关中地区某中学位于渭河南岸一级阶地地区, 采用地下水地源热泵系统为学校教室、学生宿舍及综合楼进行供暖制冷, 建筑面积8万m²(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 某中学工程场地建设情况示意图Fig.1 Schematic diagram of project site construction in a school

该工程布设8眼地下水抽灌井, 其中1#水井深度为200 m, 2#水井深度为180 m, 3#~8#水井深度均为150 m。根据抽水试验资料, 地下水静水位埋深9.75 m、降深14.2 m时, 单井出水量 40.0 m³/h, 自然状态单井最大回灌水量22.0 m³/h。在地下水水源热泵供暖或制冷期运行时没有预设固定的抽灌井, 实行抽灌井交替轮换工作状态。该工程运行状态良好, 并实现了地下水完全回灌。

根据该工程8眼水井的实际运行情况, 选择使用率最高的4#水井和新施工的9#水井进行水源热泵工程运行地下水温度、地下水位的动态监测。

陕南地区某小区售楼部位于汉中市, 地貌单元属陕南汉中盆地的汉江南岸一级阶地。该工程应用于小区售楼部及售楼部地下室泳池的冬季供暖和夏季制冷, 建筑面积约 3 000 m²(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 某售楼部工程场地建设情况示意图Fig.2 Schematic diagram of project site construction in a sales office

该工程地下水地源热泵共由3眼直线分布的地下水源抽灌井提供热/冷水源, 1#和2#水井为抽水井, 3#水井为回灌井。其中1#、2#水井深度均为100 m, 3#水井深度为150 m。根据抽水试验资料, 地下水静水位埋深6.64 m, 抽水降深4.0 m时, 单井出水量73.0 m³/h, 自然状态单井最大回灌水量112.0 m³/h, 实现了地下水完全回灌。

由于仅有1#井监测数据完备, 故选择1#水井进行水源热泵工程运行地下水温度、地下水位和水质的动态监测。

根据关中地区某中学地下水地源热泵系统运行监测数据(图3), 4#井和9#井地下水位埋深变化趋势基本一致, 均有季节性变化, 但工程运行期间不会形成持续性地下水位升高或降低。(注:2018-7-20~2018-9-1为学校暑假期间, 热泵系统未运行; 2018-11-15~2018-12-15, 由于操作失误4#井也作为回灌井在使用。)

图3

Fig.3

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	图3 关中地区地源热泵工程地下水位变化趋势Fig.3 Groundwater level variation of a ground source heat pump project in Guanzhong area

地下水地源热泵制冷期内, 4#抽水井内水位埋深最大下降至41.5 m, 短时波动较大, 但最长72 h内井内水位即可恢复至静水位13.3 m左右; 9#回灌井井内水位埋深为6.0~8.0 m, 地下水回灌结束24 h内即可恢复至静水位13.3 m左右。

地下水地源热泵供暖期内4#抽水井内水位埋深为36.6~42.1 m, 抽水结束后24 h内, 地下水位埋深可恢复至降深前的90%以上, 最长72 h水位可恢复至自然水位; 9#回灌井回灌时井内水位埋深为5.3~7.5 m, 地下水回灌结束后24 h内井内水位恢复至静水位13.3 m左右。

恢复期内, 地下水地源热泵系统仅提供学校生活热水制备的热量供应, 4#井和9#井均为回灌井, 除零星出现水位上涨至7.8~8.9 m, 其余时间井内水位均处于静水位13.3 m左右。

根据某小区售楼部地下水地源热泵系统运行监测数据(图4), 1#抽水井在整个运行周期内地下水位变幅小于0.5 m。

图4

Fig.4

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	图4 陕南地区地源热泵工程运行地下水埋深变化趋势Fig.4 Groundwater burial depth change of a ground source heat pump project in Southern Shaanxi

综上, 短期地下水位下降不会引起长期降落漏斗形成, 地下水位长期来看处于稳定状态。

由于水源热泵工程运行时冬季从地下水中提取热量, 夏季向地下水中排放热量, 导致回灌井中的水温变化值相比抽水井的温度变化更加明显, 因此本文以回灌井作为对象, 研究工程运行对地下水温度变化的影响。

