摘要：結(jié)合大量實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，探討了地下水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀及實(shí)際中存在的問題。分別從建筑規(guī)劃面積、水文地質(zhì)條件和成井工藝等方面，對導(dǎo)致回灌困難的原因進(jìn)行了全面的分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。強(qiáng)調(diào)為避免出現(xiàn)地面沉降和地下水質(zhì)污染等問題必須做好水文地質(zhì)勘探、控制成井質(zhì)量、采用適宜的回灌方法等，并對管理部門今后的工作提出了一些建議。以保證地下水資源的合理利用，促進(jìn)地下水源熱泵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：地下水源熱泵成井回灌

地源熱泵是一種利用地?zé)豳Y源來供熱、制冷的高效節(jié)能冷熱源型式。地下水源熱泵是其中的一種方式，與地下埋管的“閉式”地源熱泵相比，由于其造價(jià)低、容量大、水溫度穩(wěn)定，所以在工程中應(yīng)用較為廣泛。20世紀(jì)90年代中后期，地下水源熱泵的應(yīng)用開始在國內(nèi)推廣，當(dāng)時(shí)工作的重點(diǎn)是熱泵設(shè)備的研發(fā)和推廣，由于造價(jià)低、制冷制熱效果較好，得到了用戶的認(rèn)可，政府部門也積極參與這項(xiàng)技術(shù)的推廣。但另一方面，由于地下水回灌問題沒有得到根本解決，以致在工程應(yīng)用方面和地質(zhì)環(huán)境方面的問題比較突出。這些問題能否得到相應(yīng)的解決，直接影響了該技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和人類的生活環(huán)境。

地下水是一種優(yōu)質(zhì)的淡水資源，是國家的一種戰(zhàn)略物資。大規(guī)模使用地下水，而不能得到良好的回灌，一旦出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，是難以補(bǔ)救的。為了合理利用地下水資源、促進(jìn)地下水源熱泵的可持續(xù)發(fā)展，本文將結(jié)合與之相關(guān)的實(shí)際施工技術(shù)，詳細(xì)介紹了江西地區(qū)地下水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題、相關(guān)解決措施。

1應(yīng)用現(xiàn)狀

1）國家倡導(dǎo)，廠家、公司、設(shè)計(jì)人員大力推廣

近來，國內(nèi)地下水源熱泵發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用也已經(jīng)達(dá)到了一定規(guī)模。一些廠家、研究機(jī)構(gòu)甚至政府機(jī)構(gòu)都積極倡導(dǎo)這項(xiàng)技術(shù)，并稱之為綠色能源技術(shù)。應(yīng)用地下水源熱泵技術(shù)，地下水經(jīng)熱交換后必須回灌，即將被水源熱泵機(jī)組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中去。許多地下水源熱泵項(xiàng)目都聲稱解決了回灌問題，但對回灌質(zhì)量如何往往避而不談。事實(shí)上，由于成井質(zhì)量、回灌技術(shù)等原因，很難保證達(dá)到100%回灌，有些回灌困難的工程所在地甚至已經(jīng)了出現(xiàn)較為嚴(yán)重的地面沉降[1]。江西地區(qū)的地下水資源比較豐富，但如果沒有根本解決回灌問題而長期使用這項(xiàng)技術(shù)，仍可能導(dǎo)致地下水資源的破壞。

2）出現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用空白區(qū)

地下水源熱泵技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科、跨專業(yè)的可再生能源利用技術(shù)，涉及暖通空調(diào)技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)等多專業(yè)、多工種的知識。目前存在的問題是各專業(yè)間缺乏有效整合和溝通。多數(shù)暖通技術(shù)人員對水源井并不了解，在暖通設(shè)計(jì)時(shí)也沒有對水源井進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，而鉆井技術(shù)人員對暖通專業(yè)用水井的要求比較模糊，僅憑以往經(jīng)驗(yàn)，即按照一般的生活或工業(yè)用水井的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，但實(shí)際上這很難達(dá)到暖通專業(yè)的使用要求。另外，由于沒有相應(yīng)的施工圖紙，使得工程監(jiān)理和甲方無法對成井施工進(jìn)行監(jiān)察。因此在工程初期就很難保證工程質(zhì)量達(dá)到相關(guān)施工規(guī)范的要求。

3）取水有認(rèn)證，抽灌無管理、無監(jiān)督

在決定采用地下水源熱泵系統(tǒng)之前，需做詳細(xì)的水文地質(zhì)勘探，獲取地下水溫度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)，合理地配置整個(gè)系統(tǒng)。多數(shù)建設(shè)單位會(huì)根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)進(jìn)行取水認(rèn)證，但是由于地下系統(tǒng)施工后基本不可見，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上沒有考慮回灌的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，而管理部門職責(zé)不甚明確，故無法監(jiān)督地下水源熱泵系統(tǒng)是否依據(jù)相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行抽灌，更無法進(jìn)行長期的監(jiān)測工作。由于缺乏后期的監(jiān)督管理，許多工程不管能不能達(dá)到回灌要求都盲目、無節(jié)制地運(yùn)用這一技術(shù)。這與地下水源熱泵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展理念背道而馳。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用是一柄雙刃劍，我們要盡量避免其危害到子孫后代的利益。

