浅层地温能利用中的环境影响初探

赵晨曦，刘明坤，刘建凯，杨艳锋，陈柘舟

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

浅层地温能利用中的环境影响初探

赵晨曦，刘明坤，刘建凯，杨艳锋，陈柘舟

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

浅层地温能属于环境友好型能源，能在一定程度上减少污染物的排放，缓解环境压力。然而，其可能产生的环境负影响常常被人们忽略。本文以地下水地源热泵（GWHP）系统和地埋管地源热泵（GSHP）系统为重点，系统梳理了浅层地温能在不合理利用时，可能引发的环境问题。分析了热泵系统对地下动力场、温度场、化学场及微生物环境等的影响。为抑制热泵系统运行中产生的环境负影响，迫切需要对相关限制性指标及法律法规进行完善。本文总结了国外与环境有关的限制性指标（技术性指标和生态学指标），对比了国内不同地区的标准，提出我国在浅层地温能利用上，尚存在指标建立标准相对单一、法律约束力较弱、区域差异性不明显等不足之处，需加强配套监测系统建设，控制并减少环境负效应的产生。

浅层地温能；环境；负影响；限制性标准

0 引言

浅层地温能属绿色可再生能源，热泵系统也具有能源利用率高、节能减排等优点（曲云霞等，2002；朱保华，2008），因此得到政府部门的大力扶植。截至2014年底，我国地源热泵总利用面积已达到3.6亿㎡，年利用能量已超美国，位居第一。

虽然浅层地温能利用发展迅速，但若利用不当，也会引发环境负影响。不但造成能源利用率不高，更会在与地下环境的长期接触中改变地下岩土体、水体的理化性质，引发地下温度异常、水质污染、水位下降、甚至地面沉降等严重后果（李明惠等，2012；张超等，2008；章长松，2010）。此外，热泵技术存在市场先行、法律规范落后等问题。在激励其发展的同时，应修正和完善技术指标、加强监测，保证设备及周边环境的协调发展。

以往研究多关注地源热泵系统的性能测试或效益分析，而关于其对地质环境负影响的系统性研究成果较少。本文围绕过去研究中浅层地温能可能对环境带来的潜在负影响，归纳总结了国际上与环境有关的限制性指标（技术性指标和生态学指标）及法律法规，横向对比了国内各地区的标准，提出了我国在浅层地温能利用上存在的指标建立标准单一、法律约束力较弱、区域差异性不明显等不足，以期浅层地温能在未来发展中能有效加强配套监测系统建设，控制并减少环境负效应的产生。

1 浅层地温能利用情况

据统计，我国以地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统的应用最为广泛，分别占到39.26%和21.36%（单金龙，2009），污水源热泵、海水源热泵及耦合式热泵等比例相对较小，因此本文将以地下水及地埋管两种热泵系统为研究重点。在区域发展分布上，辽宁、北京是我国应用地源热泵技术进行供暖（冷）较早且发展较快的地区（栾英波等，2013），华北平原、东北、西北等地区也逐步大面积开发利用浅层地温能。

由于气候条件的不同，浅层地温能利用在南北方也具有一定差异。北方地区冬、夏两季供暖（冷），冬季的吸热量大于夏季排热量，易产生土壤冷热不平衡问题；而南方地区仅夏季制冷，单季负荷较大，易产生热堆积现象（张超等，2008）。我国浙江、江苏及华北平原区域，曾因地下水地源热泵过度抽取而引发地面沉降；湖北武昌发生过多起因地下水不合理使用而导致岩溶地面塌陷事件（肖建华等，2006）；河南也有地下水地源热泵在使用过程中出现涌砂现象或因含砂量过大最终导致设备报废的问题（吴烨，2012）。北京市发改委曾对123个地源热泵项目进行过节能减排调查。运行不理想的项目占24%，其中包括4%的不合格项目，产生了不完全回灌和埋管漏水等问题（冉伟彦等，2014）。可见，在浅层地温能的开发利用中，存在一定比例的项目运行失败或系统能效较低，不合理利用现象仍有发生，这将会对地质环境造成潜在威胁。

