水文地质勘察的重要性范文

1地源热泵系统介绍

1.1地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的热泵系统，它通过循环液（水或以水为主的防冻液）在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地之间的传热。地埋管地源热泵主要包括一个由地下埋管组成的地埋管换热器，分为水平埋管和竖直埋管两种形式，不同的管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。地埋管地源热泵系统具有绿色环保、高效节能、运行成本低等优点，但其初投资高、占地面积较大。

1.2地下水地源热泵系统地下水地源热泵系统分为两种，一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌到地下。在闭式地下水地源热泵系统中，地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开的。地下水地源热泵系统的核心是地下水换热系统，它是由带潜水泵的取水井、回灌井、水处理设备和连接管线组成（如图2）。地下水地源热泵系统最大的优点是非常经济，占地面积小，但是必须符合水质良好、水量丰富以及回灌可靠等多个条件。

2浅层地温能普遍性和复杂性的特点

浅层地温能是蕴藏在地壳浅部变温层以下一定深度范围内（一般小于200m）岩土体和地下水中、受太阳辐射的程度较小、温度相对稳定、在当前技术条件下具备开发利用价值的低温地热资源。浅层地温能是深层地热能和太阳能共同作用的产物。由于浅层地温能资源赋存于地球浅表层(<200m)的巨大的恒温带中，无论山区还是平原均广泛分布。但是，浅层地温能赋存于地表以下的特性又造就了其“看不见、摸不着”的特性，同时，不同区域的地质和水文地质条件的复杂性和多变性，导致各区域岩（土）层的导热性和水文地质参数差异巨大，在一个地区能够成功应用的换热系统，在其它区域可能不适用；即使在同一地区，也因项目位于河流冲洪积扇的不同位置，地下水换热系统中抽灌井的数量及地埋管换热系统的埋管数量大有不同。因此，浅层地温能资源在具有普遍性的同时又具有复杂性。

3工程地质勘察

工程地质勘查评价是浅层地温能科学合理开发利用的基础。由于地质体的富水性及导热性等都会对浅层地温能的分布状态、运移规律、品位高低、开发利用方式及规模有一定的制约，因此，认识浅层地温能存在的地质和水文地质条件十分重要，这就需要进行热泵系统工程前期的工程地质勘察，从宏观上把握浅层地温能的地质条件和地温场分布，以便为开发利用奠定基础。

3.1工程地质勘察的内容首先应开展调查、调研工作，初步了解项目所在地的地貌特征和区域水文地质特征，提出勘察方案。然后更深入的了解项目所在地的地层特征、水源井状况以及地下水赋存特征等情况，初步制定换热方式，再编制有侧重点的勘察方案。如果项目所在区域适宜地埋管换热方式，则应对工程厂区的岩土层结构、岩土体的热物性、岩土体温度、地下水静水位、水温、水质及分布、地下水径流方向和速度等进行勘察；而如果是地下水换热方式较适宜，则应查明地下水类型、含水层的岩性、分布、埋深及厚度、地下水径流方向、速度和水力坡度、地下水水温及分布、地下水水质及水位动态变化等。