4）技術(shù)應(yīng)用無細(xì)則

熱泵設(shè)備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，對于地源熱泵系統(tǒng)的工程施工國家標(biāo)也有相關(guān)的規(guī)范，但由于不同地區(qū)的地質(zhì)情況各不相同，施工工藝水平也存在很大差異，需要針對本地區(qū)的具體特點(diǎn)對應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際施工方面進(jìn)行深入的研究，并制定相應(yīng)施工細(xì)則。江西地區(qū)在這方面的研究仍非常薄弱，亟需建立相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用細(xì)則，引導(dǎo)該技術(shù)的在江西的正確應(yīng)用。

2回灌問題

地下水回灌困難是影響地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用主要因素。一方面由于達(dá)不到回灌要求，可能導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境問題；另一方面由于回灌困難，有些用戶為了保證空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行就不得不把地下水排入城市雨水管網(wǎng)，可能增大城市污水處理負(fù)擔(dān)?；毓嗬щy就成了地下水源熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)。

2.1回灌原則

回灌方式有無壓、負(fù)壓和加壓回灌三種。對于抽灌兩用井，為防止井間互相干擾，應(yīng)控制合理井間距?；毓嗔看笮∨c水文地質(zhì)條件、成井工藝、回灌方法等因素有關(guān)，回灌要求應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的國家規(guī)范的要求：1）回灌水質(zhì)要等于或優(yōu)于水源水質(zhì)；2）應(yīng)在封閉系統(tǒng)中輸送地下水，與其接觸的部件應(yīng)采用耐腐蝕材料，取水、回灌水管路應(yīng)裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；3）定期對地下水進(jìn)行化驗(yàn)，并將化驗(yàn)結(jié)果報(bào)送有關(guān)部門備案，發(fā)現(xiàn)地下水質(zhì)異常，特別是水中出現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)含量升高或其他無關(guān)物質(zhì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施。

2.2回灌困難的原因

1）建筑規(guī)劃面積制約，抽灌比不合理

當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)所需的用水量較大時(shí)，由于單井抽水量有限，抽水井?dāng)?shù)應(yīng)該相應(yīng)增多；如果工程所在地的地質(zhì)條件所需抽灌比較小，則需一定量的回灌井?dāng)?shù)才能滿足系統(tǒng)所需回灌量。由于井?dāng)?shù)較多，兩井間又要保證適宜間距，故所需占地面積較大。實(shí)際工程建筑規(guī)劃面積是有限的，因此，許多工程以減少回灌井?dāng)?shù)來保證井距。這樣，就使回灌困難成為了一個(gè)必然因素。

2）水文地質(zhì)條件不利于回灌

理論上講，地下水回灌量可達(dá)100%，但由于不同地區(qū)地質(zhì)條件各異，這實(shí)際上是達(dá)不到的。在含水層砂粒較細(xì)時(shí)，井極易被堵，回灌量大幅降低；砂粒較粗的含水層，由于孔隙較大，回灌相對較易。含水層越淺，越不易于回灌，反之亦然。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在不同地下含水層情況下，典型的抽灌比、井的布置和單井出水量情況如表1所示。

表1 不同條件下的地下水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

由于水源井的水文地質(zhì)中許多因素[2]均會(huì)引起水源井的堵塞，實(shí)際上水源井的堵塞是不可避免的，隨著系統(tǒng)使用時(shí)間的增長，抽水井或回灌井能力都會(huì)下降，從而不能滿足地下水源熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)的需要。因此需采用相應(yīng)的物理和化學(xué)處理方法處理水源井的堵塞，如表2所示。

表2 堵塞機(jī)理及處理方法

表2堵塞機(jī)理及處理方法一般來說，可采取回?fù)P方式來防止井的老化，維持地下水的回灌。所謂回?fù)P，即在抽水井和回灌井中均安裝潛水泵，并定期交換抽水井和回灌井。回?fù)P次數(shù)和回?fù)P持續(xù)時(shí)間主要由含水層顆粒大小和滲透性而定，其次還要考慮水質(zhì)、回灌量和回灌方式等。只有適當(dāng)?shù)幕負(fù)P次數(shù)和時(shí)間，才能獲得好的回灌效果。

對于輕度堵塞，可直接用連續(xù)回?fù)P的方法處理，直到井單位開采量和動(dòng)力水位恢復(fù)，方可繼續(xù)進(jìn)行回灌。對于嚴(yán)重堵塞，可用回?fù)P與間歇停泵反沖的處理方法，或用回?fù)P與壓力灌水相結(jié)合的處理方法?；?fù)P對于細(xì)顆粒含水層尤為重要。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在幾次回灌之間進(jìn)行回?fù)P能恢復(fù)回灌水位，并保證回灌井正常工作。但是，回?fù)P是非常專業(yè)化的工作，增大了用戶的維護(hù)工作量，而且對井的損害也很大，會(huì)降低系統(tǒng)壽命[3]。

