利用水源热泵开来浅层地热能技术需要解决的问题
客观地说,地下水源热泵采能技术自在我国推广应用以来,所产生经济社会效益是相当可观的,应该给予充分的肯定。但是,在该项技术基础研究工作和市场推广方面,也存在诸多的问题,需要加以重视。目前,制约我国浅层地热能经济、及可持续发展的问题,主要包括以下几个方面。
缺乏系统、长远的总体规划和规范化管理
目前,国内尚无一座城市在浅层地热能开发利用方面制定过一份系统的、长远的总体规划,也没有哪个地区颁布过关于该行业管理的法律、法规,或是制定过具有较强约束力的相关政策。由于这方面工作的欠缺,我国浅层地热能开发利用行业一直没有得到统一、规范的管理,行业市场至今也未步入有序、和可持续发展的轨道。以北京市为例,由于缺乏总体规划和规范化的管理,全市的地下水源热泵采能工程出现一种遍地开花、随』臼所欲的局面,从而导致某些地区的工程密度过大,某些工程因规模偏大而效率低下,甚至在某些水文地质条件不适宜的地区也兴建了许多工程。
缺乏具有现实指导价值的相关技术规范或
浅层地热能开发相关技术规范和行业准则,是浅层地热能经济开发、及可持续利用的重要参考依据,也是实际热泵采能工程合理建设和运行的重要技术保障。在我国,由于相关技术和基础研究相对滞后,至今尚未制定和出台相关技术规范,对地下水源热泵采能的推广应用加以约束和规范,致使工程审批过程中没有充分的依据可循,过多地凭借主观经验,终导致监管力度不足，设计不合理,超出了回灌层单井回灌的大限度;二是由于悬浮颗粒、微生物、气泡、结垢等多方面原因,造成的回灌井堵塞及回灌井周围区域渗透率下降。
系统运行效率低下是我国地下水源热泵采能工程中另一个主要问题。出现该问题的主要原因是地下水抽、灌系统设计不合理或(和)工程的建设规模偏大。由于浅部含水层中的热能密度较低,如果设计的冷、热负荷较大,地下水的抽、灌量必需达到相当大的规模,致使地下水集中抽、灌区的水动力条件相当活跃;限于工程的经济投人和建筑物场地条件等因素的制约,抽、灌井(段)的设计间距通常较小。由于上述两方面的原因,抽水井(段)在短时间内必然发生热突破现象,导致抽水井(段)在运行期的温度变化过快,能有效利用的温度差越来越小,热泵机组工效持续下降,电能消耗量大幅增加,不符合地下水源热泵空调系统建设和浅层地热能经济开发的初衷。
相关研究工作不足,工程存在“两低”问题
在地下水源热泵采能技术推广应用的初期,由于我国未能确实做到科研先行、研究与生产并重,致使人们对该项新生事物的适用性及其开发潜力等诸多方面认识不足。加上某些施工单位一味追求自身经济效益,未能从经济、和系统稳定的角度对工程靶区条件、地下水抽、灌模式及生产井布局等许多关键因素进行充分论证和深入研究,从而导致为数不少的工程存在系统效率低和地下水回灌率低的“两低”问题。
据近的调查和估算资料,北京市地下水源热泵采能系统的平均回灌率仅为60%一70%左右。出现回灌率低的问题主要有两方面原因:一是所选场地的天然渗透性较差,加上回灌方式、单井回灌量。
虽然地下水源热泵采能技术已在许多国家得到推广应用,但在大多数国家尚未获得建设许可。其主要原因是政府担心该项技术的应用会对周围环境(尤其是地下水环境)产生较大的负面影响。即便是欧美等一些地下水源热泵技术较为普及的国家,其在该技术的实际应用过程中也非常慎重。
从目前地下水源热泵系统的运行特点来看,地下水源热泵采能工程对地下水水质产生的不利影响,主要体现在以下几个方面:(l)地下水混采污染问题。地下水源热泵采能多利用浅层地下水。在某些区域,由于水文地质条件较差,缺乏具有一定厚度和良好渗透性的浅部含水层,往往需要同时利用多个较薄的含水层才可达到设计的取水和回灌要求。目前,我国许多城市局部地区的浅层地下水已遭受不同程度的污染,水质相对较差。若在污染较重、水文地质条件较差的地区兴建采能工程,这种多层混合开采和回灌的方式,容易加速下部含水层的污染;(2)洗井污染问题。鉴于地下水源热泵采能系统的运行特点,生产井很容易出现结垢问题,进而影响地下水的抽取和回灌。为此,需要定期利用稀盐酸或稀硫酸进行洗井。在每次洗井的过程中,都会在含水层中残留大量酸液,进而对周围地下水的水质造成严重的影响。此外,由于管井腐蚀所产生的污染物,也将对地下水质产生一定的影响;(3)水化学组分浓度的变化。地下水源热泵采能系统冬季与夏季的回灌水温相差一般在15℃左右,某些系统可高达20℃。这种周期性的大幅度温度波动,容易导致地下含水层中水化学组分的显著变化。根据湖南省某地下水源热泵采能工程的近期水质观测和分析资料冈,在夏季运行期,地下水中的Ca2+和50广的含量显著增加,总铁增加了10多倍。尽管上述水化学成分变化不是普遍现象,但可以证明地下水源热泵采能系统对地下水水质的影响是确实存在的。
缺乏水温和水质方面的动态监测
利用热泵技术进行地下含水层采能,直接的影响就是局部含水层中温度场的变化。对于地下水源热泵采能工程而言,在系统运行过程中,当抽水井(段)发生热突破之后,如果其温度变化过快、变幅过大,将直接影响到采能系统的工效和使用寿命;并且,地下水集中抽灌区温度场的持续、快速变化也将加速生产井结垢和井堵问题的发生,进而增加工程的维护费用;此外,地下水温度场的急剧变化,也可能造成地下水化学组分浓度的显著变化,对含水层水质及周围生态环境造成一定的不利影响。前已述及,地下水源热泵采能系统的混层抽、灌及洗井,也将对局部地下含水层水质造成一定的负面影响。因此,无论是出于地下水源热泵采能系统优化设计目的,还是为了加强地下水环境的保护,都应加强地下水温度和水质的监测工作。
到目前为止,除极少数专门为研究目的而建设的地下水监测系统外,我国绝大部分的地下水源热泵采能工程都未建设水温和水质方面的监测系统。
由于缺乏相应的长期观测数据,一方面无法及时发现某些具体工程中存在的问题,并及时采取有效的解决措施;另一方面也不利于开展某些深入研究工作,及早日实现我国浅层地热能开发利用行业的健康、可持续发展。
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