冬季供暖期内, 9#回灌井内不同深度的地下水温度。在供暖期降低, 制冷期升高, 供暖或制冷期结束后开始自然缓慢恢复, 各个深度动态变化趋势一致(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 关中地区地源热泵工程回灌井不同深度水温数据变化Fig.5 Data changes of water temperature at different depths in recharge wells of the ground source heat pump in Guanzhong area

在供暖开始前回灌井不同深度地下水温度稳定于12.06~15.02 ℃, 在供暖期地下水温度下降至7.30~10.06 ℃, 最低6.62 ℃; 在制冷期地下水温度升高至15.68~19.58 ℃, 最高24.92 ℃。地下水温度最低值出现在供暖末期2月初, 与年内气温最低值出现时期相吻合。地下水温度最高值出现在6月中旬至7月初, 同时也是年内气温最高的时期。总体而言, 地下水的最低或最高温度的出现, 与热泵机组在不同季节满足建筑供暖或制冷负荷的大小有关, 天气温度出现最低或最高时, 建筑需要的热或冷负荷均为最大, 地下水温度相应就会出现最低或最高值。

3.1.1 地温恢复能力研究

供暖期2018-03-15结束, 截至2018-07-04共106 d, 地下水温度由9.18~13.15 ℃恢复至13.12~14.77 ℃, 不同深度恢复温度差1.62~3.94 ℃, 平均日恢复值0.015~0.034 ℃。2018-9-15~11-10制冷期共56 d, 地下水温度由14.93~22.26 ℃恢复至12.58~14.43 ℃, 不同深度恢复温度差0.57~7.88 ℃, 平均日恢复值0.010~0.014 ℃。相比而言, 地层岩土体对地下水的热量补充能力略大于散热能力。

3.1.2 不同深度地温平衡性分析

工程所在位置地下水位埋深12.6~13.6 m, 所以本次地下水温度研究以深度20 m及以下的测温点数据进行单独分析。

回灌井深20 m位置2018年夏季制冷开始前地下水温度14.71 ℃, 2019年制冷期前地下水温度13.35 ℃, 两年同时期温度相差1.36 ℃, 小于地温非稳定判断阈值1.5 ℃^[14], 综合判断该点地温处于平衡态。

同理, 回灌井30 m、48 m、102 m、147 m深位置2018年与2019年夏季制冷开始前地下水温度相差分别为0.37 ℃、0.87 ℃、1.40 ℃、1.14 ℃, 均小于地温非稳定判断阈值1.5 ℃。

综上, 该水源热泵工程运行时, 地下水回灌井从井口至井底不同深度地下水温度均处于相对平衡态, 在供暖或制冷结束后地温恢复速度在工程所在地为0.010~0.034 ℃/d。

在陕南地区, 以小区1#抽水井不同深度的地下水温度变化作为地层岩土体温度的代表进行分析(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 陕南地区地源热泵工程回灌井不同深度水温数据变化Fig.6 Data changes of water temperature at different depths of recharge wells of the ground source heat pump project in Southern Shaanxi

3.2.1 供暖或制冷后地温恢复能力研究

1#抽水井在供暖或制冷期前后的水温没有明显变化, 仅10 m以浅的水温随气温变化升高或降低, 表明该工程所在位置单井热冷负荷能力强。该工程按照当前热负荷运行时, 地温影响范围小于3#回灌井与1#井监测之间直线距离, 即地温场的影响半径小于43 m。

3.2.2 工程运行不同深度地温平衡性分析

在2018-03-08~2019-08-31的运行期间, 各个深度地水温监测数据动态规律为地下10 m以浅地下水温度随气温变化升高或降低趋势明显, 深度大于10 m位置温度年内变化很小。

各深度年内温度变幅小于1 ℃, 分析认为该工程区内地下水活动强烈, 外部补给的地下水量较多, 温度场变化主要影响因素为当地地下水流场的变化, 热泵系统取水和灌水对地下水温度场影响不大。

