王立發 江劍
（北京市地質工程勘察院）
摘要：水文地質勘察技術是地下水地源熱泵技術的核心，也是地下水地源熱泵項目能否成功運用於實踐的關鍵。本文通過介紹北京人民警察學院水源熱泵項目實例，對此做了論述。
引言
水源熱泵技術由成熟的暖通空調技術、熱泵機組技術和地質勘察技術組成。在我國，暖通空調技術和熱泵機組技術已經得到了長時間、廣泛的應用，已非常成熟。因此，水源熱泵技術能否成功應用的關鍵是地質勘察技術能否解決能源的提取與水資源的保護的問題。在推廣水源熱泵技術實踐過程中，由於各地區地質和水文地質條件的復雜性和多變性，巖（土）層的導熱性和水文地質參數差異巨大，在壹個地區能成功應用的地下換熱系統，在另壹地區往往並不適用。目前，由於壹些水源熱泵工程承包方（主要為熱泵機組廠家、系統集成商和暖通空調安裝公司）不了解各地區地質、水文地質條件和回灌工藝，盲目承包水源熱泵系統工程，導致出現了許多不該出現的問題，如抽取的地下水回灌不下去或回灌量不足，不僅浪費了寶貴的地下水資源，還造成不良的生態、環境和經濟後果。本文以北京人民警察學院水源熱泵項目為例，詳細介紹了傳統水文地質勘察技術在水源熱泵市場上的應用。
1 項目簡介
北京人民警察學院位於昌平區南口鎮辛莊村北，太平莊西側。工程總建築面積約18萬m2。
校區***有20余棟多層建築。行政教研樓5層，地下1層；禮堂3層，地下1層；其余為2～4層建築。外墻材料為300mm厚加氣混凝土砌塊，傳熱系數為0.82W/（m2·K）。屋面保溫材料為60mm厚的聚苯板或金屬保溫板，傳熱系數為0.6～0.78W/（m2·K）。外窗鋁合金雙玻璃窗，傳熱系數為3.5W/（m2·K）。
2 熱泵技術方案選擇
工程設計方在綜合比較了各種傳統的供暖、制冷方案後，決定采取經濟、環保、節能的熱泵中央空調技術實現冬季供暖、夏季制冷和常年生活熱水。經設計方計算，采暖熱負荷為15153kW，空調冷負荷為16081kW。
北京市地質工程勘察院受北京人民警察學院籌備處委托，承擔了熱泵技術方案的地下換熱系統的勘察設計與施工。依據當地水文地質條件，擬采用地下水地源熱泵技術。
接受任務後，我院立即組織了地質及水文地質專家對現場進行了初步踏勘，並結合分析、整理前人工作的成果資料，初步查明：
（1）場區位於虎峪沖洪扇頂部，第四系地層以砂卵礫石層夾粉土、粘土層為主，埋深在40～90m之間，下伏薊縣系縣霧迷山組灰巖，場區地層巖性見表1。
表1 場區地層巖性表
（2）場區第四系含水層以砂卵礫石層為主，富水性不均壹，單井出水量壹般小於150m3/d。由於場區位於沖洪積扇頂部，地下水埋藏較深，場區內原有農業井地下水位埋深達到77.20m，砂卵礫石層大多處於疏幹狀態。
（3）場區第四系地下水補給來源主要有：雨季洪水形成地表徑流入滲、大氣降水入滲和山區基巖地下水側向徑流。場區地下水消耗主要為側向徑流和人工開采。
（4）場區地下水動態明顯具有沖洪積扇頂部潛水動態特征，雨季來臨前地下水處於最低水位，雨季水位迅速回升，水位變幅10～20m。
上述水文地質條件分析得出，在場區采用地埋管地源熱泵技術存在兩個主要問題：①初步測算，為了滿足系統最大負荷運行，按每孔深度100m，下入單U，PE管計算，需鑿孔4000個左右，由於場區地層主要為砂卵礫石層，施工小口徑孔（＜150mm）難度巨大，幾乎不可能完成，如果加大成孔口徑則成本大幅度上升；②如果按正方形布置4000個孔，需占地超過10萬m2，場區無法滿足這個條件。由此得出：地埋管地源熱泵技術在場區存在兩個無法解決的技術障礙，不能采用。
3 水源熱泵地下水換熱系統勘察
通過初步的水文地質勘察論證，場區唯壹能采用的熱泵技術方案只有地下水地源熱泵方案。經設計部門計算，系統按最大負荷運行時，總計需水量1170m3/h。
場區第四系含水層富水性不均壹，受季節性影響較大，旱季時含水層已部分被疏幹，不具有穩定的供水意義。至此，壹般非地質勘察專業的水源熱泵工程承包方將放棄該項目，或盲目在第四系地層中鑿井取水，導致在旱季出現主機、外管線、室內中央空調系統已安裝就緒的情況下卻無水可取的局面，帶來巨大的經濟損失。因此，通過地質勘察技術能否找到足夠的地下水資源已成為北京人民警察學院水源熱泵供暖、制冷工程能否上馬的關鍵。
