水源热泵系统应用对地下水环境的影响

廖荣,丁跃元,刘立才,罗遵兰

(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083;2.北京市水务局,北京 100038;3.北京市水利科学研究所,北京100044;4.中国环境科学研究院生态环境研究所,北京 100012)

地下水源热泵空调系统是一种利用浅层地热能进行制冷和供暖的采能技术,最早出现于美国20世纪40年代,由于其环境效益显著,运行效率较高,在欧洲及美国迅速发展[1]。我国于20世纪末引入该技术,在北京、上海及广州等地得到了推广应用。据不完全统计,仅北京地区的水源热泵空调系统已达400余家,服务建筑面积达400万m2。地下水源热泵系统主要由地下水抽灌井、水源热泵机组和室内空调终端组成,以地下水为介质进行热量传递,形成抽灌井间水热循环、热泵机组水热循环及室内空调水热循环等三个水-热耦合循环。在夏季制冷期,热泵系统将室内热量转入地下水,在冬季供暖期则利用地下水热量为室内供暖。热泵系统在运行期间,需抽灌地下水完成热量转移,对抽灌区的地下水动力场、地温场及地下水水质等方面会造成一定影响。笔者根据北京市多个地下水源热泵空调系统相关资料,对热泵系统运行过程中地下水动力场影响范围、地温场变化、地下水水质及细菌变化进行分析研究。

1 地下水动力场影响范围的确定

热泵系统的运行对地下水环境最直接的影响为地下水流场和温度场的变化。含水层热量传递方式主要为热对流和热传导,地下水的热导率约为0.6W/(m◦℃),低于含水层介质的,单纯地下水的热传导作用对热量传输的贡献不大。但地下水的比热较大,是良好的天然载热流体。在地下水流动较为活跃的地区,地下水的热对流作用十分显著,对区域地温场的分布起着主导作用[2-6]。因此,估算出地下水抽灌引起的水动力场影响范围,即可判断分析地下温度场的影响范围。

地下水水源热泵系统一般为群井抽灌,在等量抽灌的条件下,利用地下水动力学中的泰斯井流和叠加原理可计算出抽灌井群的地下水动力场影响范围。假定热泵应用场的抽水井数为 n,回灌井数为m,地下水抽灌循环量为Q(m3/d)。因地下水抽灌要求同层回灌,不论抽灌井穿过几个含水层,均可以根据各含水层的渗透系数和厚度,求得利用含水层的等效渗透系数,等效渗透系数与含水层总厚度的乘积即为等效导水系数Te(m2/d)。假定场地等效含水层的弹性贮水系数为 μ,场地任一点距第 i眼抽水井的距离为ri(i=1,2,3,…,n),距第j眼回灌井的距离为Rj(j=1,2,3,…,m)。根据泰斯井流公式,第i眼抽水井作用于场地任一点的水位降深为

根据叠加原理,所有抽水井作用于任一点处的水位总降深为

假定抽水与回灌同步,二者之间没有时间差,依然根据叠加原理,所有回灌井作用于任一点处的水位总降深为

再据叠加原理,所有抽水井和回灌井作用于场地任一点处的水位总降深为

根据推导出的水位总降深S公式,其中没有时间t与弹性贮水系数μ项,这表明,因地下水抽灌平衡,没有消耗地下水资源的储存量,抽灌过程中抽灌场地的地下水动力场是稳定的。由任一点的水位总降深公式,可利用相关软件绘制抽灌场地的水位降深等值线图。根据水位总降深S公式,距离抽灌场地越远,任一点距抽水井的距离与距回灌井的距离趋于相等,为此,抽灌场地的地下水动力场影响范围以多大的降深值为界限值得关注。一般可以认为,以±5～10cm为界限较为适宜。

如果抽出的地下水不能实现完全回灌,消耗了地下水储存量,则抽灌场地任一点处的水位降深将与热泵系统运行时间t、含水层的释水系数 μ有直接关系,地下水抽灌引起的地下水动力场的影响范围将大于等量抽灌条件下的影响范围。

根据上述推导出的抽灌场地水位降深计算公式,以北京市亦庄经济技术开发区水源热泵空调系统为研究对象,进行了观测井的水位降深验证,计算降深与实测降深基本一致。该项目为两抽三灌,共有5组观测井,以2#观测井为例,该井与抽水井距离分别为41m、94m,与回灌井距离分别为64m、37m、30m,其水位变幅计算值为20cm,实测值为17cm。

