淺層地能（熱）開發利用中值得注意的問題

  地表水（江、河、湖、海等）、空氣、城市污水、電廠循環冷卻水等低品位熱源都很方便被采集，供熱泵提升后為建筑物供暖（冷）。地表水低溫能量的采集雖然很方便，但受氣候的影響，溫度變化很大，特別是北方寒冷地區．水溫和氣溫很低，能量采集必須考慮結冰防凍問題，同時由于溫度過低，熱泵系統的能效比(COP值)降低并同時影響其額定熱輸出功率。
 
  淺層地能（熱）（地下水和土壤）的能量采集雖然不如前者來的方便，但是其低溫能量相對很穩定，溫度水平略高于當地氣候的年平均溫度，春夏秋冬基本恒定，只要能量采集的工藝手段恰當合理，熱泵系統的能量平衡是相對穩定的。
 
  淺層地能（熱）開發利用應注意如下一些問題。
 
  （一）淺層低溫地能（熱）是建筑物供暖f冷）能源的最佳選擇。
 
  淺層地能（熱）一般溫度相對恒定《25℃)，經過熱泵提升至建筑物供暖需要的溫度（一般50-60℃），熱泵系統能效比很高（一般COP可達3-5），這種能量地下儲量巨大，且可恢復再生，夏季制冷時將熱量排入地下，冬季供暖時在地下取熱，再將冷量排人地下，循環利用。對于無地下水流的水文地質條件它可平衡地下溫度場。淺層地能（熱）熱泵系統可用于建筑物供暖（冷），也可以用于工業生產所需要的冷熱源。淺層地能（熱）在開發利用中重點應放在建筑物的供暖（冷）方面。
 
  在工業發達的國家中，建筑物是能源消耗的大用戶。隨著經濟的發展，人們生活品質的提高和對舒適生活環境的追求，建筑物的能源消耗比例也逐漸加大。以20世紀80年代美國為例，建筑物（包括住宅和商業樓）消耗的能量占總耗能量的33.6%。其中用于采暖達53.3%（相當于總耗能量的17.9%），熱水耗能量12%（相當于總能耗的4%），空調耗能量7.4%（相當于總能耗的2.5%），制冷6.5%（相當于總能耗的2.2%），其他20.8%（相當于總能耗的7%），也就是說，建筑中約有80%的耗能量（相當于總耗能的26.6%）  用于采暖、空調和生活熱水供應。90年代瑞典建筑物的能耗已占全國總能耗的45%。因此，建筑物選用合理的供熱系統，對節省能耗意義重大。
 
  淺層地能（熱）的熱泵供暖（冷）系統，不僅能源利用是高效的（一般用l kW的電，采集3 kW淺層地能，為建筑物提供4 kW的熱功率），而且，在整個供暖（冷）過程中，無任何氣態、液態和固態排放物，實現使用區域的零污染。這種可再生的低溫地熱能廣泛應用于建筑供暖（冷）領域，確實是一項重大的能源變革。
 
  （二）保護地下水資源，采用單井抽灌技術。
 
  淺層地能（熱）（地下水、土壤）雖然儲量巨大，四季可再生，但對于具體的地域不同的水文地質條件，其開發利用還是要有選擇的，什么場合適合于淺層地下水低溫能量的采集，什么場合適合于土壤低溫能量的采集，采集的規模多大，用何種方式，開發利用不能過度，否則不僅影響經濟性、安全性，還會造成地下水文地質條件的破壞。
 
  地下水資源的利用——低品位熱采集技術使用和限制的條件可考慮如下幾點：
 
  (1)我國地下水四季溫度不同地區一般為6-24℃，基本保持恒溫（見表2-12）。采用電動壓縮式熱泵，利用地下水的低品位熱源，對建筑物供暖（冷）是十分有價值的，如100 t/l冰利用5℃溫差，經熱泵技術提升后供暖，可提供約700 kW的熱量，這相當于1 t/h鍋爐的供熱量，一個采暖季可替代標準煤325 t（或206 t輕柴油，或25萬m，天然氣）。這是我國解決冬季供暖、夏季制冷的重要節能環保措施，政策上應積極給予支持。
 
