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【摘 要】 我国非常重视可再生能源的开发和利用，可再生能源在能源利用中的比例正在逐渐增大。地源热泵作为一种经济环保的可再生能源受到广泛的关注。其中地下水是地源熱泵的重要热源和冷源，在进行开发利用时，进行水文地质勘察，能够对地下水进行评估，有利于地源热泵开发科学合理的进行。
【关键词】 地源热泵;水文地质;勘察;开发
1 常见地源热泵系统
就目前的技术而言，我国的地源热泵空调系统主要可以分为三种形式：其一为土壤地源热泵系统;其二为地下水地源热泵系统;其三为地表水地源热泵系统。这三种形式的地源热泵空调系统都具有各自不同的优点与应用范围，在实际的工程应用中，应当因地制宜，合理选用最佳的地源热泵空调系统。
1.1土壤热交换器地源热泵
土壤热交换器地源热泵是利用浅层土壤热量进行能量交换的系统。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭的循环管内流动，实现系统与大地之间的能量交换，地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管2种。
1.2地下水源热泵
地下水源热泵的热源是抽取地下水。地下水源热泵的能量交换方式有2种。一种是开放系统，利用水质良好的地下水直接进入热泵换热，之后将井水回灌地下;另一种是封闭系统式，采用交换器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵造成影响。实际工程中常采用封闭式环路的热泵循环水系统。
1.3地表水地源热泵
地表水地源热泵系统由潜在水面以下的热交换器取代土壤热交换器。地表水热泵系统的冷热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等含有大量自然水体的地方，可充分利用自然水体作为热泵的冷热源。
2 工程案例
辽宁地质科技园冬季供暖系统拟利用地下水源热泵，在开发前先进行水文地质勘察。经勘察，本工程所在地层含有填土、中细砂、卵石、花岗岩等，并分为第一含水层和第二含水层，第一层含水层以中细砂和填土为主，潜水含水层由中细砂构成，平均厚度为14.91m;第二层含水层以卵石为主，承压含水层由卵石构成，平均厚度为27m。根据工程含水层的特点，将2个抽水试验孔布置在第一含水层为回灌试验使用，3个水位观测孔布置在第二含水层上。通过抽水、回灌、水温量测、水质分析、流速测定等试验，确定利用地源热泵的可行性。
3 地下水源热泵的工作原理和特点
3.1地下水源热泵的工作原理
地下水源热泵是以地下水为介质来提取下水中的能量实现制热和制冷的空调系统，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器等组成（见下图）。其工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到地下水中，由于地下水温度比夏季室外环境温度低很多，所以可以高效地带走热量，以达到制冷的目的。而在冬季则从地下水中提取能量，利用地下水为热泵机组制冷剂提升温度后送到建筑物中，达到制热的目的。地下水源热泵机组通过消耗少量高位能量（电能），将地下水中不可直接利用的低位热量提取出来，变成可以直接利用的高位能源，实现低位热能向高位热能转移。
3.2地下水源热泵的技术特点
与传统空调系统相比，地下水源热泵空调系统具有如下特点：
（1）高效节能。地下水源热泵冬季利用的地下水温度比外界环境温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季地下水温度比外界环境温度低，制冷的冷凝温度降低，空调机组效率提高。据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。