2 对地下温度场的影响

热泵系统运行周期分为4个阶段,即夏季制冷期、间歇期、冬季供暖期、间歇期,地下水温度随着运行阶段的变化也将发生周期性的上升和下降。北京市海淀区某地下水源热泵项目为一抽两灌,抽水井与1#回灌井的距离为50m,与2#回灌井的距离为20m。冬季利用1#回灌井回灌,夏季利用2#回灌井回灌。根据运行过程中蒸发器、冷凝器进出水的温度监测数据,在冬季供暖期,热泵系统从地下提取热量,使地下水回水的温度降低,进而使含水层的温度降低。由于抽灌井之间的距离较大,低温回灌水基本没有影响到抽水井,抽水井的温度一直保持在14.5℃左右(图1)。而在夏季制冷期,热泵系统将建筑物内的热量转移进含水层,致使地下水回水温度升高,因抽灌井之间的距离较短,在短时间内就发生了“热突破”现象,抽水井的温度随着回灌井温度的升高而升高(图1)。

图1 地下水进出口和室内空调水进出口温度变化

图2 北京市丰台区某水源热泵抽灌井分布示意图

根据热泵系统不同运行阶段对地下水温度的影响,进一步认为,热泵系统初始运行期是夏季还是冬季,制冷期注入地下的热量与采暖期自地下采出的热量是否平衡,直接影响热泵应用场地地下温度场的变化,并极有可能影响到热泵系统的运行效率。由于缺乏长期观测资料,采用热传递数值法模拟预测上述各种情况的地下温度场变化。现以北京市丰台区某水源热泵空调系统为研究对象,采用有限差分法(FDM)数值模拟方法[7],选用HST3D模拟软件,模拟预测不同运行工况下10a运行期的地下温度场变化。HST3D软件可模拟地下水渗流、溶质运移和热传递[8],在研究北京市经济技术开发区某水源热泵空调系统场地的地下温度场变化时曾使用过[9],验证了该软件的正确性。

丰台区某水源热泵空调系统主要用于办公区和生活区的制冷和供暖,该项目共有2个抽水井,4个回灌井,抽灌井布局如图2所示。冬季供暖负荷为1790kW,两抽四灌,抽灌量为5280m3/d,运行时间为120d。夏季制冷负荷为740kW,一抽(1#)两灌(3#、4#),抽灌量为2184m3/d,运行时间为90 d。项目场区第四系地层厚度为72.5m,地层呈中粗砂、砂砾石与粉质黏土交互,共有5个含水层,含水层的总厚度为34m,下部隔水层为寒武系页岩。场地的地下水静水位埋深为17.5m。水文地质与热力学参数主要根据相关文献及当地的抽水试验数据和热力学试验结果选取,自上而下各地层参数见表1。根据这些参数,可直接模拟预测不同工况下的地下温度场变化。

表1 各地层水文地质参数

数值模拟结果表明,热泵系统起始运行期的选择及年内冷热量是否平衡对抽灌区地温场具有重大影响,对热泵系统的现实应用具有趋利避害的重要指导作用。

模拟工况1:假设热泵系统冷热负荷均为1790kW,供暖期与制冷运行时间相等,抽灌量均为5280m3/d,地下水温度初值为15℃。分别以冬季供暖期及夏季制冷期为起始运行期,模拟热泵系统运行过程中应用场地地温场的历时变化,模拟结果如图3。由图3可见,热泵系统的起始运行期对地温场的影响主要表现为,如果起始运行期为冬季供暖期,则在后期运行中,地温场的平均温度低于背景值15℃,而起始运行期为夏季时,则高于背景值15℃。此外,建筑物所需冷热量平衡条件下,热泵系统在长期运行过程中,地温变化在高低循环往复中较为平稳,未呈现出趋冷或趋热的变化。

图3 不同起始运行期地下水温度变化曲线

模拟工况2:热泵在保持现状冷热负荷及运行时间的条件运行,地下水温度初值为15℃。模拟结果如图4所示,可以看出,在热泵系统长期运行过程中,地温在高低循环往复变化中呈降低趋势,并渐趋平稳。可见,当建筑物所需热负荷大于冷负荷时,每年都要消耗场地的部分浅层地热能以满足建筑物采暖要求,从而导致热泵场地的温度降低。在消耗部分浅层地热能的同时,周围的热量不断向抽灌场地传递,地温场影响范围不断增加,久而久之,外围传递进来的热量与消耗的浅层地热能渐趋平衡,地温变化渐趋平稳。

