利用水源熱泵開來淺層地熱能技術需要解決的問題

  客觀地說,地下水源熱泵采能技術自在我國推廣應用以來,所產生經濟社會效益是相當可觀的,應該給予充分的肯定。但是,在該項技術基礎研究工作和市場推廣方面,也存在諸多的問題,需要加以重視。目前,制約我國淺層地熱能經濟、高效及可持續發展的問題,主要包括以下幾個方面。

 

  缺乏系統、長遠的總體規劃和規范化管理

 

  目前,國內尚無一座城市在淺層地熱能開發利用方面制定過一份系統的、長遠的總體規劃,也沒有哪個地區頒布過關于該行業管理的法律、法規,或是制定過具有較強約束力的相關政策。由于這方面工作的欠缺,我國淺層地熱能開發利用行業一直沒有得到統一、規范的管理,行業市場至今也未步入有序、高效和可持續發展的軌道。以北京市為例,由于缺乏總體規劃和規范化的管理,全市的地下水源熱泵采能工程出現一種遍地開花、隨』臼所欲的局面,從而導致某些地區的工程密度過大,某些工程因規模偏大而效率低下,甚至在某些水文地質條件不適宜的地區也興建了許多工程。

 

  缺乏具有現實指導價值的相關技術規范或

 

  淺層地熱能開發相關技術規范和行業準則,是淺層地熱能經濟開發、高效及可持續利用的重要參考依據,也是實際熱泵采能工程合理建設和高效運行的重要技術保障。在我國,由于相關技術和基礎研究相對滯后,至今尚未制定和出臺相關技術規范,對地下水源熱泵采能的推廣應用加以約束和規范,致使工程審批過程中沒有充分的依據可循,過多地憑借主觀經驗,最終導致監管力度不足，設計不合理,超出了回灌層單井回灌的最大限度;二是由于懸浮顆粒、微生物、氣泡、結垢等多方面原因,造成的回灌井堵塞及回灌井周圍區域滲透率下降。

 

  系統運行效率低下是我國地下水源熱泵采能工程中另一個主要問題。出現該問題的主要原因是地下水抽、灌系統設計不合理或(和)工程的建設規模偏大。由于淺部含水層中的熱能密度較低,如果設計的冷、熱負荷較大,地下水的抽、灌量必需達到相當大的規模,致使地下水集中抽、灌區的水動力條件相當活躍;限于工程的經濟投人和建筑物場地條件等因素的制約,抽、灌井(段)的設計間距通常較小。由于上述兩方面的原因,抽水井(段)在短時間內必然發生熱突破現象,導致抽水井(段)在運行期的溫度變化過快,能有效利用的溫度差越來越小,熱泵機組工效持續下降,電能消耗量大幅增加,不符合地下水源熱泵空調系統建設和淺層地熱能經濟開發的初衷。

 

  相關研究工作不足,工程存在“兩低”問題

 

  在地下水源熱泵采能技術推廣應用的初期,由于我國未能確實做到科研先行、研究與生產并重,致使人們對該項新生事物的適用性及其開發潛力等諸多方面認識不足。加上某些施工單位一味追求自身經濟效益,未能從經濟、高效和系統穩定的角度對工程靶區條件、地下水抽、灌模式及生產井布局等許多關鍵因素進行充分論證和深入研究,從而導致為數不少的工程存在系統效率低和地下水回灌率低的“兩低”問題。

 

  據最近的調查和估算資料,北京市地下水源熱泵采能系統的平均回灌率僅為60%一70%左右。出現回灌率低的問題主要有兩方面原因:一是所選場地的天然滲透性較差,加上回灌方式、單井回灌量。

  雖然地下水源熱泵采能技術已在許多國家得到推廣應用,但在大多數國家尚未獲得建設許可。其主要原因是政府擔心該項技術的應用會對周圍環境(尤其是地下水環境)產生較大的負面影響。即便是歐美等一些地下水源熱泵技術較為普及的國家,其在該技術的實際應用過程中也非常慎重。

 

  從目前地下水源熱泵系統的運行特點來看,地下水源熱泵采能工程對地下水水質產生的不利影響,主要體現在以下幾個方面:(l)地下水混采污染問題。地下水源熱泵采能多利用淺層地下水。在某些區域,由于水文地質條件較差,缺乏具有一定厚度和良好滲透性的淺部含水層,往往需要同時利用多個較薄的含水層才可達到設計的取水和回灌要求。目前,我國許多城市局部地區的淺層地下水已遭受不同程度的污染,水質相對較差。若在污染較重、水文地質條件較差的地區興建采能工程,這種多層混合開采和回灌的方式,容易加速下部含水層的污染;(2)洗井污染問題。鑒于地下水源熱泵采能系統的運行特點,生產井很容易出現結垢問題,進而影響地下水的抽取和回灌。為此,需要定期利用稀鹽酸或稀硫酸進行洗井。在每次洗井的過程中,都會在含水層中殘留大量酸液,進而對周圍地下水的水質造成嚴重的影響。此外,由于管井腐蝕所產生的污染物,也將對地下水質產生一定的影響;(3)水化學組分濃度的變化。地下水源熱泵采能系統冬季與夏季的回灌水溫相差一般在15℃左右,某些系統可高達20℃。這種周期性的大幅度溫度波動,容易導致地下含水層中水化學組分的顯著變化。根據湖南省某地下水源熱泵采能工程的近期水質觀測和分析資料岡,在夏季運行期,地下水中的Ca2+和50廣的含量顯著增加,總鐵增加了10多倍。盡管上述水化學成分變化不是普遍現象,但可以證明地下水源熱泵采能系統對地下水水質的影響是確實存在的。

 

  缺乏水溫和水質方面的動態監測

 

  利用熱泵技術進行地下含水層采能,最直接的影響就是局部含水層中溫度場的變化。對于地下水源熱泵采能工程而言,在系統運行過程中,當抽水井(段)發生熱突破之后,如果其溫度變化過快、變幅過大,將直接影響到采能系統的工效和使用壽命;并且,地下水集中抽灌區溫度場的持續、快速變化也將加速生產井結垢和井堵問題的發生,進而增加工程的維護費用;此外,地下水溫度場的急劇變化,也可能造成地下水化學組分濃度的顯著變化,對含水層水質及周圍生態環境造成一定的不利影響。前已述及,地下水源熱泵采能系統的混層抽、灌及洗井,也將對局部地下含水層水質造成一定的負面影響。因此,無論是出于地下水源熱泵采能系統優化設計目的,還是為了加強地下水環境的保護,都應加強地下水溫度和水質的監測工作。

 

  到目前為止,除極少數專門為研究目的而建設的地下水監測系統外,我國絕大部分的地下水源熱泵采能工程都未建設水溫和水質方面的監測系統。

 

  由于缺乏相應的長期觀測數據,一方面無法及時發現某些具體工程中存在的問題,并及時采取有效的解決措施;另一方面也不利于開展某些深入研究工作,及早日實現我國淺層地熱能開發利用行業的健康、可持續發展。