浅层地能（热）开发利用中值得注意的问题

  地表水（江、河、湖、海等）、空气、城市污水、电厂循环冷却水等低品位热源都很方便被采集，供热泵提升后为建筑物供暖（冷）。地表水低温能量的采集虽然很方便，但受气候的影响，温度变化很大，特别是北方寒冷地区．水温和气温很低，能量采集必须考虑结冰防冻问题，同时由于温度过低，热泵系统的能效比(COP值)降低并同时影响其额定热输出功率。
 
  浅层地能（热）（地下水和土壤）的能量采集虽然不如前者来的方便，但是其低温能量相对很稳定，温度水平略高于当地气候的年平均温度，春夏秋冬基本恒定，只要能量采集的工艺手段恰当合理，热泵系统的能量平衡是相对稳定的。
 
  浅层地能（热）开发利用应注意如下一些问题。
 
  （一）浅层低温地能（热）是建筑物供暖f冷）能源的最佳选择。
 
  浅层地能（热）一般温度相对恒定《25℃)，经过热泵提升至建筑物供暖需要的温度（一般50-60℃），热泵系统能效比很高（一般COP可达3-5），这种能量地下储量巨大，且可恢复再生，夏季制冷时将热量排入地下，冬季供暖时在地下取热，再将冷量排人地下，循环利用。对于无地下水流的水文地质条件它可平衡地下温度场。浅层地能（热）热泵系统可用于建筑物供暖（冷），也可以用于工业生产所需要的冷热源。浅层地能（热）在开发利用中重点应放在建筑物的供暖（冷）方面。
 
  在工业发达的国家中，建筑物是能源消耗的大用户。随着经济的发展，人们生活品质的提高和对舒适生活环境的追求，建筑物的能源消耗比例也逐渐加大。以20世纪80年代美国为例，建筑物（包括住宅和商业楼）消耗的能量占总耗能量的33.6%。其中用于采暖达53.3%（相当于总耗能量的17.9%），热水耗能量12%（相当于总能耗的4%），空调耗能量7.4%（相当于总能耗的2.5%），制冷6.5%（相当于总能耗的2.2%），其他20.8%（相当于总能耗的7%），也就是说，建筑中约有80%的耗能量（相当于总耗能的26.6%）  用于采暖、空调和生活热水供应。90年代瑞典建筑物的能耗已占全国总能耗的45%。因此，建筑物选用合理的供热系统，对节省能耗意义重大。
 
  浅层地能（热）的热泵供暖（冷）系统，不仅能源利用是高效的（一般用l kW的电，采集3 kW浅层地能，为建筑物提供4 kW的热功率），而且，在整个供暖（冷）过程中，无任何气态、液态和固态排放物，实现使用区域的零污染。这种可再生的低温地热能广泛应用于建筑供暖（冷）领域，确实是一项重大的能源变革。
 
  （二）保护地下水资源，采用单井抽灌技术。
 
  浅层地能（热）（地下水、土壤）虽然储量巨大，四季可再生，但对于具体的地域不同的水文地质条件，其开发利用还是要有选择的，什么场合适合于浅层地下水低温能量的采集，什么场合适合于土壤低温能量的采集，采集的规模多大，用何种方式，开发利用不能过度，否则不仅影响经济性、安全性，还会造成地下水文地质条件的破坏。
 
  地下水资源的利用——低品位热采集技术使用和限制的条件可考虑如下几点：
 
  (1)我国地下水四季温度不同地区一般为6-24℃，基本保持恒温（见表2-12）。采用电动压缩式热泵，利用地下水的低品位热源，对建筑物供暖（冷）是十分有价值的，如100 t/l冰利用5℃温差，经热泵技术提升后供暖，可提供约700 kW的热量，这相当于1 t/h锅炉的供热量，一个采暖季可替代标准煤325 t（或206 t轻柴油，或25万m，天然气）。这是我国解决冬季供暖、夏季制冷的重要节能环保措施，政策上应积极给予支持。
 