模拟工况3:假设热泵系统冷负荷为1790 kW,热负荷为740kW,地下水温度初值为15℃。模拟结果如图4,可以看出,当热负荷小于冷负荷时,每年都要向地下储存部分地热能,致使地温呈上升趋势,并渐趋平稳。

图4 冷热负荷失衡条件下地下水温度变化曲线

由上述地下温度数值模拟结果,当建筑物所需冷热负荷平衡时,因场地温度变化较为稳定,没有出现趋高或趋低的现象,夏季、冬季均可以作为热泵系统运行的起始期。而当热负荷大于冷负荷时,消耗部分场地浅层地热能,年际运行过程中场地温度呈降低趋势,热泵系统运行起始期应选在夏季;当热负荷小于冷负荷时,储存部分热量于地下,年际运行过程中场地温度呈升高趋势,热泵系统运行起始期应选在冬季。

3 对地下水水质的影响

在热泵运行期间,抽灌区地下水流场及地下水温度均会发生变化。为了解热泵系统运行过程中地下水水质的变化,对北京市亦庄经济技术开发区水源热泵空调系统进行了为期5个月的观测,观测时间为2003年11月19日～2004年2月26日,期间热泵系统处于冬季运行状态,笔者选取距离抽灌区最近观测井为研究对象,观测期间该井温度从14.5℃(2003年 11月12日)降至 9.5℃(2002年2月19日),各指标变化情况如表2所示。

值得注意的是,在供暖期观测井中“三氮”质量浓度变化具有较强的规律性,质量浓度不断升高,而和的质量浓度则不断降低,如图5所示。这是由于该观测井距回灌井最近,回灌过程中空气随回灌水进入含水层,和在硝化菌的参与下被氧气硝化为导致“三氮”质量浓度的上述变化规律。

图5 NO3--N、NO2--N、NH4+-N 质量浓度历时变化曲线

总之,供暖期的各观测孔的水质变化表明,在热泵系统运行过程中,地下水水质质量浓度没有发生大的改变,较为稳定。

4 对微生物生长的影响

在地下水环境中,温度是影响细菌生长的重要指标。根据北京市经济技术开发区水源热泵运行期间的观测,地下水的温度变化对大肠杆菌数和细菌总数的影响较为明显。从所有观测孔的地下水温度与大肠杆菌和细菌总数的散点图(图6、图7)及其包络线可以看出,大肠杆菌数和细菌总数的高值区域相对集中于温度为13.2℃两侧的小范围内,随着温度向两侧趋高和趋低,大肠杆菌数和细菌总数均呈降低的态势,大致符合正态分布。

表2 监测指标质量浓度

图6 地下水温度与大肠杆菌数散点图

图7 地下水温度与细菌总数散点图

地下水中的细菌容量包络线随地下水温度的变化呈正态分布的变化趋势,可拟合出两者间的正态分布曲线。大肠杆菌容量与温度的关系式为:

细菌容量与温度的关系式为:

伴随着水源热泵系统制冷供暖的交替运行,地下水温度也不断发生变化,尤其在回灌井附近区域,地下水温度的高低交替变化非常显著,地下水温度始终处于动态变化之中。温度太高或太低,都会抑制细菌群体的生长速率。

5 结 论

热泵系统场地观测资料及地下温度场的数值模拟表明,系统运行对地下水流场、温度场、水质及微生物生长均会产生一定的影响。

a.水源热泵场地地下水的抽灌将引起地下水流场的变化,抽灌平衡时地下水流场的影响范围主要与含水层导水系数、抽灌量及与抽灌井距离有关。

b.冷热负荷平衡可使热泵系统保持较高运行效率,利于系统长期运行。冷热失衡条件下,含水层良好的储能特性受到抑制,抽灌区地下水趋冷或趋热,影响热泵运行效率。

c.当建筑物所需年内冷热负荷不平衡时,如热负荷大于冷负荷,热泵系统运行起始期应选在夏季;如当热负荷小于冷负荷,热泵系统运行起始期则应选在冬季。

d.在热泵系统运行过程中,地下水水质浓度变化不大。不受含水层氧化还原环境影响的较稳定的化学组分水质浓度变化平稳;而“三氮”受空气进入含水层影响,呈现规律性变化。

e.细菌容量与地下温度之间的正态分布关系表明,场地温度或高或低均不利于细菌的生长。

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