2 对地质环境的影响

2.1 地下水地源热泵系统

地下水地源热泵系统属于开放系统，主要依赖地下水进行换热，因此，对地下水的动力场、温度场、化学场及微生物情况均会产生较大的影响（表1）。

（1）动力场

地下水地源热泵系统抽灌井群的数量和分布直接影响地下水流的运动方向及强度，造成地下水动力场的局部改变（廉翔，2004）。根据地下水动力学原理可计算得到动力场内任意点的水位降深，并绘制等值线图，划定其影响范围。以中国地质大学（北京）的2眼抽水井为例，井间距为100m，每眼抽水量为120m3/h，利用FEFLOW软件模拟抽水井影响半径。通过模拟结果及实际抽水试验得到，钻孔中心处水位降深约5m左右，抽水影响范围约78m（卫万顺等，2010）。若抽、灌水量相等且实现同层回灌，其影响范围一般不会超过1000m（张远东等，2006），而当抽出的地下水由于堵塞或动力不足等因素无法经回灌井实现完全回灌或注入原含水层时，将造成水源浪费、区域水位下降等问题，大大增加对地下水动力场的影响范围。随着原有地下水力学平衡的破坏，浅层或上部的污染水或咸水通过滲流方式迁移到深部含水层，出现水质恶化和污染水界面下移问题（孙晓明等，2006；杨丽芝等，2013）。若长时期无法有效补充，将引起地面沉降、地裂缝等严重地质灾害。

表1 地下水地源热泵可能造成的环境负影响Tab.1 Adverse effects of groundwater source heat pump system may lead

（2）温度场

地下水温度会随热泵系统运行周期发生规律性的上升或下降，使整个含水层的温度发生改变（刘立才等，2007）。初始运营期为冬季或夏季，吸排量平衡情况均对温度场有一定影响。数值模拟法（郝治福等，2006）结合HST3D、FEFLOW、MODFLOW、GM6.0等地下水数值软件可模拟预测不同运行期及工况条件下地下水渗流、溶质运移和热传递等（张远东等，2006；LUO et al，2015），结果显示，当热泵系统的冷负荷大于热负荷时，初始运营期为冬季对场地温度升高的影响较小。反之，初始运营期应为夏季，以减轻地下热储量的流失（廖荣等，2010）。岩土体和水体的长期热量收支不均，也将会造成土壤内部温度的升高或降低，温度的持续变化不仅影响土壤动植物生长，更将影响整个生态环境（匡耀求等，2003） 。

此外，地下水温度场受动力场影响，地下水的流速和流向有效控制了热量的传递。在地下水动力条件、含水层渗透性和热传导率等因素的影响下，注入地下的回灌水温沿地下水流动方向温度逐渐趋于一致，在地下含水层中形成“温度影响半径”。当抽灌井间距小于该半径时，将产生局部温度异常现象，称之为“热突破”或“热贯通”。单井回灌技术面临的热突破风险更大，数据显示，北京己安装和运行的1800万㎡供暧制冷建筑中，就有610万㎡建筑物采用单井抽回技术（倪龙，2007）。热突破将导致抽灌井间温度相互干扰，引起地下水和土壤的热污染，并降低热泵系统运行效率（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。由河南郑州市儿童医院地下水地源热泵系统运行抽水井的温度变化监测可知：距离回灌井较近（15m）的3#抽水井8年时间内温度上升了0.5℃，距离回灌井较远（30m）的6#抽水井8年时间内温度上升了0.5℃（赵静等，2009）。可见，限制各井间的最短距离对限制地下环境温度异常具有十分重要的意义。