我院地質勘察專家在初勘時已發現場區下伏基巖為薊縣系霧迷山組白雲巖、白雲質灰巖。該地層為北京地區三大基巖巖溶地下水供水巖層之壹（奧陶系灰巖、寒武系灰巖和薊縣系白雲巖），也是北京地區地熱資源主要開采目的層。因此確定勘察場區下伏薊縣系霧迷山組白雲巖、白雲質灰巖含水層為本次勘察工作的重點。
3.1 勘察工作任務、方法
勘察工作任務是：評估擬建場區基巖（薊縣系霧迷山組）含水層小時取水量1170m3的可行性；如果取水可行，進壹步評估所取水量全部回灌的可行性；然後設計抽、灌井數量、分布、結構等。
我院在擬建場區地質及水文地質研究程度較高，本次勘察工作以搜集、整理和分析前人研究成果為主，並適當補充地下水位動態觀測。
3.2 勘察工作分級及工作區範圍
經設計部門計算，系統最大負荷運行時，需水量為1170m3/h，也就是高峰日需水量已達28080m3。按GB50027?2001《供水水文地質勘察規範》要求，符合中型水源地標準（1萬m3/d≤需水量＜5萬m3/d）。
場區附近地質構造復雜，斷裂發育，主要為北東向和北西向斷裂構造，在場區西南2.5～3km處分布有南口-孫河斷裂，場區西北2.5km處分布有南口山前斷裂及陽坊-西沙屯斷裂。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層位於巖溶地下水補給區，埋藏較深，富水性不均壹，屬水文地質條件中等的地區。
我院在該區已進行了壹定的水文地質勘察工作，已有多份其它勘查目的的勘察成果報告供參考，據此，將場區勘察階段定為勘探。
3.3 勘察工作成果
通過壹個月左右勘察，查明了場區下伏薊縣系霧迷山組含水層的巖性、埋藏分布特征、富水性等，成果簡述如下。
（1）勘察工作目的層巖性特征。薊縣系霧迷山組白雲巖、白雲質灰巖，主要分布於太平莊山前至平原地帶，隱伏於山前第四系沖洪積物之下，在場區呈NE—SW條帶狀分布。巖性主要為灰白色白雲巖、白雲質灰巖、燧石團塊白雲質灰巖及結晶白雲巖。
（2）勘察工作目的層水文地質特征。場區下伏薊縣系霧迷山組巖石風化破碎嚴重，巖溶裂隙發育，特別是在斷裂構造帶附近巖溶裂隙尤其發育，表明該含水層富水性好、儲存量大、滲透性強、回灌能力強，是理想的供水水源目的層。據前人抽水試驗資料，該含水層湧水量可達150m3/h。近年來，由於地下水位持續下降，出水量應該有所降低。
（3）勘察工作目的含水層補、徑、排條件。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層補給來源除少量大氣降水通過入滲補給第四系，再進壹步滲透補給本層外，主要為北部裸露基巖山區接受大氣降水入滲補給後側向徑流補給。人工開采和向南側向徑流出本區是含水層主要排泄渠道。
（4）勘察工作目的層水化學特征、水溫。據前人資料，場區下伏薊縣系霧迷山組含水層地下水水化學類型單壹，屬?Ca2＋?Mg2＋型水，礦化度400mg/L左右，總硬度220mg/L左右，水質良好，符合《飲用水衛生標準》（GB5749?85）。根據前人資料，該區地下水實測水溫為15℃。
（5）勘察工作目的層地下水動態特征。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層地下水位埋深在80m左右，每年6、7月份水位最低，8、9月份水位最高，年均變幅在5m左右。
3.4 勘察成果綜合評估
薊縣系霧迷山組含水層巖溶裂隙發育，富水性好，滲透性強，單井湧水量可達150m3/h，並且其儲存量大，水質良好，施工8眼水井即可滿足水源熱泵項目的用水需求。
薊縣系霧迷山組含水層補給區位於北部山區，補給面積大，加之所取水量在提取能量後還要全部回灌入地下，因此取水量是完全有保證的。薊縣系霧迷山組含水層水質、水溫均符合水源熱泵項目要求，但由於水位埋深大，需多耗電能從井中抽水。
