王利（辽宁水文地质工程地质勘察院 辽宁大连 116037）
摘要：水源热泵可将水源中大量的低温位热能泵送（交替传递）转换成高温位热能并进行利用，而在使用地区是否有大量地位温的水源才是能否使用“热泵”的重要前提。通过对大连港区内各个水源热泵项目的分析与总结，能否建设港区浅层地温场的供水井，达到符合热泵要求的水温、水量和水质，是解决水源热泵中水源的关键。使之利用水源热泵技术，在港区实现冬季取暖，夏季制冷的新技术。
关键词：地温场 水源热泵 水文地质特征 适宜性Study on the adaptability of water source heat pump technology in Dalian PortAbstract: water source heat pump can be a lot of low temperature heat energypump (alternative delivery) into high temperature heat energy and use, andin the use of area of whether there is a lot of position temperature water is an important premise can be used "heat pump". Through the analysis of the variouswater source heat pump project Dalian within the port and the summary, can build harbor shallow ground temperature field of the water well, water temperature,heat pump to meet therequirements of water quantity and water quality, is the key to solving the watersource heat pump in. The use of water source heat pumptechnology, the realization of the winter heating in the harbor, the new technology of cooling in summer.Keywords geothermal field hydrological geology characteristics of the suitability ofwater source heat pump一、港区浅层地温场类型的划分水源热泵可将水源中大量的低温位热能泵送（交替传递）转换成高温位热能并进行利用；因而“水”与“泵”就是二个重要的前提，就是说泵是目前国家定型生产的，可以选择使用，而在使用地区是否有大量地位温的水源才是能否使用“热泵”的重要前提。
可以说能否找到丰富的地下水水源，满足热泵要求的水温、水量和水质是水文地质工作者研究的重要课题。通过对大窑湾港的大量勘察资料的整理、分析，我们梳理清楚了港区的地下水含水（存水）介质的埋藏、分布、边界条件及物质成分变化等，可以总结出大窑湾港区几种不同含水类型的浅层地温场环境类型。初步可总结为三种地温场环境类型：一是大面积回填层通透式地温场环境类型；二是通道式回填层的的地温场环境类型；三是吹填区差异性地温场环境类型。
二、浅层地温场的水文地质特征1、大面积回填层通透式地温场大窑湾港区的矿石码头，散粮码头、集装箱二期码头以东范围即属于此种类型。它的特点是回填层厚度大（15-22m）、范围广，呈不规则的沿海滨延伸的长方体，南北宽500-700m，长1000-2500m，以这种人工回填层形成形体，存满了北部来的海水与南侧陆相地下水，犹如一个看不见地下水库。
1.1 供水井水量的分析人工回填层中回填物质成分以碎石、块石为主，特别是矿石码头，填海碎石全是附近劈山取石，几乎全是石英岩碎块，含少量板岩及少量粘性土，成为理想的人工含水层。由于碎石、块石多，所以孔隙率高，形成渗透性好得含水层，渗透系数K 值达55.0-95.7m/d。实践证明开发该含水层，使之作为热泵水源，每眼井出水量达80-120t/h，个别井高达230t/h。远远大于水源热泵中对水量的要求。
1.2 供水井水温度变化的分析从陆地来讲，大连沿海陆地常年水井（100m 深度以内）地下水温的年变化为12-14℃，水温年变幅较小，主要原因是受稳定地温场的控制。