综上, 该水源热泵工程运行时, 地下水监测井从井口至井底不同深度地下水温度基本不受影响均处于平衡态, 综合判断该水源热泵工程可持续运行。

通过对水质数据的分析, 在水源热泵运行过程中地下水水质类型发生变化。主要表现为Na⁺(K⁺)、Ca²⁺的离子浓度的上下波动(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 地源热泵工程运行期间地下水阳离子动态变化Fig.7 Dynamic changes of groundwater cations in the operation of ground source heat pump project

在供暖期Ca²⁺浓度明显增多, 分析原因是在回灌井地下水中 HCO3-离子的稳定性受温度的影响最强烈, Na⁺(K⁺)浓度并无明显变化。

供暖期地下水温度下降以及CO₂与水形成碳酸, 导致Ca²⁺和 CO3-的水解平衡向右移动, 加速了地层中固体CaCO₃的溶解并形成了 HCO3-离子。

制冷期地下水温度上升导致Ca²⁺和 CO3-的水解平衡向左移动, 导致Ca²⁺和 HCO3-离子浓度下降。

在供暖期水样中主要阴离子Cl^-、 SO42-、 HCO3-浓度均升高(图8)。分析原因与阳离子变化相同。

图8

Fig.8

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	图8 地源热泵工程运行期间地下水阴离子动态变化Fig.8 Dynamic changes of groundwater anions in the operation of ground source heat pump project

在工程运行期间回灌井地下水pH值动态变化规律见图9。

图9

Fig.9

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	图9 地源热泵工程运行期间地下水pH值动态变化Fig.9 pH value dynamic change of groundwater in the operation of ground source heat pump project

2017年该工程建设期地下水pH值为 7.35。2018年10月pH值下降至7.38与上一年度供暖前pH值7.35数值基本一致, 说明该地区水源热泵工程利用对地下水pH值的影响在年内可恢复, 持续开发利用不会进一步造成pH值上升或降低。

溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)指水中溶解组分的总量, 包括溶解于水中的各种离子、分子、化合物的总量, 但不包括悬浮物和溶解气体。在地下水地源热泵工程运行期间回灌井地下水TDS动态变化规律见图10。总体表现为在供暖期相对增加, 制冷期变化较小。

图10

Fig.10

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	图10 地源热泵工程运行期间地下水TDS动态变化Fig.10 Dynamic change of groundwater TDS in the operation of ground source heat pump project

水源热泵工程回灌井地下水TDS值在2017年9月建设期内为268 mg/L, 在2017年12月至3月制冷期内可达384.87~401.84 mg/L, 数值明显变大。TDS值在2018年4月至5月供暖结束恢复期明显下降回落至220.00~303.52 mg/L。TDS值在2018年6月至8月供制冷期为257.54~277.51 mg/L, 与2017年9月数值接近。地下水TDS值在2018年9月至10月制冷结束后开始上升恢复至304 mg/L。

通过对地下水地源热泵工程运行时地下水水质中的氰化物、汞、砷、锌、六价铬、挥发酚、铜、铅8项有毒物质持续跟踪分析, 分析认为: 除锌外其它7项数值均处于实验测试检出限以下, 达到生活饮用水标准要求, 仅锌元素值在2018年5月和8月检出值达3.53 mg/L和2.21 mg/L, 低于Ⅳ 类水标准5.0 mg/L下限。

水源热泵工程回灌井地下水Zn元素值在2017年9月建设期内为0.13 mg/L, 在供暖期有小幅波动; 在2018年5月非运行期数值升高至3.53 mg/L, 制冷初期又下降至0.09 mg/L, 制冷末期升高至2.21 mg/L, 分析主要与水井井管的镀锌防腐涂层溶解有关(图11)。

图11

Fig.11

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	图11 地源热泵工程运行期间地下水中Zn元素动态变化Fig.11 Zn element dynamic change in groundwater during the operation of ground source heat pump project