為盡量將抽取的地下水回灌入同壹含水層中，還需施工8眼與抽水井完全相同結構的回灌井。因單井回灌量小於取水量，還需施工4座沈砂回灌輻射井，其原因是減少造價昂貴的基巖井數目，從水文地質角度講由於場區第四系地下水滲透補給薊縣系霧迷山組含水層地下水，因此地下水回灌入第四系地層中後，實際上也能滲透補給基巖水。
因此，只要抽、灌井分布、設計合理，場區隱伏薊縣系霧迷山組含水層完全可以滿足水源熱泵工程需水量的要求。
4 抽、灌井分布、設計、施工
4.1 抽、灌井分布
水源熱泵空調系統夏季制冷和冬季供暖運行時，必然會改變區域地下水原始流場。在抽水井周圍地下水等水位線呈“錐”狀，相反在回灌井周圍地下水等水位線呈“漏鬥”狀。地下水溫度場也會隨著地下水流場的改變而改變。具體地說，隨著回灌水在含水層中的緩慢流動，回灌水的溫度會逐步與地下水常溫趨於壹致，也就是回灌水在地下含水層中會有壹個“溫度影響半徑”，其大小受到回灌量、回灌溫度與地下常溫的差值大小、含水層的滲透性和熱傳導率等因素控制。如果抽、灌井之間的距離小於“溫度影響半徑”，將發生“熱突破”現象，導致在夏季制冷期，抽水井處的溫度將升高，而在冬季供暖期，抽水井處的地下水溫度降低。結果導致水源熱泵空調系統的運行效率降低。因此，合理的抽、灌井間距是水源熱泵空調系統高效運行的重要因素。
開采井、回灌井的布設原則應是在充分了解當地水文地質條件的基礎上結合以下因素***同確定：①工程的開采（回灌）水量；②地下水開采時溫度和回灌溫度（能量提取大小）；③地下含水層的滲透性和空隙率；④地下含水層厚度、地下靜、動水位及地下水流場；⑤應盡量避免對地下水的自然狀態產生影響，不能產生相關的環境地質問題。
在綜合考慮了上述因素及地下水流向（由東北流向西南）後，8個供水井沿校區西、南邊界布置，井間距200～300m。8個回灌井布置在校區中部較大範圍內，使回水回灌至上遊，以保證水源的充足、穩定。
4.2 抽、灌井設計
抽、灌井設計嚴格按GB50296—99《供水管井技術規範》要求進行。泵室段深度需綜合考慮抽水試驗成果資料、地下水位年變幅和近年來由於連續幹旱造成的地下水位持續下降的情況確定。
4.3 抽、灌井施工
抽、灌井施工嚴格按GB50296—99《供水管井技術規範》要求進行。2003年8月，我院施工完成了所有抽、灌井及沈砂輻射井。
5 項目運行情況
全部水源熱泵系統於2003年10月建成，同年底在冬季供暖中投入使用，到目前已正常運行了三個供暖/制冷季（含生活熱水）。監測表明：抽水井出水量、水位、水溫、水質等參數保持穩定，所有抽取的地下水全部回灌入地層中，區域地下水位未有明顯變化，也未產生任何相關的環境地質問題。
由於整個系統還采用變頻調速控制技術，根據熱泵機組流量、壓力的要求，潛水泵變頻運行，最大限度地實現了節水節電，因此整個系統經濟效益十分顯著，同時也帶來巨大的社會效益和環境效益，參觀團絡繹不絕，建設單位十分滿意。
6 結語
水文地質勘察技術是地下水地源熱泵技術的核心，也是地下水地源熱泵項目能否成功運用於實踐的關鍵，北京人民警察學院項目就是壹個很好的實例。通過水文地質勘察工作，逐步否決采用①地埋管地源熱泵技術；②第四系地下水地源熱泵技術，同時創新性的提出采用基巖巖溶地下水作為冷熱源，是本項目能夠成功的基礎。
嚴格按照供水水文地質勘察規範要求，進行水源熱泵項目地下水換熱系統的勘察工作也是水源熱泵項目能否成功運用的重要因素。在本項目勘察過程中，從勘察的分級、範圍、階段到抽、灌井的設計和施工，我們均嚴格執行規範要求，所有抽、灌井成井質量都達到優級，這也是保證項目能夠成功的重要組成部分。
2006年1月1日實施的GB50366—2005《地源熱泵系統工程技術規範》，已將地下水換熱系統水文地質勘察列為強制性條款，這足以說明水文地質勘察在水源熱泵項目中的重要性，同時也證明傳統水文地質勘察在水源熱泵項目中是大有作為的。
參考文獻
［1］徐偉，郎四維.地源熱泵工程技術指南.北京：中國建築工業出版社，2001
［2］羅英.北京警察學院集中空調水源熱泵系統設