  (2)采集地下水低品位熱時，要求做到：只用其熱，不消耗水，用后必須回灌地下。除非有較大需水用戶進行二次利用外（需特批）。
 
  (3)地下水采集井深度應避開地下生活飲用水區（一般在400 m以下）。在地下水有條件的地區應盡可能采用地下百米以內的淺層地下水，作為低品位熱能的采集區。
 
  (4)回灌水盡可能就近回灌。在不影響熱動力工況下，應積極推廣“單井抽灌”技術。
 
  不具備“單井抽灌”條件的可采用雙井，一抽一灌，且回灌井應設置在抽水井的上游區，井位間距離一般應在10-20 m。
 
  (5)地下水采集井、回灌井的井位應遠離城市區域供水站，且應設置在其下游區，間距應大于100 m。
 
  (6)回灌井深度不宜接近地下生活飲水區，一般與抽水井深度相當（同層回灌）。
 
  (7)回灌水必須受監控（具體辦法另定），嚴防被污染，杜絕水資源的浪費和污染，有效合理地利用地下水資源。
 
  (8)采用地下水源熱泵時，水源的選擇條件應為：水量充足，水溫適當，水質良好，供水穩定，易于回灌。具體應考慮：①地下水取水深度多在100 m以內；②各含水層厚度一般應大于5 m;③冬季地下水溫應不低于10℃；④地下水含沙量應不大于1/200 000;③回灌水嚴格控制其水質，基本與抽水水質保持不變，一般水中氧化鈣含量應低于200 mg/L，總礦化度應小于3 g/L，氯離子含量應小于100 mg/L;硫酸根含量應小于200 mg/L，鐵離子含量應小于1 mg/L；硫化氫含量應小于0.5 mg／L。
 
  (9)目前，雖然還沒有回灌水水質的國家標準，但回灌水至少應等于原地下水水質，以保證回灌后不會引起區域性地下水水質污染。因此，應遵守以下條款：①地下水應在封閉系統中輸送；②熱泵空調系統中與地下水接觸的部件應采用耐腐蝕材料制造；③取水管路上和回灌水管路上應裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；④定期對地下水進行化驗，并將化驗結果報送有關部門備案；⑤如發現地下井水異常，特別是水中出現化學物質或其他無關物質時，應及時與有關部門聯系，并采取措施。
 
  (10)地下水回灌的方法有三種，即真空回灌、重力（自流）回灌和壓力回灌。
 
  ①真空回灌。真空回灌是利用頗低的靜水位(低于地面10 m)形成真空進行回灌，含水層滲透性要良好。由于回灌時，對井的濾水層沖擊力不強，所以很適用于老井。采用真空回灌，對于顆粒含水層，回灌量一般為取水量的1/3 - 1/2；對于粗顆粒含水層，回灌量可達取水量的1/2 - 2/3。
 
  ②重力回灌。依靠自然重力進行回灌也適用于低水位和滲透性良好的含水層，此法的優點是系統簡單。對于砂卵石含水層，此法的優點是系統簡單。對于砂卵石含水層，其回灌量一般為取水量的50%；對于滲透性好的礫石層來說，回灌量可達取水量的75% -90%。
 
  ③壓力回灌。壓力回灌用于高水位和低滲透性的含水層，其缺點是回灌時對井的濾水層和含水砂層的沖擊力強。
 
  (11)為了預防井管堵塞，及時清除堵塞含水層和井管的雜質，在進行回灌以后，經常開泵，排除回灌井水中的堵塞物，即進行回揚。回灌并的回揚次數和回揚持續時間，主要取決于含水層顆粒大小和滲透性。在巖溶裂隙含水層中的回灌井，長期不回揚，回灌能力仍能維持不變；在松散粗大顆粒含水層中的回灌井，每周回揚1-2次；在中、細顆粒含水層中的回灌并，回揚間隔應進一步縮短；而對于細顆粒含水層中的回灌井來說，經常回揚尤為重要。
 