（3）化学场

传统地下水地源热泵成井管材一般为水泥管、铸铁管、普通钢管，以普通钢管和镀锌桥式过滤管组合的成井管柱最为常见，容易造成腐蚀、结垢、破裂等现象（高波等，2002）。试验证明，镀锌桥式过滤管腐蚀速度最快，在第7d时开始腐蚀结垢，150d时其过水缝隙几乎全部堵塞（吴烨，2013）。管内产生大量FeS及黄色“锈瘤”，会对地下水造成污染（刘翰，2013）并影响回灌水回注到原含水层。此外，由于回灌过程中部分空气会随着回灌水进入含水层，在氧存在的情况下，还原性硫化物( FeS2，H2S，S）发生氧化反应，使得硫酸盐浓度在一定范围内的增加。

沈阳市3个地下水地源热泵项目取用水与回灌水水质的变化情况见表2（贾玉鹤等，2008；王宏等，2009）。郭双喜（2013）对安阳市6个地下水地源热泵空调的取水回水进行检测，其中5个项目的回水中锌含量增大，但其影响仅在设备运行初期的短时间内。然而由于样本较少，地下水地源热泵项目对地下水质的影响评价还不够全面。李娟（2014）对北京11个区县的41个水源热泵项目进行了取样监测，共采集水样83件，将其按照地下水质量分类指标进行了分类。其中，92%的项目地下水总硬度偏高，均值达到了967.41mg/L；pH值在6.5～9.5范围内，多数属于碱性或弱碱性水，Ⅰ类水比例约为95.18%；硫酸盐、氯化物属于较稳定化学组分，浓度于运行初期波动加大，后期可趋于稳定，主要以Ⅱ类为主。

（4）微生物

地下水地源热泵系统的回灌水改变了原有地下水环境的正常温度和含氧量，将不可避免的对地下水中微生物的生长与繁殖产生影响（H·hnlein et al, 2013）。以北京为例，地下水的平均温度为13℃～16℃，热泵系统夏季制冷时回灌水的温度平均为23℃，冬季供暖时回灌水的温度平均为7℃。夏季时回灌水将促进地下水位附近嗜温型好氧微生物的生长，如氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等。这又导致了硫酸盐的增加与pH的降低，使地下水溶解更多的无机盐从而硬度增加（董悦安，2008），这也在一定程度上解释了地下水地源热泵运行过程中硫酸盐和水硬度的变化规律。此外，硝化细菌的最佳适宜温度为30℃～35℃，当温度小于5℃或大于50℃时，生长和繁殖将受到抑制，反硝化细菌的适宜温度为35℃～65℃，当温度低于11℃时受到抑制。冬季供暖的回水造成地下水温一定程度的下降，相比之下该条件更利于硝化细菌的生长繁殖，因此硝化作用更加明显，间接证实了廖荣等的试验的真实性。

表2 沈阳市地下水地源热泵项目水质监测结果Tab.2 Results of water quality tests in Shenyang groundwater source heat pump systems

郑凯等（2005）对北京某开发区热泵系统运行后的地下水温和细菌数目进行了监测，其分布基本符合正态分布，于13℃～14℃附近出现峰值。此外，非正常工况条件下形成的局部高温区域，还会导致某些对温度敏感的微生物种群发生变化或消失（贾玉鹤等，2008）。因此，地下水的循环换热会显著影响地下微生物的数量及分布，改变地下水的物理、化学性质，从而影响生态环境。

2.2 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵作为闭合回路的循环系统，对地埋管材料的要求较高。目前以化学聚合物为主，在不发生堵塞和泄露的条件下一般不会对土壤和地下水产生直接影响，对土壤化学特性的影响也不大。但该系统通过管道内的传热介质输送和传递热量进行季节性循环换热，会不可避免地扰动地埋管附近的土壤环境，从而引发连锁反应。

