水源热泵原理

地下水源热泵的特点和地下工程问题

1. 地下水源热泵的工作原理

地下水源热泵系统是一种新型节能环保空调系统，利用地下水温度稳定的特点，抽取地下水到地面以上，与建筑物内的空气进行热交换，然后再回灌到含水层，形成循环，因此又被称为开放式循环系统 (Open loop system[1])。与深层地热开发不同，地下水源热泵主要开发埋深在200 m以内的浅部含水层，相对运行成本较低。空气热泵、地表水热泵和土壤热泵的媒质温度随季节变化强烈，而地下水温度十分稳定，因此地下水源热泵具有更高的热效率，可大大减少燃料或电能消耗。随着全球能源形势日趋紧张，这种节能环保型的空调技术在建筑领域受到推崇，在世界各地被推广应用。

图1 地下水源热泵系统示意图

按照地下水抽取和回灌的井孔组合特征，地下水源热泵系统可分为异井抽灌系统和同井抽灌系统（图1），其中采用较多的是异井抽灌系统。对于异井抽灌系统，回灌井和抽水井可以轮换，即如果夏季是开采井，冬季可变为抽水井。另外有一种单井抽灌的热泵系统，是把冬季的低温水注入含水层保存（并不抽取地下水），然后夏季在同一口井中抽取贮存的低温水以降低建筑物室内温度（并不回灌）。这种冬灌夏抽或夏灌冬抽的热泵系统又被称为含水层贮能

[2](Aquifer Thermal Energy Storage)系统。地下水源热泵系统和含水层贮能系统并不是要直接利用地热能，而是把含水层作为天然的保温箱，进行地表热能的时空调节。

反映热泵系统节能程度的指标是效率系数COP(Coefficient of Performance)，其表达式为

COP＝热交换量/能耗＝(制冷量或制热量)/设备功率 (1)

COP越大，说明热泵系统越节能。一般空气源热泵的COP为2.2～3.0，而水源热泵的COP可以达到3.5～5.5，比空气源热泵节能40%左右。对于具有固定热负荷的建筑物，使用不同热泵系统消耗的能量具有直接比较意义，但是夏季耗能和冬季耗能存在区别。Willemsem(1998)根据欧美的经验给出了不同热泵不同季节的能耗对比结果[3]（表

1），说明地下水源热泵系统在夏季制冷方面具有更大的节能优势。与传统空调系统相比，地下水源热泵不仅可以减少电力消耗，还可以减少温室气体排放以及制冷剂的消耗，节能和环保优势兼备。

表1 不同热泵系统不同季节的能耗经验值

[3]*

说明：* 假设建筑物冷热负荷均为3600 GJ

2. 发展动态

地下水源热泵是地源热泵系列技术中的一种类型，而地源热泵的研究和应用有近100年的历史。1912年，瑞士人

Zoelly提出“地热源热泵”的概念，为发明地源热泵系统做好了理论准备。但是，直到1945年才在美国印第安纳州诞生了第一台地源热泵装置。1948年，在美国俄勒冈州波特兰市的联邦大厦，第一个完整的地下水源热泵系统正式投入运行。1970年代，欧洲开始推广应用地源热泵，并逐渐形成以地下冷库为特色的地源热泵技术体系。1990年代，包括地下水源热泵在内的地源热泵技术在世界各地快速发展。

美国的地源热泵技术开发早， 但也是在1990年代才开始迅速发展的。美国地源热泵的年增长率在1990年～2000年达到12%，目前大约有60万套，每年新增大约5万套。在美国以及加拿大等北美国家，大型建筑使用地源热泵技术时主要选择地表水源热泵或开放式循环地下水源热泵系统，不过出于对地下水资源的严格保护制度，地下水源热泵的推广受到很大限制，迫使住宅和小型商用建筑主要采用封闭式循环系统(埋管式地源热泵)。

中北欧的荷兰、瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用含水层贮能系统。其中，荷兰(Netherlands)不仅有发达的地下冷库 (Aquifer Cold Storage System)，而且地下水源热泵的回灌技术和监控系统也相当成熟。荷兰修建了200多座含水层季节性贮能系统，主要用于商场、医院和办公建筑，冬季灌入地下的水温一般为6～9 ℃，夏季灌入地下的水温一般为15～25 ℃,单井流量10～250m3/h。这种含水层季节性贮能系统多数都是抽灌井冬夏轮换的地下水源热泵系统。

