水源热泵在江西的工程应用

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水源热泵在江西的工程应用

摘  要:结合大量实际工程经验,探讨了地下水源热泵的应用现状及实际中存在的问题。分别从建筑规划面积、水文地质条件和成井工艺等方面,对导致回灌困难的原因进行了全面的分析,并提出了相应的解决措施。强调为避免出现地面沉降和地下水质污染等问题必须做好水文地质勘探、控制成井质量、采用适宜的回灌方法等,并对管理部门今后的工作提出了一些建议。以保证地下水资源的合理利用,促进地下水源热泵技术的可持续发展。

关键词:地下水源热泵,成井,回灌

地源热泵是一种利用地热资源来供热、制冷的高效节能冷热源型式。地下水源热泵是其中的一种方式,与地下埋管的“闭式”地源热泵相比,由于其造价低、容量大、水温度稳定,所以在工程中应用较为广泛。20世纪90年代中后期,地下水源热泵的应用开始在国内推广,当时工作的重点是热泵设备的研发和推广,由于造价低、制冷制热效果较好,得到了用户的认可,政府部门也积极参与这项技术的推广。但另一方面,由于地下水回灌问题没有得到根本解决,以致在工程应用方面和地质环境方面的问题比较突出。这些问题能否得到相应的解决,直接影响了该技术的持续发展和人类的生活环境。

地下水是一种优质的淡水资源,是国家的一种战略物资。大规模使用地下水,而不能得到良好的回灌,一旦出现地质环境问题,是难以补救的。为了合理利用地下水资源、促进地下水源热泵的可持续发展,本文将结合与之相关的实际施工技术,详细介绍了江西地区地下水源热泵的应用现状、存在的问题、相关解决措施。

1 应用现状

1)国家倡导,厂家、公司、设计人员大力推广

近来,国内地下水源热泵发展非常迅速,其应用也已经达到了一定规模。一些厂家、研究机构甚至政府机构都积极倡导这项技术,并称之为绿色能源技术。应用地下水源热泵技术,地下水经热交换后必须回灌,即将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。许多地下水源热泵项目都声称解决了回灌问题,但对回灌质量如何往往避而不谈。事实上,由于成井质量、回灌技术等原因,很难保证达到100%回灌,有些回灌困难的工程所在地甚至已经了出现较为严重的地面沉降[1]。江西地区的地下水资源比较丰富,但如果没有根本解决回灌问题而长期使用这项技术,仍可能导致地下水资源的破坏。

2)出现技术应用空白区

地下水源热泵技术是一个跨学科、跨专业的可再生能源利用技术,涉及暖通空调技术、地质技术和钻井技术等多专业、多工种的知识。目前存在的问题是各专业间缺乏有效整合和沟通。多数暖通技术人员对水源井并不了解,在暖通设计时也没有对水源井进行相关设计,而钻井技术人员对暖通专业用水井的要求比较模糊,仅凭以往经验,即按照一般的生活或工业用水井的标准进行施工,但实际上这很难达到暖通专业的使用要求。另外,由于没有相应的施工图纸,使得工程监理和甲方无法对成井施工进行监察。因此在工程初期就很难保证工程质量达到相关施工规范的要求。

3)取水有认证,抽灌无管理、无监督

在决定采用地下水源热泵系统之前,需做详细的水文地质勘探,获取地下水温度、水质和出水量等数据,合理地配置整个系统。多数建设单位会根据国家有关法规进行取水认证,但是由于地下系统施工后基本不可见,系统在设计上没有考虑回灌的远程监控系统,而管理部门职责不甚明确,故无法监督地下水源热泵系统是否依据相应规范进行抽灌,更无法进行长期的监测工作。由于缺乏后期的监督管理,许多工程不管能不能达到回灌要求都盲目、无节制地运用这一技术。这与地下水源热泵技术的可持续发展理念背道而驰。这项技术的应用是一柄双刃剑,我们要尽量避免其危害到子孙后代的利益。

4)技术应用无细则

热泵设备技术已经比较成熟,对于地源热泵系统的工程施工国家标也有相关的规范,但由于不同地区的地质情况各不相同,施工工艺水平也存在很大差异,需要针对本地区的具体特点对应用该项技术的实际施工方面进行深入的研究,并制定相应施工细则。江西地区在这方面的研究仍非常薄弱,亟需建立相应的技术应用细则,引导该技术的在江西的正确应用。