（1）土壤温度的恢复性与土壤热平衡

太阳辐射、地热传导的热补偿作用和地下岩土体、水体的扩散调节能力，使土壤温度具有一定恢复性。当系统吸、排热量超过热补偿和扩散能力时，地下空间的自然冷热平衡将被破坏。受长期热泵系统运行影响，地埋管附近的土壤温度最先受到扰动，随着与换热孔距离的增加，温度变化曲线有明显的滞后趋势（高世轩，2012）。当换热温差较大、地埋管间埋设距离相对较短时，对当地土壤温度的干扰较大（卫万顺等，2010），受土层恢复性限制，热影响范围逐年扩大（魏静，2015）。不同区域地质条件及土壤换热能力的差异，也使土壤的自身调节与恢复功能不尽相同。高新宇等（2009）通过动态监测得出，土壤温度的变化与深度相关，且地层中地下水的存在有利于土壤温度的恢复。高世轩（2012）认为在吸排比基本平衡的条件下，地埋管换热对地质环境的影响较小。反之，区域人为扰动过大，土壤的自我恢复速度难以跟上时，将会破坏土壤的热平衡。

邹瑜等（2006）利用TRNSYS模拟了典型城市5年运行期内热泵系统地埋管换热器出口处夏季最高温度和冬季最低温度的变化情况（图1），北京、上海存在小范围的温度持续上升现象，沈阳基本持平，齐齐哈尔略有下降。张士花（2008）模拟了天津地区一地埋管地源热泵机组运行情况，预测4年后的土壤温度将上升12.6℃；李魁山等（2007）在上海地区模拟了不平衡率为3%时系统的运行情况，结果显示5年后土壤平均温上升2.77℃，若仅供冷季运行，5年后土壤温度上升8.39℃；李舒宏等（2010）发现传统地源热泵单季运行9年后，距钻孔1m处的土温上升了9.36℃，若双季运行，则升温5.27℃。一般来说，春秋季为土壤温度的恢复期，冬夏季取热量和取冷量的持续不平衡会影响土壤的恢复能力（杨卫波等，2014）。然而，实际生产中要做到100%的平衡是不可能的，研究认为，系统夏季排热量和冬季吸热量之差在10%～20%的范围内，即可认为达到了季节性平衡，能够通过土壤的蓄热、传热、热衰减等加以恢复（王艳霞等，2008）。

图1 不同城市热泵运行期内地埋管换热器出口处最高、最低温度的变化图Fig.1 Variance of maximum and minimum at exit of temperature ground heat exchanger during heat pump operating period in different cities

（2）土壤生态

①土壤结构：在华北平原、东南部区域的一般地层，热泵系统对地层土壤结构的影响不大，但在（青海、西藏、东北、内蒙）等冻土地区，土壤温度的改变将显著影响土壤中固、液相水分的比例，导致土壤孔隙度发生改变，对土壤入渗能力产生影响（王艳霞等，2008）。冻土的融化呈现蠕动或流动状态，岩土强度（抗剪强度、压缩模量）随之降低，容易造成边坡失稳、路面塌陷、建筑基础不均匀沉降等问题（魏智等，2011）。土壤融化、冻结过程影响N2O、CH4等温室气体的产生和转移，地层中N2O年排放量的70%左右都发生在土壤融化过程中（AN et al，2007）。

②土壤生物活性：一般来说，土壤温度在一定范围内的提升，有助于促进地表作物的生长及土壤动植物的活性，但超过生物最适温度时，将逐渐产生抑制作用。例如，植物根系在2℃～4℃时开始生长，在10℃以上生长较为活跃，超过25℃时根系吸收能力减弱。此外，土壤温度对胶体的化学影响较大，会影响其中的氧溶解、水分蒸发及微生物活性等。

（3）土壤有机碳储量：土壤温度的改变影响土壤有机碳的分解速率，从而影响有机碳储量。以北京、上海等城市为例，土壤温度的升高将会加速土壤呼吸速率，使有机碳分解速率加快，增加土壤CO2的排放量，并在一定程度上抵消因提高热泵COP值而减少的碳排放量（韩君伟等，2013）。

此外，地埋管破裂、钻孔灌浆材料损耗等导致制冷剂、冷冻液、防锈剂等进入土壤或地下水，也将对地下生态环境造成相应破坏（肖建华等，2006）。

3 相关限制性标准

为抑制热泵系统运行中产生的环境负影响，应建立和完善与环境有关的限制性法律法规。笔者阅读国内外相关文献发现，该方向的限制性指标规定较少，可大体分为技术性指标和生态学指标两种。技术性指标指出于对设备的性能和安全考虑，对温度、距离等加以限制，而生态学指标则更多从维持和保护区域生态环境角度出发，设置指标并进行控制。目前，较为常用的指标包括温度限值（最高温度、最低温度、温差）和最短距离。