（2）绿色环保。地下水源热泵是以地下水作为传热介质与含水层进行热交换，不需要消耗地下水资源，不会对地下水产生污染，系统运行过程中，无燃烧，无渗漏，无任何固态、液态或气态污染物排放，可以称为21世纪的“绿色空调技术”。
（3）安全可靠。整个地下水源热泵空调系统都是低温低压管道系统，无高温、高压管道和压力容器，安全可靠。地下水温度恒定，使得热泵机组运行更可靠、更稳定。系统自动化控制程度高，使用寿命可长达15～20年，保证了系统的高效性和经济性。
4 地源热泵的开发应用流程
4.1成井工艺
工程需要进行抽水试验，以确定含水层的富水性、渗透性的水文地质基本参数。在试验之前，需要在两层含水层上布置抽水的试验井，其工艺手段分别为。
（1）第一含水层，试验井数量2个，井深19m，直径400mm，为了方便试验井过滤，在下口布置220mm的钢管，并将滤网覆盖管口。成井之后，需要进行填砾和洗井，然后才可以抽水试验，通过水位观测管，潜水完成整个抽水试验，其中渗透系数可根据公式K=0.732Q计算，而影响半径为R=2S。
试验结果：抽水井平均渗透系数28.69m/d，证明该含水层透水性强，而且本地区雨水充沛，能够充足补给地下水，因此该层的富水性好。
（2）第二含水层，试验井数量2个，成井之前，需要将第一含水层的地下水隔离，以500mm口径成井，钻入井深大约20m的位置，在相对隔水层插入口径274mm的钢管，然后隔离第一含水层的地下水。隔离之后，将274mm的钢管直径，缩小到218mm，然后持续钻井，直到试验井深度分别为60.1m和63.0m。此时观测抽水的水位，抽水完成承压的试验，其中渗透系数可根据公式K=0.366Q计算，而影响半径为R=10S。
试验结果：抽水井平均渗透系数3.853m/d，证明该含水层透水性中等，而且本地区雨水充沛，能够充足补给地下水，因此该层的富水性好。
4.2单井出水量
根据沉井工艺的抽水试验结果，设计后续地下水换热井，并结合多方面因素，对单井出水量进行确定，其方法是利用沉井的平面范围，根据井距确定抽水影响半径，一般前者小于后者的时候，各个井抽水存在互相干扰现象，这时候通过计算，根据群井水位干扰影响最大的井，得出最大的出水量Q=x24，该公式中，L’表示淹没过滤器的长度大小，a’表示含水层的经验系数。另外，单井出水量的设计，需要综合考虑供水井的数量、干扰状况、洪水期水位、枯水期水位等，并综合考虑开采区域的最大涌水量，进而确定合理的降深。 4.3回灌试验
地下水源热泵系统最突出的特点之一，就是回灌换热过的地下水到地下，以重新回收水資源。回灌作业之前，必须进行试验，需要在对土层可灌性进行确定，一方面是确定抽水井和回灌井的比例，另一方面是回灌试验抽水井，测定渗透系数大小。经回灌试验，第一含水层主井渗透系数分别为14.03m/d和18.89m/d，单位回灌量为221.03m3/m·d和315.04m3/m.d;第二水层主井渗透系数分别为2.435m/d和2.469m/d，单位回灌量为69.23m3/m·d和72.77m3/m·d。
4.4分析试验水质
根据相关规范，进入水源热泵机组的地下水水质，需要进行分析试验，以便确定下水水质的具体情况。通过试验，可以判断第一层的地下水水质含砂量不影响水源热泵机组的要求，而第二层水质含有CaO等矿物质，而且含量超标，也就是说，第二层的地下水必须经过处理，直到满足规范标准，才能够进入水源热泵机组。
4.5测定地下水水温
作为地下水源热泵冷源和热源交换值的重要参数，地下水水温要保持在标准值范围内，为此，要对地下水水温进行测定，以防止脱离标准的范围。案例工程的第一个含水层井口出水水温为19.04～20.5℃，可以采用井温仪测定，测试后确定平均水温为21.8℃，而且在深度增加变化之后，会呈现下降状态，直到深度大于9m，才开始恒定，温度在20.1～23.2℃范围内徘徊。第二含水层井口出水水温为20.9～23.1℃，井温仪测定平均水温为22.9℃，而且在深度增加变化之后，会呈现急剧下降状态，直到深度大于19m，才开始恒定，温度在22.4.1～24.5℃范围内徘徊。通过以上地下水水温的测定，基本可以断定第一含水层水温在9～11m之后，才保持稳定，可以作为冷热源含水层，而第二含水层埋藏深度越深，温度越稳定，可以作为冷热源含水层。