  (12)盡可能加大使用溫差，減少地下水用量，并降低輸送動力。
 
  （三）與高舒適度低能耗建筑配用，合理的運行設置至關重要。
 
  淺層地能（熱）開發利用于建筑供暖（冷）是建筑供暖（冷）能源上的革命，但為使其高效安全經濟運行，降低初始投資，提高使用壽命期的投資回報率，使其為社會認可，使用者易接受。這項技術在推廣使用的同時必須與建筑節能技術相結合，在節能建筑上的應用  會產生更大的效益。
 
  目前我國能耗消耗總量每年達13億t標準煤，已占世界第二位，其中城市建筑能耗占1/5-1/4.但是；我國建筑單位面積能耗_仍是氣候相近的發達國家的3-5倍，建筑能耗大是十分嚴重的。目前歐洲低能耗建筑執行的標準（建筑熱指標）為15 - 25 W/m2。
 
  我國1996年7月1日施行的“民用建筑節能設計規范”規定采暖熱指標為20 - 22.7W／平方米。高舒適度建筑是指建筑物室內自由溫度冬季約16℃、夏季約27℃。
 
  建筑物室內自由溫度冬夏控制在一定范圍內即可，不必將冬季室內控制溫度設定過高，夏季設置過低，這樣冬季可大幅度節約供暖能源，夏季減少用電峰值的同時，又防止了因室內外溫差過大而感冒。家庭生活的點滴習慣背后，隱藏著驚人的電力消耗。就拿夏季空調來說，居民家用空調能耗在城市夏季用電中的比重一般達到15%左右，以北京為例，全市空調普及率為70%，居民空調裝機容量約占全市最大供電負荷的17%。空調的設置溫度不宜過低，最高設定為27-28℃。冬季、夏季室內溫度每調低、調高1-2℃，其功率消耗將下降5% - 10%。全國13億人口，平均每人每天節約1 kWh電，一年下來就會少燒2億多盹原煤。對節能建筑，淺層地能（熱）熱泵供暖（冷）合理的運行是十分重要的，這不僅僅是節約能源，還使淺層地能采集產生更大效益，降低成本，更有競爭力。
 
  實現高舒適度低能耗建筑的具體措施如下：
 
  (1)墻體、屋面圍護結構的保溫，使傳熱系數降至0.2-0.3 W/(m2．K)；(2)有效遮陽措施：
 
  (3)優良窗性能（合理的采光面積，良好的密閉性）；(4)采用LOW-E玻璃；(5)匹配的采暖空調系統（如淺層地能熱泵系統）；(6)網層隱蔽節水型排水系統等。
 
  （四）淺層地能（熱）的采集規模設計應與建筑物供暖（冷）面積（冷熱負荷）相匹配。
 
  我們知道，土壤、砂石、巖石及地下水的導熱能力很差（A黃土=1.41，λ砂巖=2.0，λ回填砂-2.2，λx=0.5，λ水=0.6，λ混凝土=0.75 - 0.8，λ金屬=2.2 - 420，λ銅=386 W/( m'℃)，如果不考慮如下因素：①地下水滲流的影響；②地下土壤對流和輻射的傳熱；③地下水文地質的特殊構成的影響。僅考慮熱傳導的話，地下低溫能量的傳送是很慢的，也就是說，地下具有一定儲熱、儲冷能力，熱泵夏季供冷時把熱量送人地下，冬季利用可儲存的熱量提升后為建筑物供暖，而把冷量送入地下儲存起來。當然，如果考慮上述三個因素后，地下儲能在冬夏都有流失。
 
  另一方面，打井取地下水的低溫能量和打豎孔用埋管取土壤砂石的低溫能量，對一個單元體來說，兩者的能量采集是有差別的。前者取決于地下水量和水溫，一般打一口井可采集的熱量和對應的供暖面積參考值如表2-13所示。
 
  地下含水層滲透系數K( m/d)和井的出水量有密切關系，在不同的地下水文地質條件下，滲透系數各不相同，一般K>10稱強透水性；K=1-10稱透水性；K=0.01-1稱半透水性；K= 0.01-0.001稱弱透水性；K<O.O01為不透水性。一般從淺層地能（熱）采集角度，我們希望地下水的滲透系數K>5，處于富水區，每小時每米降深可提供3.6m3以上的水量，當K= 10時，可提供地下水量達18 立方米/(h' m)。按5m降深取水，出水量可達每小時90 立方米。
 