  (2)采集地下水低品位热时，要求做到：只用其热，不消耗水，用后必须回灌地下。除非有较大需水用户进行二次利用外（需特批）。
 
  (3)地下水采集井深度应避开地下生活饮用水区（一般在400 m以下）。在地下水有条件的地区应尽可能采用地下百米以内的浅层地下水，作为低品位热能的采集区。
 
  (4)回灌水尽可能就近回灌。在不影响热动力工况下，应积极推广“单井抽灌”技术。
 
  不具备“单井抽灌”条件的可采用双井，一抽一灌，且回灌井应设置在抽水井的上游区，井位间距离一般应在10-20 m。
 
  (5)地下水采集井、回灌井的井位应远离城市区域供水站，且应设置在其下游区，间距应大于100 m。
 
  (6)回灌井深度不宜接近地下生活饮水区，一般与抽水井深度相当（同层回灌）。
 
  (7)回灌水必须受监控（具体办法另定），严防被污染，杜绝水资源的浪费和污染，有效合理地利用地下水资源。
 
  (8)采用地下水源热泵时，水源的选择条件应为：水量充足，水温适当，水质良好，供水稳定，易于回灌。具体应考虑：①地下水取水深度多在100 m以内；②各含水层厚度一般应大于5 m;③冬季地下水温应不低于10℃；④地下水含沙量应不大于1/200 000;③回灌水严格控制其水质，基本与抽水水质保持不变，一般水中氧化钙含量应低于200 mg/L，总矿化度应小于3 g/L，氯离子含量应小于100 mg/L;硫酸根含量应小于200 mg/L，铁离子含量应小于1 mg/L；硫化氢含量应小于0.5 mg／L。
 
  (9)目前，虽然还没有回灌水水质的国家标准，但回灌水至少应等于原地下水水质，以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。因此，应遵守以下条款：①地下水应在封闭系统中输送；②热泵空调系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造；③取水管路上和回灌水管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀；④定期对地下水进行化验，并将化验结果报送有关部门备案；⑤如发现地下井水异常，特别是水中出现化学物质或其他无关物质时，应及时与有关部门联系，并采取措施。
 
  (10)地下水回灌的方法有三种，即真空回灌、重力（自流）回灌和压力回灌。
 
  ①真空回灌。真空回灌是利用颇低的静水位(低于地面10 m)形成真空进行回灌，含水层渗透性要良好。由于回灌时，对井的滤水层冲击力不强，所以很适用于老井。采用真空回灌，对于颗粒含水层，回灌量一般为取水量的1/3 - 1/2；对于粗颗粒含水层，回灌量可达取水量的1/2 - 2/3。
 
  ②重力回灌。依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层，此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层，此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层，其回灌量一般为取水量的50%；对于渗透性好的砾石层来说，回灌量可达取水量的75% -90%。
 
  ③压力回灌。压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层，其缺点是回灌时对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。
 
  (11)为了预防井管堵塞，及时清除堵塞含水层和井管的杂质，在进行回灌以后，经常开泵，排除回灌井水中的堵塞物，即进行回扬。回灌并的回扬次数和回扬持续时间，主要取决于含水层颗粒大小和渗透性。在岩溶裂隙含水层中的回灌井，长期不回扬，回灌能力仍能维持不变；在松散粗大颗粒含水层中的回灌井，每周回扬1-2次；在中、细颗粒含水层中的回灌并，回扬间隔应进一步缩短；而对于细颗粒含水层中的回灌井来说，经常回扬尤为重要。
 
  (12)尽可能加大使用温差，减少地下水用量，并降低输送动力。
 
  （三）与高舒适度低能耗建筑配用，合理的运行设置至关重要。
 
  浅层地能（热）开发利用于建筑供暖（冷）是建筑供暖（冷）能源上的革命，但为使其高效安全经济运行，降低初始投资，提高使用寿命期的投资回报率，使其为社会认可，使用者易接受。这项技术在推广使用的同时必须与建筑节能技术相结合，在节能建筑上的应用  会产生更大的效益。
 