2 回灌问题

地下水回灌困难是影响地下水源热泵系统的应用主要因素。一方面由于达不到回灌要求,可能导致的地质环境问题;另一方面由于回灌困难,有些用户为了保证空调系统的运行就不得不把地下水排入城市雨水管网,可能增大城市污水处理负担。回灌困难就成了地下水源热泵系统工程应用关注的焦点。

2.1 回灌原则

回灌方式有无压、负压和加压回灌三种。对于抽灌两用井,为防止井间互相干扰,应控制合理井间距。回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关,回灌要求应达到相应的国家规范的要求:1)回灌水质要等于或优于水源水质;2)应在封闭系统中输送地下水,与其接触的部件应采用耐腐蚀材料,取水、回灌水管路应装有水表和采集水样用的旋塞阀;3)定期对地下水进行化验,并将化验结果报送有关部门备案,发现地下水质异常,特别是水中出现化学物质含量升高或其他无关物质时,应及时采取措施。

2.2 回灌困难的原因

1)建筑规划面积制约,抽灌比不合理

当地源热泵系统所需的用水量较大时,由于单井抽水量有限,抽水井数应该相应增多;如果工程所在地的地质条件所需抽灌比较小,则需一定量的回灌井数才能满足系统所需回灌量。由于井数较多,两井间又要保证适宜间距,故所需占地面积较大。实际工程建筑规划面积是有限的,因此,许多工程以减少回灌井数来保证井距。这样,就使回灌困难成为了一个必然因素。

2)水文地质条件不利于回灌

理论上讲,地下水回灌量可达100%,但由于不同地区地质条件各异,这实际上是达不到的。在含水层砂粒较细时,井极易被堵,回灌量大幅降低;砂粒较粗的含水层,由于孔隙较大,回灌相对较易。含水层越浅,越不易于回灌,反之亦然。根据实际工程经验,在不同地下含水层情况下,典型的抽灌比、井的布置和单井出水量情况如表1所示。

表1  不同条件下的地下水系统设计参数

含水层情况

抽灌比(%)

井的布置

流量(t/h)

砾石

>80

一抽一灌

200

中粗砂

50~70

一抽两灌

100

细砂

30~50

一抽三灌

50

由于水源井的水文地质中许多因素[2]均会引起水源井的堵塞,实际上水源井的堵塞是不可避免的,随着系统使用时间的增长,抽水井或回灌井能力都会下降,从而不能满足地下水源热泵运转的需要。因此需采用相应的物理和化学处理方法处理水源井的堵塞,如表2所示。

表2  堵塞机理及处理方法

堵塞种类

成因

处理方法

悬浮物堵塞

浑浊物被带入含水层,堵塞砂层孔隙

回扬,控制水源水质标准

(加装过滤器)

气泡堵塞

空气被带入含水层或地下水地下输送过程中

脱气而被带入回灌井中的含水

回扬

化学沉淀堵塞

水与空气中的阴、阳离子相接触产生化合物沉淀,

堵塞滤网和砂层空隙

回扬,酸化(HCl)处理,

水质监测

微生物生长堵塞

铁细菌、硫磺还原菌等的大量繁殖

回扬,加适量杀菌剂

一般来说,可采取回扬方式来防止井的老化,维持地下水的回灌。所谓回扬,即在抽水井和回灌井中均安装潜水泵,并定期交换抽水井和回灌井。回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定,其次还要考虑水质、回灌量和回灌方式等。只有适当的回扬次数和时间,才能获得好的回灌效果。

对于轻度堵塞,可直接用连续回扬的方法处理,直到井单位开采量和动力水位恢复,方可继续进行回灌。对于严重堵塞,可用回扬与间歇停泵反冲的处理方法,或用回扬与压力灌水相结合的处理方法。回扬对于细颗粒含水层尤为重要。实验证实,在几次回灌之间进行回扬能恢复回灌水位,并保证回灌井正常工作。但是,回扬是非常专业化的工作,增大了用户的维护工作量,而且对井的损害也很大,会降低系统寿命[3]。