  工程設計中，取水井離需供暖的建筑物不宜過遠，一般超過10 m即可。根據供暖面積和制熱負荷及冬季地下水溫狀況確定打并的數量，通常每口井的出水量（對于富水區）在60 - 200  立方米／h范圍供選用。對于萬平方米建筑供暖一般打1-2口井即可，對于大型建筑群供暖，需要打多口井，項目設計中可以采用兩種方案，視具體情況而定。
 
  (1)多井聯網，集中機房，樓群統一供暖；(2)單井與建筑直聯，分散機房，單元分散供暖。
 
  打多井時，井間布置應垂直地下水滲流方向，井間距至少應保持10 m以上。
 
  淺層地能，土壤取熱所采集的能量比有地下水的地方差的很多，一般鉆一個100 m以內的孔僅靠土壤巖石的換熱可采集的熱功率為2.5-3.5 kW。土壤豎孔單元體內儲存的低溫能量有限，在地下深100 m，井的影響區按國外數據6m直徑計算，該圓柱體積儲存的可采集的（5℃溫差）低溫熱量為4 100萬kj(相當于1.4 t標準煤)，若每個豎孔的熱采集功率為3 kW，儲存地下這部分的熱量可維持158天，即滿足一般北方城市4個多月的采暖需求。若井的影響區按國內某些院校的數據3m直徑計算，該體積內儲存的可采集（5℃溫差）的低溫熱量為1 034萬kJ相當于354 kg標準煤），同樣每個單元豎孔熱采集功率為3 kW時，它僅能維持40天的供暖需求，看來豎孔間距3m偏小，至少Sm以上的間距才能基本滿足需要。以上是簡單的估算，有待試驗進一步驗證。
 
  （五）淺層地能（熱）的能量采集是熱泵供暖系統的關鍵。
 
  在工程配套設計施工中不僅要從能量的穩定、合理的采集考慮，還要特別注意環境效益，不污染地下水，不破壞地下地質結構，保護地下水資源，具體考慮如下：
 
  (1)熱泵供暖系統用地下水采集其淺層地能（熱）時，應遵循如下原則：①積極支持淺層地能（熱）可再生能源的采集開發和利用；②打井深度限制在地表淺層400 m以內，遠離400 m以下的國家二級水質區域，保護生活飲水區，根據具體的水文地質條件確定打井深度，一般在100 m以內（地下水受污染層）；③只用其熱，不耗其水，用熱后必須全部回灌，并監控回灌的實施；④對于一抽一灌、一抽多灌的雙井和多井要嚴格審批，限制打井數量；⑤井間距和井與建筑物的相對位置要合理；⑥井位要遠離城市供水站；⑦能打少井不打多井，地下水不可過度開采；③系統采用大溫差小流量，以降低動力消耗等。
 
  (2)積極推廣單并抽灌技術，水系統封閉回路運行，回灌水質對地下水未構成污染，平衡地下水位，防止移砂、抽空和淤塞。
 
  (3)無論何種方式回灌水的水質、水溫必須監控，回灌水水質至少應與原采集地下水的水質相當，并定期化驗。
 
  (4)淺層土壤低溫熱量采集，豎孔深度、數量、孔間距應根據具體地域、土壤結構、所需負荷大小來確定：①一般每個豎孔低溫土壤熱采集量為2.5-3.5 kW，孑L間距以保持S m以上為宜；②土壤埋管采用U形高密度PEX管，地下應無接頭，若采用鋼制套管式換熱器，要考慮防腐；③豎孔孔徑不宜過大（用U形管換熱器一般Φ150即可，若用套管式換熱器，孔徑一般小于400 mm)；④豎孔土壤埋管周圍回填料應按一定比例粒徑特殊制作，以強化與土壤接觸邊界層換熱的能力，可以做到導熱系數比土壤大1倍左右；⑤考慮投資成本和占地面積、土壤取熱的熱泵供暖系統更適合于小型建筑面積，一般以1 000 平方米以下為宜。