  目前我国能耗消耗总量每年达13亿t标准煤，已占世界第二位，其中城市建筑能耗占1/5-1/4.但是；我国建筑单位面积能耗_仍是气候相近的发达国家的3-5倍，建筑能耗大是十分严重的。目前欧洲低能耗建筑执行的标准（建筑热指标）为15 - 25 W/m2。
 
  我国1996年7月1日施行的“民用建筑节能设计规范”规定采暖热指标为20 - 22.7W／平方米。高舒适度建筑是指建筑物室内自由温度冬季约16℃、夏季约27℃。
 
  建筑物室内自由温度冬夏控制在一定范围内即可，不必将冬季室内控制温度设定过高，夏季设置过低，这样冬季可大幅度节约供暖能源，夏季减少用电峰值的同时，又防止了因室内外温差过大而感冒。家庭生活的点滴习惯背后，隐藏着惊人的电力消耗。就拿夏季空调来说，居民家用空调能耗在城市夏季用电中的比重一般达到15%左右，以北京为例，全市空调普及率为70%，居民空调装机容量约占全市最大供电负荷的17%。空调的设置温度不宜过低，最高设定为27-28℃。冬季、夏季室内温度每调低、调高1-2℃，其功率消耗将下降5% - 10%。全国13亿人口，平均每人每天节约1 kWh电，一年下来就会少烧2亿多盹原煤。对节能建筑，浅层地能（热）热泵供暖（冷）合理的运行是十分重要的，这不仅仅是节约能源，还使浅层地能采集产生更大效益，降低成本，更有竞争力。
 
  实现高舒适度低能耗建筑的具体措施如下：
 
  (1)墙体、屋面围护结构的保温，使传热系数降至0.2-0.3 W/(m2．K)；(2)有效遮阳措施：
 
  (3)优良窗性能（合理的采光面积，良好的密闭性）；(4)采用LOW-E玻璃；(5)匹配的采暖空调系统（如浅层地能热泵系统）；(6)网层隐蔽节水型排水系统等。
 
  （四）浅层地能（热）的采集规模设计应与建筑物供暖（冷）面积（冷热负荷）相匹配。
 
  我们知道，土壤、砂石、岩石及地下水的导热能力很差（A黄土=1.41，λ砂岩=2.0，λ回填砂-2.2，λx=0.5，λ水=0.6，λ混凝土=0.75 - 0.8，λ金属=2.2 - 420，λ铜=386 W/( m'℃)，如果不考虑如下因素：①地下水渗流的影响；②地下土壤对流和辐射的传热；③地下水文地质的特殊构成的影响。仅考虑热传导的话，地下低温能量的传送是很慢的，也就是说，地下具有一定储热、储冷能力，热泵夏季供冷时把热量送人地下，冬季利用可储存的热量提升后为建筑物供暖，而把冷量送入地下储存起来。当然，如果考虑上述三个因素后，地下储能在冬夏都有流失。
 
  另一方面，打井取地下水的低温能量和打竖孔用埋管取土壤砂石的低温能量，对一个单元体来说，两者的能量采集是有差别的。前者取决于地下水量和水温，一般打一口井可采集的热量和对应的供暖面积参考值如表2-13所示。
 
  地下含水层渗透系数K( m/d)和井的出水量有密切关系，在不同的地下水文地质条件下，渗透系数各不相同，一般K>10称强透水性；K=1-10称透水性；K=0.01-1称半透水性；K= 0.01-0.001称弱透水性；K<O.O01为不透水性。一般从浅层地能（热）采集角度，我们希望地下水的渗透系数K>5，处于富水区，每小时每米降深可提供3.6m3以上的水量，当K= 10时，可提供地下水量达18 立方米/(h' m)。按5m降深取水，出水量可达每小时90 立方米。
 
