针对该行业管理的法律、法规,尽快实行市场准入制度或生产许可证管理制度,对从业企业进行有效的约束和管理,防止热泵相关设备的无序生产。对设计、施工单位建立资质审核制度,并制定相应的统一的标准和规范,使热泵市场向健康有序的方向发展;加强对地下水源热泵项目的监管,比如:在项目实施之前要提交水资源论证报告,并需要经过水务部门批准,项目建成后,有关部门必须对其进行严格的监控以保证地下水全部回灌。
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