3）成井工藝不規(guī)范、保護(hù)不嚴(yán)格

在成井的施工過程中，由于施工人員不了解地下水源熱泵系統(tǒng)知識及相應(yīng)規(guī)范，在井內(nèi)采用未加防蝕的鐵制構(gòu)件，加速了水源井的堵塞；隨意偷工減料，井壁厚度不符合規(guī)范要求，井徑不能滿足水流速要求；在選擇填礫過濾器濾料的規(guī)格時(shí)，沒有根據(jù)鑿井中取樣篩分后的地層顆粒組份，按照《供水管井技術(shù)規(guī)范》的要求來選擇。

4）井室管道設(shè)計(jì)不合理

地下水源熱泵技術(shù)涉及暖通空調(diào)技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)等多專業(yè)、多工種的知識。如前所述，暖通技術(shù)人員未做井室管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于考慮工程施工承包的方便，一些工程的水源井及井室均由鉆井施工人員來完成施工，但他們對井室管道施工要求可能不甚了解，只能憑著經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，這樣很難達(dá)不到國家規(guī)范的施工工藝要求。

3解決措施

1）做好水文地質(zhì)勘探，合理設(shè)計(jì)

遵循自然規(guī)律，做到合理利用、開發(fā)地下水資源。重視地下水資源豐富的現(xiàn)狀，加大水文地質(zhì)的勘查、評價(jià)與研究力度，根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，合理規(guī)劃地下水的開采布局，確定與之適宜的回灌和回?fù)P方法。

在設(shè)計(jì)地下水源熱泵系統(tǒng)之前，需經(jīng)水文地質(zhì)勘探確定以下數(shù)據(jù)：

a）確定單井抽水量。由地勘部門通過地質(zhì)勘探確定單井抽水量，根據(jù)使用溫差計(jì)算出z*大用水量，進(jìn)而確定抽水井?dāng)?shù)；b）單井回灌量及抽灌比。由地勘部門通過地質(zhì)勘探確定單井回灌量，根據(jù)用水量和抽灌比即可確定回灌井?dāng)?shù)；c）水溫，由于水溫不同，同樣的機(jī)組提供的冷量和熱量也不同，可作為機(jī)房設(shè)計(jì)依據(jù)；d）動(dòng)水位深度，地下水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與地下水的動(dòng)水位深度有很大的關(guān)系。根據(jù)這個(gè)深度以及室外管網(wǎng)的水力計(jì)算，可確定潛水泵揚(yáng)程（水泵揚(yáng)程=井內(nèi)動(dòng)水水位到機(jī)房地面高度+管道阻力+設(shè)備阻力），如地下水位較低，不僅成井的費(fèi)用增加，水泵運(yùn)行能耗也將大大降低系統(tǒng)的效率，使得節(jié)能效果大打折扣[4]；e）井水水質(zhì)，確定是否直接利用地下水[5]，為機(jī)房設(shè)計(jì)提供依據(jù)，如表3所示。

表3 根據(jù)礦化度確定是地下水利用方式

表1 不同條件下的地下水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

注：單位容積水中所含各種離子、分子、化合物的總量稱為礦化度。

2）嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行水源井施工

設(shè)計(jì)、施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范GB50027》、《供水管井技術(shù)規(guī)范GB50296》、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366》進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。全面提高暖通技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)，使其配合密切。建議成井單位配合暖通設(shè)計(jì)師完成熱源井設(shè)計(jì)，由水利管理部門監(jiān)督成水源井的施工。

3）加強(qiáng)相關(guān)部門管理、研究力度

由于地下水源熱泵系統(tǒng)存在回灌困難的客觀事實(shí)，可能會(huì)對下水資源造成破壞，這應(yīng)引起相關(guān)主管部門的足夠重視，加強(qiáng)對地下水源熱泵系統(tǒng)的抽灌監(jiān)察，并形成有效的管理機(jī)制。建議江西地區(qū)的高校、設(shè)計(jì)院和地勘部門聯(lián)合起來，對本地已建地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤研究，盡快制定江西地區(qū)的地下水源熱泵設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行實(shí)施細(xì)則，引導(dǎo)這項(xiàng)技術(shù)朝著可持續(xù)方向發(fā)展。

4結(jié)束語

本文針對地下水源熱泵在實(shí)際工程的應(yīng)用中存在的問題，如受水文地質(zhì)條件的制約，監(jiān)督管理匱乏，井的老化和回灌困難等，提出了相應(yīng)的解決措施。

1）針對各地區(qū)的不同地質(zhì)情況，做好水文地質(zhì)勘探，合理開發(fā)利用地下水資源；

2）控制成井質(zhì)量，因地制宜地采取適宜的回灌和回?fù)P方法，保證抽灌比，減少因回灌問題造成的地下水位下降、地質(zhì)沉降等地質(zhì)破壞；

3）加強(qiáng)管理部門的監(jiān)督力度，從工程設(shè)計(jì)到成井施工再到對地下水的抽灌全過程進(jìn)行監(jiān)督檢查，使地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用更規(guī)范、更可靠。