  工程设计中，取水井离需供暖的建筑物不宜过远，一般超过10 m即可。根据供暖面积和制热负荷及冬季地下水温状况确定打并的数量，通常每口井的出水量（对于富水区）在60 - 200  立方米／h范围供选用。对于万平方米建筑供暖一般打1-2口井即可，对于大型建筑群供暖，需要打多口井，项目设计中可以采用两种方案，视具体情况而定。
 
  (1)多井联网，集中机房，楼群统一供暖；(2)单井与建筑直联，分散机房，单元分散供暖。
 
  打多井时，井间布置应垂直地下水渗流方向，井间距至少应保持10 m以上。
 
  浅层地能，土壤取热所采集的能量比有地下水的地方差的很多，一般钻一个100 m以内的孔仅靠土壤岩石的换热可采集的热功率为2.5-3.5 kW。土壤竖孔单元体内储存的低温能量有限，在地下深100 m，井的影响区按国外数据6m直径计算，该圆柱体积储存的可采集的（5℃温差）低温热量为4 100万kj(相当于1.4 t标准煤)，若每个竖孔的热采集功率为3 kW，储存地下这部分的热量可维持158天，即满足一般北方城市4个多月的采暖需求。若井的影响区按国内某些院校的数据3m直径计算，该体积内储存的可采集（5℃温差）的低温热量为1 034万kJ相当于354 kg标准煤），同样每个单元竖孔热采集功率为3 kW时，它仅能维持40天的供暖需求，看来竖孔间距3m偏小，至少Sm以上的间距才能基本满足需要。以上是简单的估算，有待试验进一步验证。
 
  （五）浅层地能（热）的能量采集是热泵供暖系统的关键。
 
  在工程配套设计施工中不仅要从能量的稳定、合理的采集考虑，还要特别注意环境效益，不污染地下水，不破坏地下地质结构，保护地下水资源，具体考虑如下：
 
  (1)热泵供暖系统用地下水采集其浅层地能（热）时，应遵循如下原则：①积极支持浅层地能（热）可再生能源的采集开发和利用；②打井深度限制在地表浅层400 m以内，远离400 m以下的国家二级水质区域，保护生活饮水区，根据具体的水文地质条件确定打井深度，一般在100 m以内（地下水受污染层）；③只用其热，不耗其水，用热后必须全部回灌，并监控回灌的实施；④对于一抽一灌、一抽多灌的双井和多井要严格审批，限制打井数量；⑤井间距和井与建筑物的相对位置要合理；⑥井位要远离城市供水站；⑦能打少井不打多井，地下水不可过度开采；③系统采用大温差小流量，以降低动力消耗等。
 
  (2)积极推广单并抽灌技术，水系统封闭回路运行，回灌水质对地下水未构成污染，平衡地下水位，防止移砂、抽空和淤塞。
 
  (3)无论何种方式回灌水的水质、水温必须监控，回灌水水质至少应与原采集地下水的水质相当，并定期化验。
 
  (4)浅层土壤低温热量采集，竖孔深度、数量、孔间距应根据具体地域、土壤结构、所需负荷大小来确定：①一般每个竖孔低温土壤热采集量为2.5-3.5 kW，孑L间距以保持S m以上为宜；②土壤埋管采用U形高密度PEX管，地下应无接头，若采用钢制套管式换热器，要考虑防腐；③竖孔孔径不宜过大（用U形管换热器一般Φ150即可，若用套管式换热器，孔径一般小于400 mm)；④竖孔土壤埋管周围回填料应按一定比例粒径特殊制作，以强化与土壤接触边界层换热的能力，可以做到导热系数比土壤大1倍左右；⑤考虑投资成本和占地面积、土壤取热的热泵供暖系统更适合于小型建筑面积，一般以1 000 平方米以下为宜。