利用水源熱泵開來淺層地熱能技術(shù)需要解決的問題

客觀地說,地下水源熱泵采能技術(shù)自在我國推廣應(yīng)用以來,所產(chǎn)生經(jīng)濟社會效益是相當可觀的,應(yīng)該給予充分的肯定。但是,在該項技術(shù)基礎(chǔ)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(jīng)濟、及可持續(xù)發(fā)展的問題,主要包括以下幾個方面。

　　缺乏系統(tǒng)、長遠的總體規(guī)劃和規(guī)范化管理

　　目前,國內(nèi)尚無一座城市在淺層地熱能開發(fā)利用方面制定過一份系統(tǒng)的、長遠的總體規(guī)劃,也沒有哪個地區(qū)頒布過關(guān)于該行業(yè)管理的法律、法規(guī),或是制定過具有較強約束力的相關(guān)政策。由于這方面工作的欠缺,我國淺層地熱能開發(fā)利用行業(yè)一直沒有得到統(tǒng)一、規(guī)范的管理,行業(yè)市場至今也未步入有序、和可持續(xù)發(fā)展的軌道。以北京市為例,由于缺乏總體規(guī)劃和規(guī)范化的管理,全市的地下水源熱泵采能工程出現(xiàn)一種遍地開花、隨』臼所欲的局面,從而導(dǎo)致某些地區(qū)的工程密度過大,某些工程因規(guī)模偏大而效率低下,甚至在某些水文地質(zhì)條件不適宜的地區(qū)也興建了許多工程。

　　缺乏具有現(xiàn)實指導(dǎo)價值的相關(guān)技術(shù)規(guī)范或

　　淺層地熱能開發(fā)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和行業(yè)準則,是淺層地熱能經(jīng)濟開發(fā)、及可持續(xù)利用的重要參考依據(jù),也是實際熱泵采能工程合理建設(shè)和運行的重要技術(shù)保障。在我國,由于相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)研究相對滯后,至今尚未制定和出臺相關(guān)技術(shù)規(guī)范,對地下水源熱泵采能的推廣應(yīng)用加以約束和規(guī)范,致使工程審批過程中沒有充分的依據(jù)可循,過多地憑借主觀經(jīng)驗,終導(dǎo)致監(jiān)管力度不足，設(shè)計不合理,超出了回灌層單井回灌的大限度;二是由于懸浮顆粒、微生物、氣泡、結(jié)垢等多方面原因,造成的回灌井堵塞及回灌井周圍區(qū)域滲透率下降。

　　系統(tǒng)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(xiàn)該問題的主要原因是地下水抽、灌系統(tǒng)設(shè)計不合理或(和)工程的建設(shè)規(guī)模偏大。由于淺部含水層中的熱能密度較低,如果設(shè)計的冷、熱負荷較大,地下水的抽、灌量必需達到相當大的規(guī)模,致使地下水集中抽、灌區(qū)的水動力條件相當活躍;限于工程的經(jīng)濟投人和建筑物場地條件等因素的制約,抽、灌井(段)的設(shè)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(nèi)必然發(fā)生熱突破現(xiàn)象,導(dǎo)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(xù)下降,電能消耗量大幅增加,不符合地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)和淺層地熱能經(jīng)濟開發(fā)的初衷。

　　相關(guān)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(shù)推廣應(yīng)用的初期,由于我國未能確實做到科研先行、研究與生產(chǎn)并重,致使人們對該項新生事物的適用性及其開發(fā)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(jīng)濟效益,未能從經(jīng)濟、和系統(tǒng)穩(wěn)定的角度對工程靶區(qū)條件、地下水抽、灌模式及生產(chǎn)井布局等許多關(guān)鍵因素進行充分論證和深入研究,從而導(dǎo)致為數(shù)不少的工程存在系統(tǒng)效率低和地下水回灌率低的“兩低”問題。

　　據(jù)近的調(diào)查和估算資料,北京市地下水源熱泵采能系統(tǒng)的平均回灌率僅為60%一70%左右。出現(xiàn)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(shù)已在許多國家得到推廣應(yīng)用,但在大多數(shù)國家尚未獲得建設(shè)許可。其主要原因是政府擔心該項技術(shù)的應(yīng)用會對周圍環(huán)境(尤其是地下水環(huán)境)產(chǎn)生較大的負面影響。即便是歐美等一些地下水源熱泵技術(shù)較為普及的國家,其在該技術(shù)的實際應(yīng)用過程中也非常慎重。

　　從目前地下水源熱泵系統(tǒng)的運行特點來看,地下水源熱泵采能工程對地下水水質(zhì)產(chǎn)生的不利影響,主要體現(xiàn)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(qū)域,由于水文地質(zhì)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(shè)計的取水和回灌要求。目前,我國許多城市局部地區(qū)的淺層地下水已遭受不同程度的污染,水質(zhì)相對較差。若在污染較重、水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)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(tǒng)的運行特點,生產(chǎn)井很容易出現(xiàn)結(jié)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(zhì)造成嚴重的影響。此外,由于管井腐蝕所產(chǎn)生的污染物,也將對地下水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響;(3)水化學(xué)組分濃度的變化。地下水源熱泵采能系統(tǒng)冬季與夏季的回灌水溫相差一般在15℃左右,某些系統(tǒng)可高達20℃。這種周期性的大幅度溫度波動,容易導(dǎo)致地下含水層中水化學(xué)組分的顯著變化。根據(jù)湖南省某地下水源熱泵采能工程的近期水質(zhì)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(xué)成分變化不是普遍現(xiàn)象,但可以證明地下水源熱泵采能系統(tǒng)對地下水水質(zhì)的影響是確實存在的。

　　缺乏水溫和水質(zhì)方面的動態(tài)監(jiān)測

　　利用熱泵技術(shù)進行地下含水層采能,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(tǒng)運行過程中,當抽水井(段)發(fā)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(tǒng)的工效和使用壽命;并且,地下水集中抽灌區(qū)溫度場的持續(xù)、快速變化也將加速生產(chǎn)井結(jié)垢和井堵問題的發(fā)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(xué)組分濃度的顯著變化,對含水層水質(zhì)及周圍生態(tài)環(huán)境造成一定的不利影響。前已述及,地下水源熱泵采能系統(tǒng)的混層抽、灌及洗井,也將對局部地下含水層水質(zhì)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計目的,還是為了加強地下水環(huán)境的保護,都應(yīng)加強地下水溫度和水質(zhì)的監(jiān)測工作。

　　到目前為止,除極少數(shù)專門為研究目的而建設(shè)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)外,我國絕大部分的地下水源熱泵采能工程都未建設(shè)水溫和水質(zhì)方面的監(jiān)測系統(tǒng)。

　　由于缺乏相應(yīng)的長期觀測數(shù)據(jù),一方面無法及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)我國淺層地熱能開發(fā)利用行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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