水文地質(zhì)要素在地埋管熱泵系統中的作用

    熱泵技術(shù)是利用少量高品位的電能將低品位的淺層地溫能提升加以利用的一種綠色技術(shù)，受到國際社會(huì )的重視。其中，地源熱泵技術(shù)的成功應用，要求有穩定、足夠的能量保障，運行不能產(chǎn)生地質(zhì)災害和環(huán)境污染。地大熱能研究人員介紹：地下換熱器在地埋管地源熱泵系統中占有很大的比重，其成功的關(guān)鍵在于根據特定的地質(zhì)條件進(jìn)行合理的埋管設計和施工。在實(shí)際工作中，要綜合考慮工作區的氣象、巖土熱物性和水文地質(zhì)參數等，才能夠對系統進(jìn)行優(yōu)化設計，以合理的費用保障系統安全穩定運行。

    1、氣象因素對熱泵系統設計的影響

    年極端氣溫：年極端氣溫一般都出現于供暖和制冷期間，設計中，應充分考慮地埋管的材質(zhì)和循環(huán)介質(zhì)。在溫度過(guò)高時(shí)，會(huì )出現淺部埋管變形，尤其是對淺層水平埋管要引起足夠重視；如在寒冷地帶，溫度過(guò)低，應當考慮在循環(huán)介質(zhì)中添加防凍液，一般要求防凍液安全、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長(cháng)等。

    年平均氣溫：地源熱泵運行最適合冬季熱負荷和夏季冷負荷相當的地區，在長(cháng)期的吸、放熱不平衡情況下會(huì )逐漸降低或升高土壤的年平均溫度。土壤溫度每降低1℃,會(huì )使提取同樣熱量的能耗增加3～4%。魏先勛等通過(guò)對長(cháng)沙地區不同深度地溫的長(cháng)時(shí)間序列觀(guān)測，認為在同一土壤熱物性情況下同一深度的土壤層內,其溫度的日變化和年變化可視為一種余弦函數形式的諧波；且在地表溫度最低時(shí),地下溫度處于較高狀態(tài),便于利用熱泵供暖；當地表溫度最高,地下溫度則是處于較低狀態(tài)，這恰好滿(mǎn)足供冷的需求。

    運行期間的降雨量：水平埋管受降雨量的影響要比垂直埋管強烈很多，主要原因是土壤的換熱效率隨著(zhù)土壤含水率的變化而波動(dòng)。在工程設計時(shí)，應當考慮當地的多年平均降雨量，另外還需考慮覆蓋層滲透性和植被的的影響。

    凍結影響：當冬季進(jìn)入埋管中的液體溫度低于0℃時(shí)，應當考慮換熱器周?chē)鷿裢寥赖膬鼋Y潛熱，設計地下換熱器尺寸時(shí)應當考慮這一因素，以免設計過(guò)于保守。

    2、水文地質(zhì)因素對熱泵系統設計的影響

    潛水水位：淺部巖土體以潛水面為界分為飽和帶和包氣帶，包氣帶是水、介質(zhì)顆粒和空氣組成的三相體，其含水率是空間位置的函數，而飽和帶則幾乎沒(méi)有空氣。水平埋管熱泵系統的地下換熱器大多數處在包氣帶，主要吸收淺部巖土體的熱量，其缺點(diǎn)是在埋深較淺時(shí)受外界氣溫影響較大，運行較不穩定，其優(yōu)點(diǎn)是易于檢查和修復，初投資相對低廉。北方地區常用的垂直埋管穿越包氣帶和飽和帶，潛水面以下溫度隨外界變化小，未受人工擾動(dòng)的埋管四周巖土體溫度幾乎恒定，其缺點(diǎn)是初投資較高，出現故障難以檢查和修復。

    巖土構成：淺部地層的巖性影響埋管的設計。原生巖石的形成溫度和壓力較大，結構致密，巖石顆粒的接觸面積較大，導熱能力強。松散的土壤介質(zhì)顆粒間接觸面積比較小，結構疏松，導熱能力弱。所以，在不考慮礦物成分的前提下，巖石的導熱能力比土壤大。在實(shí)際中，即使是同為飽和帶的含水地層，也會(huì )因介質(zhì)顆粒成分的差異造成熱擴散率的不同。由可知，熱擴散率是土壤的導熱系數、比熱容和土壤密度的函數。但是，因在巖石中埋管要比土壤介質(zhì)中困難的多，費用也大大提高。

    以上各種因素相互影響、相互制約，因此地埋管熱泵系統地下部分的設計是一個(gè)綜合的系統工程，它們共同決定了地埋管的深度、數量和間距，從而共同影響了工程的造價(jià)。

    3、結語(yǔ)

    地埋管系統設計是影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵，在實(shí)踐中，無(wú)論是水平埋管還是垂直埋管，都應當重視和綜合考慮當地氣象、地質(zhì)、水文地質(zhì)因素，結合實(shí)際施工條件，設計最優(yōu)的井數、井距和井深，選擇合理的鉆井工藝和回填材料，以最少的投資費用使系統發(fā)揮最大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

    地大熱能由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）組建，依托中國地質(zhì)大學(xué)的學(xué)術(shù)優(yōu)勢，組建了一批由海內外學(xué)者組成的世界一流的交叉人才團隊，聚集了十大優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域三十多位專(zhuān)家學(xué)者，定期研討地熱科學(xué)問(wèn)題、問(wèn)診地熱實(shí)際難題，在地（水）源熱泵換熱不夠、冷熱不均、填充不實(shí)、漏水、土壤溫度過(guò)低、井深不夠、水質(zhì)不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等問(wèn)題有著(zhù)豐富的經(jīng)驗及客戶(hù)案例。