我国接触含水层贮能技术和地下水源热泵的时间并不晚，也经历了半个多世纪的研究和应用。1950年代，上海、天津等地就开始尝试利用夏抽冬灌的方式形成含水层冷库。天津大学吕灿仁教授带队于1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。1997年，美国能源部和中国科技部签署能源效率及可再生能源合作议定书，“地源热泵”是其中一个重要内容，计划在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商住建筑或工业建筑。与此同时，欧洲的地下水源热泵技术也开始引进到国内。2000年以来，地下水源热泵在以北京为代表的一些城市得到大力推广。北京市主要利用的是埋深40～80m、温度为15 ℃左右的浅层地下水，一套地下水源热泵系统的供热面积多在2万m2以上，例如：2002年亚运村天创世缘大厦的地下水源热泵服务面积达到17 万m2，有3个抽水井，4个回灌井；2004年馨港庄园的供热面积56万m2，抽水井多达32个。

3. 主要地下工程问题

地下水源热泵在技术上是相对成熟的，建筑领域对其地面机组设备、换热效率和经济价值都具有比较一致的认识。但是，地下水源热泵系统的实际推广应用还面临一系列地下工程问题，如果处理不善，可能在长期运行过程中诱发和积累一些对地质环境不利的影响，需要我们慎重对待。只要科学进行地下水源热泵的水力学设计、热力学设计和环境保护设计[5]，再辅之以有效的监管，这些地下工程问题也是可以解决的。

3.1 地下水资源保护问题

在地下水的各种资源属性中，作为饮用水或灌溉水的水源是首要的，这一点对我国北方地区尤为突出。由于地下水源热泵不可避免的对地下水造成了扰动，如何在推广这种技术的同时又不损害地下水资源，是一个首先必须解决的问题。

地下水源热泵的设计首先要保证充分回灌，避免耗费地下水的水量。这种热泵系统的初衷只是把地下水抽到地表进行换热，并不试图耗费地下水的水量，然而一旦回灌不足就会使地下水被消耗，大规模的地下水源热泵工程如果回灌不足可以引发地下水位的持续下降。回灌属于地下水人工补给技术[4]，已有的研究表明，地下水人工补给比地下水的抽取更困难。判断异井抽灌地下水源热泵系统的回灌能力，可以使用单井回灌率作为指标

R=(抽水流量/抽水井数)/(回灌流量/回灌井数) (2)

根据地下水深井回灌的大量经验，R一般只有1/3～2/3。实际单井回灌率R不仅与回灌方式、抽灌井距离、井孔结构和地下水背景埋深等因素有关，而且往往具有随时间衰减的趋势。对于回灌方式，真空回灌或自流回灌适用于地下水埋深较大的情况。如果承压含水层回灌困难，需要进行加压处理，这种加压回灌会增加地下水源热泵的材料和能量耗损。回灌能力随时间下降的原因主要是井壁和井周含水层发生堵塞。确保井孔施工质量、经常洗井回扬、抽灌井轮换等管理手段可以延缓或杜绝堵塞的加重过程。回灌能力衰减是一个较长时间运行才能发现的问题，通过短期的回灌试验难以判断，因此仅仅利用场地施工期间的井孔试验来进行抽灌井设计是不合理的。抽灌井的数量和空间分布必须确保系统能够长期的充分回灌。

地下水源热泵还要避免造成地下水的污染。施工填料、井孔管材的腐蚀、井壁微生物繁殖、加酸洗井等过程可能把一些降低水质的化学物质带入地下水。有些地下水源热泵系统的管路密封不足，加上回扬、负压和沉砂池等因素，会把空气引入地下水，导致地下水具有更强的氧化环境，可能发生不利的化学演变。另外，地下水温度的大幅度变化，也有可能使地下水中某些对温度敏感的化学物质或物理化学反应过程发生变化。小规模的和分散的地下水源热泵一般不会严重影响地下水的水质，但大规模的密集的热泵系统需要注意地下水环境的受害风险。

3.2 热短路问题

抽水井周围地下水温度的稳定性是维持地下水源热泵效能的关键，它应该与地表环境温度保持较大的温差。矛盾之处在于，回灌行为不可避免的会抬高或降低回灌井周围的地下水温度，这种温度的变化将随着时间的推移扩展到抽