3.1 国际的相关标准

就世界范围来说，部分国家对热泵系统的相关温度限值标准进行了设定（Haehnlein et al，2010），较为全面的国家有奥地利、丹麦等。笔者分别针对地下水地热泵系统和地埋管地源热泵系统进行了总结（图2和图3），不同国家间的标准差异较大。德国、英国等带星号（*）国家采用较为宽泛的管理方式，其指标标准为建议值，不具有法律效应，其余国家的标准均具有法律约束力。图3中a为每周均值荷载运行条件下的标准，b为峰值荷载运行条件下的标准。

对最短距离的设定以芬兰最为详细，区分了与建筑物、下水道、输水管线等不同事物的最短距离，但更多国家仅提供了与邻近建筑或地下埋管换热器之间的最短距离，仅保证技术性能而未考虑对生态环境的影响。此外，有些国家区分开路系统和闭路系统，对指标进行分别设置，如希腊，也有些国家未进行区分，统一设置，如瑞典。

3.2 国内的相关标准

较之发达国家，我国浅层地温能的开发利用起步较晚，但热泵技术发展迅速。在限制性法律法规上，我国也做出了相关规定。《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）中设定了夏季运行期内地埋管换热器出口处的最高温度宜低于33℃、冬季运行期内不添加防冻剂时进口最低温度宜高于4℃，竖直地埋管换热器埋深宜大于20m，钻孔间距宜为3～6m。但本标准出于系统节能性和安全考虑，属于技术性指标，对环境负影响的限制作用还需进一步研究证实。

图2 各国地下水地源热泵系统相关温度限值Fig.2 Temperature thresholds of groundwater source heat pump system in different countries

图3 各国地埋管地源热泵系统相关温度限值Fig.3 Temperature thresholds of ground pipe heat pump system in different countries

笔者系统梳理了北京、上海、天津、山东、安徽等多个省、市或地区编制的地方技术规程、实施细则或管理办法。北京市水务局发布的《关于加强我市水源热泵管理工作的通知》中对北京市地下水地源热泵项目抽、灌井的最小距离也做出了相关规定，抽灌井与建筑物距离不少于30m，抽灌井之间水平距离不少于50m，抽水井之间距离不少于100m。长沙地区取水井与回灌井的间距应根据试验井的热干扰半径确定，一般以50～80 m为宜。上海结合本地区域特色，禁用地下水地源热泵并细化了竖直地埋管换热器埋深和钻孔间距的标准，分别定为60～120m和4～6m，其他地区相关标准见表3。

表3 我国及各省市规范中的限制指标Tab.3 Restrictive criteria of standards in China and different provinces and cities

4 存在的不足

笔者在系统梳理了国际上与环境有关的限制性指标（技术性指标和生态学指标）及法律法规，并横向对比了国内各地区的相关标准，初步提出了我国浅层地温能在指标设置上的三点不足。

（1）限制性标准较为单一

现有管理体系中，对避免造成环境问题的限制性指标设置较为单一，目前较为常用的限制性指标仅有为防止地下局部环境温度过高或造成交叉污染而设置的最短距离以及为保证设备长期稳定并间接限制钻孔温度变化范围而对管道中的载热流设置的温度限值（最高温度、最低温度、温差）。不难看出，目前的限制性指标及监测主要以温度控制为主，对地下岩土和水环境的其他性质关注较少。

（2）法律约束力度相对较弱

我国对于热泵技术的研究和实践已有一定积累，在将合理的指标标准嵌入法律法规中还处于起步阶段，这使得标准具有较低法律约束力。欧洲部分国家提出了较为明确生态学限制指标，并将其纳入了法律条文中。与之相比，我国国标等规范中虽已对相关限制性指标进行了规定，但其表述多为“宜”或“不宜”，且不属于强制性条文，这种较为宽泛的管理方式，使得指导意义高于约束力度。