3.2工程地质勘察的重要性无论采取何种热泵技术开发利用浅层地温能，均应进行前期的工程地质勘察，若盲目的开发利用，则会出现如下几方面的问题：（1）地下水不能完全回灌地下水源热泵仅仅以地下水作为能量传导介质,潜水泵抽取地下水进入热泵机组，经过热交换后通过回水系统又重新回灌到地下含水层中，整个过程只提取水中的能量，而不消耗地下水资源。然而，我国一些地下水源热泵系统工程由于没有对项目所在区域的基础地质和水文地质条件进行认真勘察分析，在本来不适宜建设热泵系统工程的区域或适宜建设地埋管地源热泵系统工程的区域建设了地下水源热泵系统，最终导致地下水不能完全回灌，造成水资源浪费，更甚者引起回灌井堵塞、整个系统瘫痪以及地面沉降等一系列问题。位于大厂回族自治县的某地下水源热泵系统工程，工程建筑面积38000m2。根据项目所在区域的水文地质条件，其属于泃河、潮白河冲洪积平原水文地质区，为新近纪沉积层、第四系全新统河湖相沉积-上更新统陆相沉积，岩性以粉土，粘性土、细砂为主，沉积物颗粒较细。本工程采用5抽11灌的地下水换热方式，抽水井中置入潜水泵，抽水量能够达到工程需要，而地下水回灌采取重力回灌方式，起初勉强能够回灌，但是运行一段时间后，单井回灌能力随悬浮物和气泡堵塞及含水层细颗粒重组等原因明显下降，到目前为止，整个回灌井失去回灌能力，系统被迫停止运行。这一方面造成地下水严重浪费，另一方面给使用方带来极大的不便和巨大的经济损失。（2）热贯通问题在应用地下水源热泵系统时，抽水井周围地下水温度的稳定性是维持其效能的关键，然而，由于回灌水通常与原始含水层的温度存在一定温差，故在导热和对流等作用下，造成抽水井温度不同程度的升高或降低，这种现象称为“热贯通”。含水层构造、地下水径流条件、抽灌井间距以及抽灌量的大小等均对地下温度场的变化起着至关重要的作用。通常情况下，含水介质颗粒粒径越大，分布越均匀，地下水径流速度越缓慢，越容易发生“热贯通”现象；另外，抽灌井的井间距越小，抽灌量越大，抽水井在短时间内越容易发生“热贯通”事件，其后果是降低热泵机组的工作效率，增加热泵系统的运行成本。因此，在实际工程应加大水文地质的勘查、评价和设计，合理规划地下水开采布局中各井的配置，选择适宜的运行方案，最大限度地避免热贯通的影响，这样有利于地下水的合理开采利用，提高能源利用效率。位于北京市海淀区某大厦的地下水源热泵系统工程，总建筑面积35000m2，位于永定河冲洪积扇的中上部，水文地质条件优越，单井出水量可达200m³/h，采用一抽一灌或一抽两灌即可满足项目需求，但该项目采用了同井抽灌，在运行一段时间后，项目出现了“热贯通”现象，最终导致夏季空调系统无法运行，不得不重新改造地下换热系统。（3）地下水污染对于地下水源热泵系统，首先应该确保地下水的取水量和回灌量，然而，在一些区域，由于水文地质条件较差，缺乏具有可观厚度和良好渗透性的含水层，通常需要同时利用多个薄层含水层才能达到系统设计的取水量和回灌量，但是我国许多城市局部地区埋深较浅的含水层中地下水已遭受到不同程度的污染，水质相对较差，若在这些区域建设水源热泵系统工程，则会加速下部含水层的污染。另外，回灌水的水质和水温对确保地下水不受污染起到至关重要的作用。回灌水应遵循其水质好于或等于地下水水质、回灌后不引起区域性地下水质污染和回灌水与储水层相混不发生沉淀等原则。然而，在一些区域，储水层水质本身较差，而在回灌过程中又未对水质进行处理，加之回灌水温度变化引起地下含水层温度场的变化，从而在地下水回灌后出现生物结垢、无机物沉淀等一系列物理、化学和生物变化，造成系统效率降低和井的堵塞，同时对地下水水质产生不利影响。因此，在建设地下水源热泵系统工程前，应对地下水水质进行检测，同时严格控制地下水回灌温度,分析研究地下水的化学成分对整个水源热泵系统的影响以及温度场的变化对地下水水质的影响，从而确保地下水源热泵系统的正常运行。（4）地埋管换热系统与建筑物负荷需求不匹配地埋管地源热泵系统工程成功的关键是地下地埋管换热系统，而影响地埋管换热系统的主要因素是土壤的热物性，土壤热物性又和地层结构、含水层分布、地下水流速及土壤初始温度等地质和水文地质条件有关，因此，在实际工程中，应该首先进行土壤热物性测试，计算项目所在区域土壤导热系数和每延米换热量，同时勘查区域地层结构、地下水赋存状况等情况，分析影响地埋管换热性能的因素，从而使得整个地源热泵系统的设计更合理有效。然而，目前，许多单位在建设地埋管地源热泵系统时，并未进行前期的工程地质勘察，而是根据以往经验进行设计，造成地埋管总换热量与建筑物负荷需求不匹配，运行效率降低，同时也达不到很好的供暖制冷效果。北京市朝阳区某地埋管地源热泵系统工程原设计钻凿80眼地埋孔即可满足建筑物负荷需求，但是经过实际运行一段时间后，发现地埋孔换热能力不足，不得不再增加60眼地埋孔，但是增加后又与地埋侧循环泵功率不匹配，水力平衡也存在问题，最终导致整个系统运行一直不够稳定，运行效率也明显降低。（5）初投资增加无论是建设地下水源热泵系统还是地埋管地源热泵系统，不进行项目所在区域的地质勘查，评价项目适宜性，而盲目的建设，还可能会导致初投资增加。北京市海淀区某地源热泵项目，总建筑面积25578.67m2。项目所在地第四系厚度在120-150m之间，沉积物主要由粘土、砂、砂砾石、砂卵石呈层状产出，局部地区含有较大颗粒卵石，构成多层地下水，其中115米以上卵砾石含水层厚度超过60米，富水性很好，在降深5米时，单井出水量达125m³/h，比较适宜建设地下水源热泵系统，然而，本项目采用了地埋管式地源热泵系统，共钻凿343眼换热孔，由于地层中含有砂砾石和砂卵石等大颗粒的沉积物，不易钻凿，这就大大增加了钻凿成本，同时增加了初投资。

4结论

地源热泵系统作为一种环保、节能的新型空调系统，有着较为广阔的使用前景，但是作为地源热泵系统所利用的热源—浅层地温能，又具有普遍性和复杂性的特点，故不能盲目的开发利用，应进行必要的工程地质勘察，避免出现地下水不能回灌、热贯通、地下水污染、地埋管换热系统与建筑物负荷不匹配以及初投资显著增加等诸多问题，影响地源热泵系统的正常合理运行。

作者：魏静文曹瑞堂单位：北京市地质矿产勘查开发总公司