4.6测定地下水流速和流向
地下水流速和流向，可以用三点法测定，而地下水水位可以用电测水位仪测定。经测定，确定第一含水层地下水位标高为2.34～2.89m，第二含水层地下水位标高为2.99～3.55m，而且地下水水位出现波动起伏的状态，这一点与地下水周围的湖泊有关。另外从测定的地下水位来看，基本可以判断第一含水层和第二含水层的水源补给于周围的湖泊，而且第一含水层相比于第二含水层，前者的补给速度更快。
5 评估地下水的资源开采
通过以上流程研究，对地下水资源开采进行评估：第一含水层的水位在2.29～2.89m之间，平均厚度为12.85m，不仅厚度大，而且富水性好，有利于地下水换热系统的供水。笔者利用“大井法”进行估算，基本可以判断该层的地下水能够开采，允许的最大开采量为689m3/h。第二含水层水位标高在3.00～3.65m之间，平均厚度为20n，富水性不强，而且水质也比较差，开采成本将超标，因此建议不对其开采。
6 结语
我国非常重视可再生能源的开发利用，不断提高清洁能源在一次能源消费中的比重，改善能源结构。地下水地源热泵的重要热源和冷源，其中蕴含的热能是典型的可再生能源，地下水源热泵是一种高科技节能环保的供热、制冷技术，同时还可以供应生活热水。在地源热泵的开发利用前，我们必须做好水文地质勘测，在得出准确数据的基础上再去进行开发利用，将会少走很多不必要的弯路。因此，对于地源热泵的开发利用，首先应该加强技术探索，安全科学地开发利用地热能。
参考文献：
[1]邓海燕，莫然.用地源热泵技术打开浅层地下热能宝库—访国务院参事、中国工程勘察大师王秉忱[J].工程建设与设计，2007（9）：1-3.
[2]裘栋.地源热泵空调系统在浙江LNG项目中的应用[J].供热制冷，2013（2）：56-58.
[3]薛玉伟，李新国等.地下水水源热泵的水源问题研究[J].能源工程，2003，2：10-13.
[4]杨清.关于水源热泵水源问题的探讨[J].工程建设与设计，2004，6：5-7.
[5]廖荣，丁跃元等.水源热泵系统应用对地下水环境的影响[J].水资源保护，2010，2：93-95.
【关键词】 地源热泵;水文地质;勘察;开发
1 常见地源热泵系统
就目前的技术而言，我国的地源热泵空调系统主要可以分为三种形式：其一为土壤地源热泵系统;其二为地下水地源热泵系统;其三为地表水地源热泵系统。这三种形式的地源热泵空调系统都具有各自不同的优点与应用范围，在实际的工程应用中，应当因地制宜，合理选用最佳的地源热泵空调系统。
1.1土壤热交换器地源热泵
土壤热交换器地源热泵是利用浅层土壤热量进行能量交换的系统。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭的循环管内流动，实现系统与大地之间的能量交换，地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管2种。
1.2地下水源热泵
地下水源热泵的热源是抽取地下水。地下水源热泵的能量交换方式有2种。一种是开放系统，利用水质良好的地下水直接进入热泵换热，之后将井水回灌地下;另一种是封闭系统式，采用交换器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵造成影响。实际工程中常采用封闭式环路的热泵循环水系统。
1.3地表水地源热泵
地表水地源热泵系统由潜在水面以下的热交换器取代土壤热交换器。地表水热泵系统的冷热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等含有大量自然水体的地方，可充分利用自然水体作为热泵的冷热源。
2 工程案例