海滨区的水井，水温的变化除受气温的季节性影响外，还受海水温度季节性变化、潮汐、风向的影响，特别是介质条件与海的连通方式是直接影响因素。矿石码头地温空调供水井经2003 年11-12 月和2004 年2-3 月份4 个月的长期水井温度观测，测得结果是不低于9℃，（见矿石码头低温空调供水井水温观测曲线图）。集装箱码头二期工程业务楼、供水井2007～2008 年的观测资料可知水温最低的2-3 月份亦于7.5℃，满足了水源热泵的正常工作的要求（见集装箱二期供水井水温观测曲线）。
从如上水温观测资料可以看出，该地温场的供水井水温变化直接受海水温度变化影响较大，供水井在开发利用中，在开采水量保持不变的情况下，动水位的变化，随海水潮汐的涨落而变化，这种变化非常显著（见水位变化曲线图）。
2、通道式回填层地温场港口集装箱码头三期侯工楼的水源供水井就属于这种类型。供水井就选择在吹填区中呈南北走向垂直于海岸的围堰上。围堰的东西两侧吹填物是一些细颗粒的粉砂、淤泥、粘土层，富水性很差，没有选择供水井的余地。而围堰由人工回填而成，回填层为碎石、块石等组成，是一条通往大海的导水通道。
2.1 供水井水量的分析：根据勘察的成果资料分析，供水井的位置选择在围堰南缘的回填层区域，含水量由大变小的边界上，期中SJ3-6#的水量为229t/h、SJ3-7#的水量为210t/h 这二眼供水井水量较大能满足水源热泵要求，而SJ3-8# 井水量为3 t/h 较小。
围堰南北向长约600m，最大特点是人工回填层的围堰堆积物透水性好，与海水的连通性强，可以说围堰是海水的较好通道。而其周围吹填区的细粒堆积物，渗透性与海水的连通性极差，没有供水意义。
2.2 围堰上供水井的水位、水温、水质变化与针对排水管线（雨水大线）的试验分析由于围堰经强夯地基处理后，稳定性当然好于周围的吹填区，所以雨水排洪管线修建于围堰之上，而排水管连接处缝隙过大（5-8cm），管径φ1.40m，大量的管隙渗流，使海水随着潮汐变化，不断的向回填层中补给地下水，相当于海水由管道直接补给水源热泵的供水井，海水水温直接作用于地温场，破坏了围堰与周围介质应有的地温场稳定的前提条件，因而造成了2008 年2-3 月份水源热泵供水井水温的突降事故（见图）。为此与大连港及冰轮公司，对形成的原因进行了调查，并进行了一般性与雨水大线堵截的抽水试验工作。确定抽水时间为7 天，要求供水井抽水试验利用排水管，防止抽出的海水对供水井的直接补给影响。
于2008 年9 月19 日-26 日两个井同时进行了连续抽水试验工作，抽水设备用上海产深井潜水泵，流量为230t/h,两个井同时抽水量为460t/h（11040t/d），抽水期间对供水井的水位、水温、水质与海水温度进行了监测，对取得的数据进行如下分析：
2.2.1 场区地下水位变化通过抽水试验的分析两眼供水井连续七天抽水，供水井动水位的变化，随潮汐起落而变化（见图），抽水开始时，井水位起落受海水潮汐变化升降稍有滞后现象，SJ3-6#井距海近，井水位下降值一般5-10m，23 日退大潮时最大值可达12.6m；SJ3-7#井距海稍远，井水位下降值达6-11.5m，23 日退大潮时最大值可达12.75m；抽水井的动水位变化与海水潮汐潮高低变化成正相关，高潮时动水位较高，低潮时动水位降低值大。通过这次堵截雨水管道防止海潮入侵措施后的抽水试验，效果明显好于以往，而较大的水位降深值间接的说明了雨水管线没有大量海水短途径直接补给供水井，海水只能通过地层孔隙缓慢补给地下水，从而造成供水井动水位下降值加大，这是过去未见到的。
2.2.2 场区地下水氯离子的变化的分析场区地下水氯离子的变化与供水井距海的距离有关，即近海的SJ3-6#井氯离子含量较高为13088.2-14306.7mg/L，距井较远的3-7#井氯离子含量较低为11607.9-12727.1mg/L ， 而海水氯离子含量应在18000mg/L 左右, 供水井氯离子含量低于海水6000—4000mg/L，说明场区水源除海水补给外，还有淡水补给尤其是南部有大量淡水渗入（SJ3-7#约占1/3）。
集装箱码头三期侯工楼供水井氯离子表 表1
2.2.3 场区水温的变化通过气温、海水与井水的温度的观测可以看出，七天来气温变化较大，为22—31℃，海水的温度为23—25℃，井水温度为19—20℃，井水的温度值变化最小，井水的温度低于海水温度3—5℃，海水温度被地温场降温，说明地温场温度稳定，没有表现出与海水温度的同一性。
由于地温场地质条件稳定因素的影响，井水温度在7—9 月二次试验，其间井水温度稳定在17—20℃左右，远低于气温（24—35℃）也低于海水温度（22—25℃）充分表现了地温场冬暖夏凉的稳定特征。
3、吹填区差异性地温场吹填区广泛分布的大窑湾港的西部，集装箱码头侯工楼以西部位，东西长约1500m，宽600m 范围。集装箱码头三期业务楼，就属于这种类型。通过对该区在建港时的勘察资料得知，侯工楼一带回填层物质成分是以粘土含碎石为主，粘土含量约占50%以上，回填层厚8-11.0m，下覆海相含淤泥质粉砂及砂层粘土层，基岩为震旦系甘井子组灰岩。由于人工回填含水层厚度薄，粘性土含量大，透水性差，又加上周围吹填物属细粒堆积物，含水量微弱，该区又距离海较远，从范围来看，吹填面积较大，赋水介质的保温条件较好，供水水量远远小于东部区，仅13-15t/h，难以满足水源热泵供水井水量的要求。