3)成井工艺不规范、保护不严格

在成井的施工过程中,由于施工人员不了解地下水源热泵系统知识及相应规范,在井内采用未加防蚀的铁制构件,加速了水源井的堵塞;随意偷工减料,井壁厚度不符合规范要求,井径不能满足水流速要求;在选择填砾过滤器滤料的规格时,没有根据凿井中取样筛分后的地层颗粒组份,按照《供水管井技术规范》的要求来选择。

4)井室管道设计不合理

地下水源热泵技术涉及暖通空调技术、地质技术和钻井技术等多专业、多工种的知识。如前所述,暖通技术人员未做井室管道进行设计,由于考虑工程施工承包的方便,一些工程的水源井及井室均由钻井施工人员来完成施工,但他们对井室管道施工要求可能不甚了解,只能凭着经验进行施工,这样很难达不到国家规范的施工工艺要求。

3  解决措施

1)做好水文地质勘探,合理设计

遵循自然规律,做到合理利用、开发地下水资源。重视地下水资源丰富的现状,加大水文地质的勘查、评价与研究力度,根据当地水文地质条件,合理规划地下水的开采布局,确定与之适宜的回灌和回扬方法。

在设计地下水源热泵系统之前,需经水文地质勘探确定以下数据:

a)确定单井抽水量。由地勘部门通过地质勘探确定单井抽水量,根据使用温差计算出最大用水量,进而确定抽水井数;b)单井回灌量及抽灌比。由地勘部门通过地质勘探确定单井回灌量,根据用水量和抽灌比即可确定回灌井数;c)水温,由于水温不同,同样的机组提供的冷量和热量也不同,可作为机房设计依据;d)动水位深度,地下水源热泵系统的经济性与地下水的动水位深度有很大的关系。根据这个深度以及室外管网的水力计算,可确定潜水泵扬程(水泵扬程=井内动水水位到机房地面高度+管道阻力+设备阻力),如地下水位较低,不仅成井的费用增加,水泵运行能耗也将大大降低系统的效率,使得节能效果大打折扣[4];e)井水水质,确定是否直接利用地下水[5],为机房设计提供依据,如表3所示。

表3  根据矿化度确定是地下水利用方式

矿化度

地下水利用方式

<350mg/L

直接连接

350~500mg/L

不锈钢板式换热器

>500mg/L

抗腐蚀性强的钛合金板式换热器或容积式换热器

注:单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为矿化度。

2)严格按规范进行水源井施工

设计、施工人员应严格按照《供水水文地质勘察规范GB50027》、《供水管井技术规范GB50296》、《地源热泵系统工程技术规范GB50366》进行设计施工。全面提高暖通技术、地质技术和钻井技术人员的专业素养,使其配合密切。建议成井单位配合暖通设计师完成热源井设计,由水利管理部门监督成水源井的施工。

3)加强相关部门管理、研究力度

由于地下水源热泵系统存在回灌困难的客观事实,可能会对下水资源造成破坏,这应引起相关主管部门的足够重视,加强对地下水源热泵系统的抽灌监察,并形成有效的管理机制。建议江西地区的高校、设计院和地勘部门联合起来,对本地已建地源热泵系统进行跟踪研究,尽快制定江西地区的地下水源热泵设计、施工和运行实施细则,引导这项技术朝着可持续方向发展。

4 结束语

本文针对地下水源热泵在实际工程的应用中存在的问题,如受水文地质条件的制约,监督管理匮乏,井的老化和回灌困难等,提出了相应的解决措施。

1)针对各地区的不同地质情况,做好水文地质勘探,合理开发利用地下水资源;

2)控制成井质量,因地制宜地采取适宜的回灌和回扬方法,保证抽灌比,减少因回灌问题造成的地下水位下降、地质沉降等地质破坏;

3)加强管理部门的监督力度,从工程设计到成井施工再到对地下水的抽灌全过程进行监督检查,使地源热泵系统应用更规范、更可靠。

相信在各相关部门齐心协力,坚持可持续发展战略,正确引导技术的工程应用,地下水源热泵这一技术将会朝着节能环保、可持续、与环境和谐的方向发展!

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