辽宁地质科技园冬季供暖系统拟利用地下水源热泵，在开发前先进行水文地质勘察。经勘察，本工程所在地层含有填土、中细砂、卵石、花岗岩等，并分为第一含水层和第二含水层，第一层含水层以中细砂和填土为主，潜水含水层由中细砂构成，平均厚度为14.91m;第二层含水层以卵石为主，承压含水层由卵石构成，平均厚度为27m。根据工程含水层的特点，将2个抽水试验孔布置在第一含水层为回灌试验使用，3个水位观测孔布置在第二含水层上。通过抽水、回灌、水温量测、水质分析、流速测定等试验，确定利用地源热泵的可行性。
3 地下水源热泵的工作原理和特点
3.1地下水源热泵的工作原理
地下水源热泵是以地下水为介质来提取下水中的能量实现制热和制冷的空调系统，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器等组成（见下图）。其工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到地下水中，由于地下水温度比夏季室外环境温度低很多，所以可以高效地带走热量，以达到制冷的目的。而在冬季则从地下水中提取能量，利用地下水为热泵机组制冷剂提升温度后送到建筑物中，达到制热的目的。地下水源热泵机组通过消耗少量高位能量（电能），将地下水中不可直接利用的低位热量提取出来，变成可以直接利用的高位能源，实现低位热能向高位热能转移。
3.2地下水源热泵的技术特点
与传统空调系统相比，地下水源热泵空调系统具有如下特点：
（1）高效节能。地下水源热泵冬季利用的地下水温度比外界环境温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季地下水温度比外界环境温度低，制冷的冷凝温度降低，空调机组效率提高。据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。
（2）绿色环保。地下水源热泵是以地下水作为传热介质与含水层进行热交换，不需要消耗地下水资源，不会对地下水产生污染，系统运行过程中，无燃烧，无渗漏，无任何固态、液态或气态污染物排放，可以称为21世纪的“绿色空调技术”。
（3）安全可靠。整个地下水源热泵空调系统都是低温低压管道系统，无高温、高压管道和压力容器，安全可靠。地下水温度恒定，使得热泵机组运行更可靠、更稳定。系统自动化控制程度高，使用寿命可长达15～20年，保证了系统的高效性和经济性。
4 地源热泵的开发应用流程
4.1成井工艺
工程需要进行抽水试验，以确定含水层的富水性、渗透性的水文地质基本参数。在试验之前，需要在两层含水层上布置抽水的试验井，其工艺手段分别为。
（1）第一含水层，试验井数量2个，井深19m，直径400mm，为了方便试验井过滤，在下口布置220mm的钢管，并将滤网覆盖管口。成井之后，需要进行填砾和洗井，然后才可以抽水试验，通过水位观测管，潜水完成整个抽水试验，其中渗透系数可根据公式K=0.732Q计算，而影响半径为R=2S。
试验结果：抽水井平均渗透系数28.69m/d，证明该含水层透水性强，而且本地区雨水充沛，能够充足补给地下水，因此该层的富水性好。
（2）第二含水层，试验井数量2个，成井之前，需要将第一含水层的地下水隔离，以500mm口径成井，钻入井深大约20m的位置，在相对隔水层插入口径274mm的钢管，然后隔离第一含水层的地下水。隔离之后，将274mm的钢管直径，缩小到218mm，然后持续钻井，直到试验井深度分别为60.1m和63.0m。此时观测抽水的水位，抽水完成承压的试验，其中渗透系数可根据公式K=0.366Q计算，而影响半径为R=10S。
试验结果：抽水井平均渗透系数3.853m/d，证明该含水层透水性中等，而且本地区雨水充沛，能够充足补给地下水，因此该层的富水性好。
4.2单井出水量
根据沉井工艺的抽水试验结果，设计后续地下水换热井，并结合多方面因素，对单井出水量进行确定，其方法是利用沉井的平面范围，根据井距确定抽水影响半径，一般前者小于后者的时候，各个井抽水存在互相干扰现象，这时候通过计算，根据群井水位干扰影响最大的井，得出最大的出水量Q=x24，该公式中，L’表示淹没过滤器的长度大小，a’表示含水层的经验系数。另外，单井出水量的设计，需要综合考虑供水井的数量、干扰状况、洪水期水位、枯水期水位等，并综合考虑开采区域的最大涌水量，进而确定合理的降深。 4.3回灌试验