地下水保温条件好于东部区其它两种类型地温场，不只从岩相分析条件得出，而从2008 年12 月份供水井同时抽水测得结果证实，业务楼井水温（13℃）高出侯工楼（10.5℃）2.5℃。而供水井提供水源的温度远远大于水源热泵所要求的水温。
从取样，水质分析资料可以看出，该区水中Cl-含量亦低于东部区，为4559.9mg/l，说明水源除受海水补给外，吹填区周围地下水的补给，还有下部基岩裂隙水的补给，均显示出不同的差异性特点。水质能满足水源热泵中水源水质的要求。所以该区在选择供水井时，应选择含水层厚度较大，含粘土成分少的地段，同时结合深部基岩含水条件、构造条件好的部位，综合考虑确定供水井位置。
三、水源热泵技术在港区适宜性的分析大窑湾港区从2004 年6 月、9 月分别建了矿石码头与散粮码头水源热泵，2005 年6 月建了集装箱二期码头业务楼水源热泵，2007 年4月与2008 年10 月又分别建了大连港集装箱三期辅建区五个单体水热泵与业务楼的水源热泵。这五处水源热泵从建成运行，一直使用至今，冬季取暖，夏季制冷均取得了较好的成效。其特点如下：1、供水井水量恒定不变，一直满足水源热泵的要求。矿石码头3个供水井水量保持在170t/h，散粮与集装箱二期业务楼供水井，水量保持在80-120t/h，满足了水源热泵的需要。集装箱三期侯工楼与业务楼分别提供了460t/h 与73-102t/h 的要求。
2、在水源热泵的使用期，均进行过一段长年时间的水量水温的监测；矿石码头测得的数据说明供水井水温冬季一般可保持在9-11℃。，只在极端冷的情况下，低于8℃。
集装箱二期业务楼，水源热泵监测资料（见图）最理想，一般情况下，水温在11-14℃，最冷季节地下水温不低于7.0℃。
集装箱三期码头侯工楼与业务楼，经2007 年、2008 年、2009 年春监测，一般情况下，水温在11-8℃，供水水温最低为7℃，满足水源热泵正常工作的需要。2008 年春初2-3 月份出现的雨水大线海水入侵的现象除外，雨水大线经堵截阀门处理后是可以克服海水侵入干扰地温场水温变化因素的，亦可保持水源热泵正常运行，达到冬季正常供暖的需要。
通过上述分析，在大连港区利用水源热泵技术，能实现冬季取暖，夏季制冷的新技术。但是在关键的水源地温场的选择上，应针对不同的地温场环境，采用不同的方式选择水源热泵供水井。
1、对于大面积回填层通透式地温场环境类型由于回填层主要为碎石和块石构成，是良好的导水通道，完全能满足水质、水量和水温的要求，可以离海岸线较远的任何区域布置供水井。
2、对于通道式回填层的地温场环境类型由于受到通道周围细颗粒堆积物的影响，出水量的差异性很大，供水井的位置选择很关键，应尽量布置在通道上，以确保水源热泵技术对水源水量的要求，并应防止管线中海水随潮汐的回灌，而直接影响到供水井的水温。
3、针对吹填区差异性地温场环境类型由于回填层中粘性土的含量高，严重的影响了水源热泵对供水井水量的要求，是三种地温场类型中水量最差者。而此场区覆海相含淤泥质粉砂及粘土层，基岩为震旦系甘井子组灰岩，受到稳定地温场的影响，石灰岩岩溶裂隙水的补给使供水井的水温远远高于水源热泵技术对水源温度的要求，是三种地温场类型中水温最优者。
四、水源热泵技术在大连港区使用中应注意和改进几个问题通过港区5 处水源热泵的投入使用，我们觉得几个问题还需要进行研究改进。
1、水量：大连取暖期共四个月，即11 月15 日至次年3 月15 日。
热泵运行的前二个月水温较高达10-14℃，此期用水量较小，后二两个月用水量加大，如何科学控制用水量是一个课题。
2、水温：供水井在开采过程中，随着季节气温与海水温度的变化，从11 月份开始水温东14-8℃间变化，热泵工作正常，供暖效果好，每年2 月中下旬一段时间地温场温度降至7℃左右，这是大连受海水温度影响，寒冷季节滞后所造成，这一段低温期时间虽短，但影响大，热泵设备如何适应这一变化。
3、排洪管（雨水大线）目前已变成每天潮汐进退的通道，海水入侵直接影响，降低地温场4-5℃温度，下一步必须在适当位置设计建筑长期性堵截阀门。以解决目前存在的矛盾，发挥地温场与热泵的正常功能。
4、供水井距热泵房较远时，如集装箱三期码头业务楼距供水井120-180m 时，管道损失热量达2℃以上（2008 年12 月中旬监测）造成浪费，尚需改进
论文作者:王利
论文发表刊物:《建筑模拟》2015年4月总第100期供稿
论文发表时间:2015-6-18
标签：水井论文; 地温论文; 水源论文; 热泵论文; 水温论文; 海水论文; 水量论文; 《建筑模拟》2015年4月总第100期供稿论文;