（3）区域差异性不明显

随着热泵系统的推广应用，各地方也出台或筹备出台了相应的技术规范。然而，笔者通过比较部分地区统计结果发现，各个地区对限制性指标的差异不大，许多地区更是直接套用国标标准。这在初期制定阶段尚可，但应在未来应用中注重结合地方地质环境，因地制宜，选择适合本地的热泵系统类型，并针对性的提出具有区域特色的环境限制指标。例如，可区分不同地源热泵系统，分别设置技术性和生态学标准。另外，由于不同地区地质、水文条件和技术需求的不同，未来可尝试动态标准，使限定值更接近未被扰动时的含水层温度及理化条件，灵活的阈值限制将对不同地区的地源热泵系统运行更加有利。

5 结语

目前，我国浅层地温能发展以市场化推动为主，缺乏全面的地质环境监测系统，对其影响尚无法量化。总体来说，地埋管和地下水作为两种最常见的热泵类型，对地下环境的影响也略有不同。前者为间接式，将地埋管换热器理置入地下，利用大地的蓄能进行热量的排放和吸收，对水文地质影响较小。后者为直接式，制冷剂管路直接与土壤进行热交换，换热效率较高，但当回灌效果不好时造成水源浪费和污染的可能性较大，若开采不当更会引起水位下降、地面沉降等水文地质问题。

在合理利用和避免危害方面，各地方政府已具有一定前瞻性。如上海、南京等地区为保护地下水环境，禁止采用地下水地源热泵；北京开始逐步调整政策支持领域，不再支持地下水地源热泵，而增加对余热热泵供暖的支持；黑龙江、山东等地因地制宜地发展污水源热泵和地表水源热泵，并将运行模式逐步从单一的土壤热源向多系统耦合模式转变。然而，笔者认为与发达国家相比，我国环境监测系统仍尚以局部、短期的温度控制为主，缺乏实时、全面的庞大背景数据支持。因此，加强主体设施的配套监测系统建设也应成为下一步浅层地温能发展的重要部分。我国面临清洁能源的急迫需求，浅层地温能发展潜力巨大，若能合理利用可以获得效益与环境的双赢，仍需政府的大力扶持。为此地勘部门也应加强介入，以前期勘查评价与实时环境监测为重点，在制度与实施等方面体现主体推动作用，在生态环境协调发展与科学规划上下功夫，推动浅层地温能的发展走向以资源为基础、市场为导向，开发与保护并重的新方向。

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Research on Environmental Effect of Shallow Geothermal Energy Utilization

ZHAO Chenxi, LIU Mingkun, LIU Jiankai, YANG Yanfeng, CHEN Zhezhou
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

As a kind of green resource, shallow geothermal energy could reduce pollutant emissions and the environment pressure could be eased to a certain degree. However, its negative influences usually tend to be ignored. Taking groundwater source heat pump system and ground pipe heat pump system as the focus, environmental issues caused by unreasonable utilization were systematically reviewed in this paper. Infuences of the heat pump system on underground power feld, temperature feld, chemical and microbiological environment were also analyzed. In order to restrain the negative infuences caused by heat pump system operation, restrictive indicators and relevant regulations should be consummated urgently. By summarizing international environmentrelated restrictive indicators (technical indicators and ecological indicators) creatively and contrasting domestic standards in different regions, defciencies of indicators establishment such as single standard, weak legally binding and unobvious regional difference in shallow geothermal energy utilization were proposed in this paper. In order to control and mitigate the negative infuences of shallow geothermal energy, the supporting monitoring system construction should be strengthened.

Shallow geothermal energy; Environment; Adverse effect; Restrictive criteria

P641.8

A

1007-1903（2016）04-0015-09

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.003

赵晨曦（1990- ），女，硕士，主要从事工程地质、地质灾害研究等工作。E-mail：zhaochenxiswd@126.com.