水井周围，可能在热泵运行期间导致“热短路”。根据工程经验，抽灌井的温差如果小于5 ℃，地下水源热泵的效能将大大降低，可以作为判断热短路的参考依据。因此，地下水源热泵的设计需要将回灌井对抽灌井的温度影响减小到可接受的水平。

抽灌井之间温度场的形成主要存在3种物理机制：（1）对流传热，即地下水流动时携带热质一起迁移；（2）弥散传热，即地下水流速微观不均匀性引起热质的水动力学弥散；（3）直接热传导，通过含水层介质颗粒与地下水的分子振动传热，满足傅里叶(Fourier)定律。当含水层透水性和抽灌井循环流量很大时，温度场的演变主要受对流传热的控制。如果以回灌井高温水或低温水对流锋面驱动到抽水井作为判断热短路的标准，则对井抽灌条件下发生热短路的时间tc为

tc=(4πdnL2)/(3Q) (3)

其中：Q为循环流量，d和n分别为含水层的厚度和孔隙度，L为回灌井与抽水井之间的距离。为了确保热泵季度运行期tc不发生热短路，则抽灌井的最小间距应达到

可见抽灌井临界距离随着循环流量的增加而增大，随着含水层厚度的增大而减小。考虑到弥散传热和直接热传导的影响，抽灌井的实际临界距离比式(4)计算的还要小，多数情况下在30m以上。

地下水的回灌能力是随着抽灌井间距的缩小而增加的，但防止热短路需要尽可能大的抽灌井间距，两者相互矛盾，可以采用优化设计方法确定。

3.3 岩土层形变问题

地下水源热泵的运行也有可能导致不均匀的地面沉降。贮存浅层地下水的含水层往往是松散的、未固结或弱固结的第四纪沉积物，作为热泵目标层的砂层通常夹在粘性土层之间，砂层内部也时常含有粘性土夹层。这种粘性土层压缩性大，在地下水位下降时发生压缩形变，如果受影响的粘性土层厚度较大，可诱发明显的地面沉降。

充分回灌的地下水源热泵并不会使整个场地的地下水位下降，但抽水井附近可形成显著的地下水漏斗。如果在热泵井的埋深范围粘性土层很发育，抽水井附近可产生附加地面沉降，而回灌井附近则几乎没有岩土层变形。这样场地内会有不均匀地面沉降，对建筑物是有一定风险的。回灌不足的地下水源热泵如果长期运行，有可能形成较大范围的地下水漏斗并诱发场地整体地面沉降。

目前，国内外还没有地下水源热泵诱发地面沉降的案例报道，这说明从工程经验上看地下水源热泵一般不会引发岩土层的严重变形。然而，原则上讲地下水源热泵不宜在软弱粘性土层十分发育的地方使用。

3.4 地下冷热岛效应

通过地下水源热泵的运行，人类可以把地表高温环境或低温环境部分转移到地下岩土层这样的“保温箱”中，从而使建筑物室内保持舒适温度。由于这个“保温箱”体量具大，小规模的、局部的和短期的热量转移只会引起难以察觉的变化。然而，地下岩土层贮存热量的能力也是有限的，如果长期的、大规模的、大范围的把地表热环境转移到地下，可以使地下环境显著偏离原有的平衡状态，局部地下空间越来越热形成热岛，或越来越冷形成冷岛。

如果地源热泵夏季输入到地下的总热量和冬季从地下吸取的总热量保持相等，那么从年周期的角度来说地下空间的热流仍然是平衡的，只产生季节性的冷热岛，不会形成长久的热岛或冷岛。然而，在绝大多数地区，建筑物的夏季冷负荷与冬季的热负荷需求并不平衡。若一个年周期内输入地下的热量过多，地下空间的年平均温度将逐渐升高，产生热岛效应；否则产生冷岛效应。

地下冷热岛效应会使地下水源热泵的效率逐渐降低，只要年平均温度的变幅小于0.2℃，在20年内的平均温度累计变化将小于4℃，一般还是可以接受的。目前，地下冷热岛效应对生态环境的具体影响还不太清楚，需要进一步研究。

4. 结论

地下水源热泵由抽水井和回灌井实现地下水的循环，通过地表地下的热量交换把高温或低温环境转移贮藏到含水层，通过季节轮换调节地下空间和建筑物空间的温度。这种热泵系统不仅高效节能，而且可以减少环境污染，目前在世界范围迅速得到推广应用。

推广使用地下水源热泵技术需要合理解决地下水资源保护、热短路、岩土层形变、地下冷热岛、项目监管等地下工程问题。