摘要：浅层地热能是一种可再生且环保清洁的新能源，其应用对地质条件有一定的要求。本文从水文地质条件、浅层地温场特征、经济效益等方面分析了河南地下水源热泵应用的适宜性，研究了热泵运行对地下水环境的影响，认为地下水源热泵应用效果较好，经济社会效益明显，因此适宜推广应用，为城市地下水源热泵发展应用提供了依据。
关键词：地下水源；热泵系统；模拟分析
地下水源热泵系统（GWHP）作为地源热泵系统的一种，是以地下水作为低位热源，并利用热泵技术，通过少量的高位电能输入，实现冷热量由低位能向高位能的转移，从而达到为使用对象供热或供冷的一种系统，已得到广泛的使用。地下水源热泵系统运行期间，在复杂地下水抽-灌作用下，原有的地下水渗流场和温度场特征将发生变化，重者会发生冷热贯通现象；对于长期运行的冷热负荷差异较大的工程热泵系统，将在回灌目标含水层中形成所谓的“热堆积”和“冷窟”，严重影响地下水源热泵系统运行效果。
1安阳地质概况
安阳，简称殷、邺，是河南省下辖地级市，位于河南省最北部，地处山西、河北、河南三省交汇处，西倚太行山，东连华北平原，北邻邯郸，南接鹤壁、新乡。卫河是海河主要支流之一，发源于山西，流域面积约二万多km2，占全省面积的八分之一，其支流很多，较大的有安阳河和淇河等。地温异常主要受新生界厚度和地质构造控制，安阳市周边区域总的特点是地温异常，高低相间，呈带状展布，异常带延伸方向以北北东--北东向为主。地温梯度大部分为 2.5-3.0℃/100 m，1000m 及 2000 m 深度分别为 30℃-50℃和 55℃以上。另外，在一些断裂附近出现的地温异常主要是由断裂导热造成的。该区热储层主要有 3 层，一层为新近系明化镇组底部和馆陶组组成的裂断隙含水层，第二层为古近系裂隙含水层，另一层为下古生界和中上元古界组成的基底碳酸盐岩岩溶裂含水层。其中新近系热储层发育良好，遍布全区，水量丰富，水质好，埋深适中，易于开发。同时，安阳市地处北暖温带，属大陆性季风气候、四季分明，气候适宜。总体气候特点是春旱少雨，回暖快；夏季炎热多雨，且雨量集中；冬季寒冷少雨雪。安阳站最大年降水量 1159 mm（1963 年）、最小年降水量仅为267 mm（1965 年），多年平均降水量 584.82 mm。另外年内降水量分配不均，一般多集中在 7、8。9 月份，其降水量占全年降水量的 55%左右。2010年 6 月至 9 月降水相对集中，占全年降水量的 85.9%；2010 年降水量较上年增加了 8.0%，其中 7-9 月降水量增加较为明显。由于安阳西邻太行山，东接华北平原，地势西高东低、南北高中间低。地貌类型按成因、形态差异可分剥蚀岗丘和洹河冲洪积扇。地表水属海河流域南运河水系，主要河流有洹河、漳河、洪河、羑河。人工渠道有漳南渠、万金渠等。所以说安阳地下水资源丰富。研究区内地下水主要是松散岩类孔隙含水系统，包括为浅层、中深层、深层3层。浅层含水岩组主要由粗砂、砂卵石、砂砾石组成，埋深10～80m，最深达90m；中深层含水岩组主要由砂、砂砾石组成，埋深100～250m；深层含水岩组主要由细砂、中砂、粗砂含砾组成，埋深超过300m。其中，浅层地下水含水岩组水量充沛，是河南省工农生产、生活用水的主要开采层。安阳地热水主要开采的是新近系和古近系含水层中的水，地下水处于相对封闭状态，地下水质主要受含水层本身的影响，受外界及上覆含水层的水质的影响较小 。从 2006 年到 2011 年地热井水质监测资料看，地热水的 PH、总硬度、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、氨氮及细菌总数呈逐年增加状态，这是受地下水位的下降，取水含水层段的变化影响而造成的。
2 模拟条件及参数
2.1 模拟软件
应用HST3D软件进行水热模拟分析。HST3D包容了含水层中水流、热流、溶质运移的耦合数值算法，且对井孔局部渗流建立了比常规模型更精细和准确的计算方法。