地下水源热泵系统最突出的特点之一，就是回灌换热过的地下水到地下，以重新回收水資源。回灌作业之前，必须进行试验，需要在对土层可灌性进行确定，一方面是确定抽水井和回灌井的比例，另一方面是回灌试验抽水井，测定渗透系数大小。经回灌试验，第一含水层主井渗透系数分别为14.03m/d和18.89m/d，单位回灌量为221.03m3/m·d和315.04m3/m.d;第二水层主井渗透系数分别为2.435m/d和2.469m/d，单位回灌量为69.23m3/m·d和72.77m3/m·d。
4.4分析试验水质
根据相关规范，进入水源热泵机组的地下水水质，需要进行分析试验，以便确定下水水质的具体情况。通过试验，可以判断第一层的地下水水质含砂量不影响水源热泵机组的要求，而第二层水质含有CaO等矿物质，而且含量超标，也就是说，第二层的地下水必须经过处理，直到满足规范标准，才能够进入水源热泵机组。
4.5测定地下水水温
作为地下水源热泵冷源和热源交换值的重要参数，地下水水温要保持在标准值范围内，为此，要对地下水水温进行测定，以防止脱离标准的范围。案例工程的第一个含水层井口出水水温为19.04～20.5℃，可以采用井温仪测定，测试后确定平均水温为21.8℃，而且在深度增加变化之后，会呈现下降状态，直到深度大于9m，才开始恒定，温度在20.1～23.2℃范围内徘徊。第二含水层井口出水水温为20.9～23.1℃，井温仪测定平均水温为22.9℃，而且在深度增加变化之后，会呈现急剧下降状态，直到深度大于19m，才开始恒定，温度在22.4.1～24.5℃范围内徘徊。通过以上地下水水温的测定，基本可以断定第一含水层水温在9～11m之后，才保持稳定，可以作为冷热源含水层，而第二含水层埋藏深度越深，温度越稳定，可以作为冷热源含水层。
4.6测定地下水流速和流向
地下水流速和流向，可以用三点法测定，而地下水水位可以用电测水位仪测定。经测定，确定第一含水层地下水位标高为2.34～2.89m，第二含水层地下水位标高为2.99～3.55m，而且地下水水位出现波动起伏的状态，这一点与地下水周围的湖泊有关。另外从测定的地下水位来看，基本可以判断第一含水层和第二含水层的水源补给于周围的湖泊，而且第一含水层相比于第二含水层，前者的补给速度更快。
5 评估地下水的资源开采
通过以上流程研究，对地下水资源开采进行评估：第一含水层的水位在2.29～2.89m之间，平均厚度为12.85m，不仅厚度大，而且富水性好，有利于地下水换热系统的供水。笔者利用“大井法”进行估算，基本可以判断该层的地下水能够开采，允许的最大开采量为689m3/h。第二含水层水位标高在3.00～3.65m之间，平均厚度为20n，富水性不强，而且水质也比较差，开采成本将超标，因此建议不对其开采。
6 结语
我国非常重视可再生能源的开发利用，不断提高清洁能源在一次能源消费中的比重，改善能源结构。地下水地源热泵的重要热源和冷源，其中蕴含的热能是典型的可再生能源，地下水源热泵是一种高科技节能环保的供热、制冷技术，同时还可以供应生活热水。在地源热泵的开发利用前，我们必须做好水文地质勘测，在得出准确数据的基础上再去进行开发利用，将会少走很多不必要的弯路。因此，对于地源热泵的开发利用，首先应该加强技术探索，安全科学地开发利用地热能。
参考文献：
[1]邓海燕，莫然.用地源热泵技术打开浅层地下热能宝库—访国务院参事、中国工程勘察大师王秉忱[J].工程建设与设计，2007（9）：1-3.
[2]裘栋.地源热泵空调系统在浙江LNG项目中的应用[J].供热制冷，2013（2）：56-58.
[3]薛玉伟，李新国等.地下水水源热泵的水源问题研究[J].能源工程，2003，2：10-13.
[4]杨清.关于水源热泵水源问题的探讨[J].工程建设与设计，2004，6：5-7.
[5]廖荣，丁跃元等.水源热泵系统应用对地下水环境的影响[J].水资源保护，2010，2：93-95.