水文地质要素在地埋管热泵系统中的作用

    热泵技术是利用少量高品位的电能将低品位的浅层地温能提升加以利用的一种绿色技术，受到国际社会的重视。其中，地源热泵技术的成功应用，要求有稳定、足够的能量保障，运行不能产生地质灾害和环境污染。平博·PINNACLE中国热能研究人员介绍：地下换热器在地埋管地源热泵系统中占有很大的比重，其成功的关键在于根据特定的地质条件进行合理的埋管设计和施工。在实际工作中，要综合考虑工作区的气象、岩土热物性和水文地质参数等，才能够对系统进行优化设计，以合理的费用保障系统安全稳定运行。

    1、气象因素对热泵系统设计的影响

    年极端气温：年极端气温一般都出现于供暖和制冷期间，设计中，应充分考虑地埋管的材质和循环介质。在温度过高时，会出现浅部埋管变形，尤其是对浅层水平埋管要引起足够重视；如在寒冷地带，温度过低，应当考虑在循环介质中添加防冻液，一般要求防冻液安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等。

    年平均气温：地源热泵运行最适合冬季热负荷和夏季冷负荷相当的地区，在长期的吸、放热不平衡情况下会逐渐降低或升高土壤的年平均温度。土壤温度每降低1℃,会使提取同样热量的能耗增加3～4%。魏先勋等通过对长沙地区不同深度地温的长时间序列观测，认为在同一土壤热物性情况下同一深度的土壤层内,其温度的日变化和年变化可视为一种余弦函数形式的谐波；且在地表温度最低时,地下温度处于较高状态,便于利用热泵供暖；当地表温度最高,地下温度则是处于较低状态，这恰好满足供冷的需求。

    运行期间的降雨量：水平埋管受降雨量的影响要比垂直埋管强烈很多，主要原因是土壤的换热效率随着土壤含水率的变化而波动。在工程设计时，应当考虑当地的多年平均降雨量，另外还需考虑覆盖层渗透性和植被的的影响。

    冻结影响：当冬季进入埋管中的液体温度低于0℃时，应当考虑换热器周围湿土壤的冻结潜热，设计地下换热器尺寸时应当考虑这一因素，以免设计过于保守。

    2、水文地质因素对热泵系统设计的影响

    潜水水位：浅部岩土体以潜水面为界分为饱和带和包气带，包气带是水、介质颗粒和空气组成的三相体，其含水率是空间位置的函数，而饱和带则几乎没有空气。水平埋管热泵系统的地下换热器大多数处在包气带，主要吸收浅部岩土体的热量，其缺点是在埋深较浅时受外界气温影响较大，运行较不稳定，其优点是易于检查和修复，初投资相对低廉。北方地区常用的垂直埋管穿越包气带和饱和带，潜水面以下温度随外界变化小，未受人工扰动的埋管四周岩土体温度几乎恒定，其缺点是初投资较高，出现故障难以检查和修复。

    岩土构成：浅部地层的岩性影响埋管的设计。原生岩石的形成温度和压力较大，结构致密，岩石颗粒的接触面积较大，导热能力强。松散的土壤介质颗粒间接触面积比较小，结构疏松，导热能力弱。所以，在不考虑矿物成分的前提下，岩石的导热能力比土壤大。在实际中，即使是同为饱和带的含水地层，也会因介质颗粒成分的差异造成热扩散率的不同。由可知，热扩散率是土壤的导热系数、比热容和土壤密度的函数。但是，因在岩石中埋管要比土壤介质中困难的多，费用也大大提高。

    以上各种因素相互影响、相互制约，因此地埋管热泵系统地下部分的设计是一个综合的系统工程，它们共同决定了地埋管的深度、数量和间距，从而共同影响了工程的造价。

    3、结语

    地埋管系统设计是影响工程质量的关键，在实践中，无论是水平埋管还是垂直埋管，都应当重视和综合考虑当地气象、地质、水文地质因素，结合实际施工条件，设计最优的井数、井距和井深，选择合理的钻井工艺和回填材料，以最少的投资费用使系统发挥最大的经济和环境效益。

    平博·PINNACLE中国热能由中国地质大学（武汉）组建，依托中国地质大学的学术优势，组建了一批由海内外学者组成的世界一流的交叉人才团队，聚集了十大优势学科领域三十多位专家学者，定期研讨地热科学问题、问诊地热实际难题，在地（水）源热泵换热不够、冷热不均、填充不实、漏水、土壤温度过低、井深不够、水质不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等问题有着丰富的经验及客户案例。