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2.2 地层概化
由于模拟条件的限制，对钻孔揭露地层进行合并概化，考虑到薄层中砂对单孔供水能力提升有限，将部分薄层砂层与粘土层合并。垂向上概化为4层，从上到下依次为砂砾石层、粘土层、中砂层、粘土层，厚度分别为63.0、56.0、20.0、10.0m。根据钻孔实际情况，表层砂砾石层18.0m以上位置开采井管为实管，18.0-63.0为花管；63.0-120.0位实管，120.0-140.0为花管；140.0-150.0m为实管及沉淀管。各层参数设置均有所区别。
2.3 概念模型与边界条件
根据钻孔揭露资料，场地地层自上而下依次为砂卵石层、含砾中砂层、粘土层、砂卵石层、粘土层、含砾中砂层、粘土层、含砾中砂层、粘土层、中砂层和粘土层。整体上看场地横向和纵向上地层厚度及埋深均稍有变化。但考虑到场地处于河漫滩区，且场地面积较小仅10000m2模拟区设定为规则的矩形水文地质单元，为松散岩类孔隙水，含水层均质水平无限延展。根据岩性及水文地质条件，上、下边界设为隔水层，无越流。四周边界为定水头及定温度边界，且假设工程运行过程中抽出的水全部回灌到含水层中。
2.4 模拟参数
根据生产井的分布、抽水试验的影响半径。模拟范围定为800m×800m。采用HST3D软件中的Floeheat模块进行模拟，将模型在平面上进行20m×20m的等距网格剖分，垂向上划分为5个节点，即4层。采用经验参数，利用反演求参的方法，经不断校正。
3 优化运行策略
根据机组容量、在相同机组容量下的两台压缩机的不同容量组合和负荷侧进机组水温对机组能效的影响规律，可提出如下的优化运行策略：1）负荷侧进机组水温受机组加载与卸载的影响较大，应依据房间温度控制机组的加载与卸载。当房间温度高于（低于）设计范围的上限值（下限值）时控制机组卸载（加载）。2）对于有着两台压缩机的机组COP随其容量单调变化的机组，设置两台压缩机卸载顺序为：100%+100%→100%+75%→75%+75%→75%+50%→100%+0%→75%+0%→50%+0%→关机。机组加载的顺序为卸载顺序的反方向。根据表5显示的测试结果，这样的卸载/加载顺序时的机组耗功率为1443.5kW。而当机组卸载/加载顺序中将75%+75%换成100%+50%和将100%+0%替换成50%+50%时，机组耗功率为1503.5kw，因此刖者比后者节电约4.2%。实际运行中，应选择机组能效高、耗功率低的压缩机容量组合方式。
河南地下水水源热泵系统的适宜性分区如下：1）适宜区：浅层含水层富水性强，中深含水层富水性强，回灌能力较强，适宜地下水源热泵利用技术。2）较适宜区：主要分布于平原区，浅层含水层富水性中等，中深含水层富中等，回灌能力一般，较适宜地下水源热泵技术的应用3）较不适宜区：分布于低山丘陵基岩山区，含水层富水性和回灌能力极不均匀，地下水源热泵系统利用难度大。
总结：河南的地下水资源丰富，其水文、地质条件都较适合发展地下水源热泵技术，但由于不同城区的地下水水位差异较大，使其节能效果存在较大差别。我们应因地制宜，选择合适的方式使地下水资源造福我们人类。同时，使人类和大自然可以和谐相处。
参考文献：
[1]倪龙，马最良/地下水源热泵的研究现状与进展[J].建筑热能通风空调，2004（23）.
[2]田良河，刘新号等.郑州市地下水源热泵应用适宜性与环境影响分析[J].郑州市地下水源热泵应用适宜性与环境影响分析，2011（11）.
[3]王涛.宁夏沿黄河经济带重点城市浅层地热能利用适宜性评价研究[D].西安：长安大学.2011.
论文作者:张五星
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/10
标签：地下水论文; 含水层论文; 机组论文; 安阳论文; 降水量论文; 源热泵论文; 粘土论文; 《基层建设》2017年第15期论文;