張 曄

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

地源熱泵地下儲能系統(tǒng)作為一種新型的制冷供暖方式，從技術角度看相當成熟，屬于清潔高效可循環(huán)的能源利用方式，但其在發(fā)展過程中遇到了種種問題和阻力。如，能效比逐年降低，長期使用后造成系統(tǒng)冷熱不平衡；井水回灌水質(zhì)與回灌量不理想；冷量計算不精確，導致成井數(shù)量過多或不足產(chǎn)生資源和投資浪費等問題。

天津城區(qū)到目前為止仍有很多用戶采用地源熱泵地下儲能系統(tǒng)向建筑物提供制冷和供暖。從水資源管理角度看，地源熱泵地下儲能系統(tǒng)最小程度地消耗地下水，最大程度地提高地下水循環(huán)利用效率，同時確保地下水不受污染。經(jīng)過多次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在運行管理中尤其在采灌運行中存在各種狀況，因此有必要分析天津市地源熱泵地下儲能系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在問題，為天津市進一步規(guī)范管理地源熱泵地下儲能系統(tǒng)、提高地下水利用效率提供管理依據(jù)和研究方向。

1 天津城區(qū)地源熱泵地下儲能系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)工作原理

天津城區(qū)的地源熱泵地下儲能系統(tǒng)主要是地下水源熱泵地下儲能系統(tǒng)，它是地源熱泵系統(tǒng)中的地下部分，是一個封閉的地下水回路系統(tǒng)，一般采用單井、對井、灌采井組等工程，通過地下水的采灌活動，將大氣中的能源儲存在含水層中，反季節(jié)利用，同時實現(xiàn)地下水灌采平衡。地源熱泵地下儲能系統(tǒng)工作原理，如圖1所示[1]。

圖1 地源熱泵地下儲能系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)應用研究發(fā)展過程

2001 年，天津市第一個應用性的地下水地源熱泵系統(tǒng)在華苑新技術產(chǎn)業(yè)園區(qū)建成并投入運行。天津市城市節(jié)約用水辦公室和天津新技術產(chǎn)業(yè)園對該系統(tǒng)的成功經(jīng)驗進行系統(tǒng)地研究和總結后，向全市推廣。之后十幾年，天津市地源熱泵地下儲能系統(tǒng)建設快速發(fā)展，最高峰時期達60余戶。

2005 年，天津市水文水資源管理中心對天津市節(jié)水科技園、金灤賓館、南開大學第二主教學樓3個水源熱泵系統(tǒng)進行了灌采井常壓、加壓回灌試驗，以研究天津地區(qū)水源熱泵井的回灌方法及回灌規(guī)律。

2006 年12 月，天津市水利局印發(fā)了《天津市地源熱泵系統(tǒng)管理暫行規(guī)定》，之后又修訂為《天津市地源熱泵系統(tǒng)管理規(guī)定》，對水源熱泵系統(tǒng)工程的審批、論證、建設、運行管理和日常監(jiān)測等作了明確規(guī)定。

2007 年，天津市水利局設立了井水源熱泵技術應用后評價項目，旨在解決已建成項目中存在的回灌能力差、水資源浪費嚴重、可能加劇地面沉降等一系列問題。該項目對已建成的水源熱泵系統(tǒng)進行了全面評價，特別是對地下水回灌能力及回灌井的布置方案進行了研究評價。

2008 年，在水利部《地下水保護行動》項目專題的支持下，天津市水務局完成“地源熱泵系統(tǒng)地下水管理技術要求研究”專題工作。該項目在廣泛調(diào)查和典型經(jīng)驗分析評價基礎上，從水資源論證、取水許可審批、采灌井施工管理、項目竣工驗收、運行管理及水資源費征收等多個方面，提出了加強地源熱泵地下水管理的技術要求和政策措施建議。

2011 年，天津市水文水資源勘測管理中心牽頭，天津市環(huán)境地質(zhì)研究所協(xié)助，針對天津市水文地質(zhì)條件，從地下水資源合理開發(fā)利用和保護的角度，編制了《天津市地源熱泵地下儲能系統(tǒng)建設和運行的技術規(guī)范》，規(guī)范中首次定義了地源熱泵地下儲能系統(tǒng)的概念。

2015 年6 月，天津市水文水資源勘測管理中心承擔編制的《天津市地源熱泵系統(tǒng)地下水開發(fā)利用和保護規(guī)劃》中提出了分層組開發(fā)利用的思路。

2021 年，天津市水文水資源管理中心對仍在運行的29個地下水地源熱泵項目進行了調(diào)查評估。

天津市地源熱泵地下儲能系統(tǒng)的研究工作一直在持續(xù)進行。2015 年以后，此項工作進入停止新建和探索階段，一些問題系統(tǒng)閑置不用，針對地源熱泵建設運行的研究工作仍顯不足。

1.3 系統(tǒng)現(xiàn)狀

天津城區(qū)目前仍有27 戶在使用地源熱泵地下儲能系統(tǒng)，相關采灌井共計175眼。

按成井層位對已建成的地源熱泵地下儲能系統(tǒng)分類，可分為2 類：①同層成井系統(tǒng)，即地源熱泵井所利用的含水層組為同一層位，有9戶；②分層成井系統(tǒng)，即地源熱泵井所利用的含水層組為2個及2個以上的含水層組，有18戶。

按地下水的采灌方式分類，也可分為2 類：①同層采灌系統(tǒng)，即抽水井與回灌井為同一含水組層的采灌方式，9 個同層成井系統(tǒng)用戶可以實現(xiàn)同層采灌；②異層采灌系統(tǒng)，即水源熱泵運行過程中抽水井與回灌井為不同含水組層的采灌方式，這種方式在現(xiàn)有規(guī)范中被禁止，但實際上仍存在異層采灌操作。

天津市已建成的地源熱泵地下儲能系統(tǒng)均采用封閉式運行。全年地下水循環(huán)采灌量在1 000 萬m3以下。按照“以灌定采”的原則，地源熱泵地下儲能系統(tǒng)運行過程中的采水量不應超過回灌量，但采水量同時也受水源熱泵機組啟動及正常運行所需最小水量的約束。

現(xiàn)階段天津城區(qū)地源熱泵地下儲能系統(tǒng)單井回灌量多為20～60 m3/h。大部分用戶的單井回灌量在40 m3/h 以下，可維持較長時間回灌的水量在30 m3/h左右，單井回灌量較大的用戶（大于40 m3/h）多采用頻繁回揚或晚上停用的方式以維持較大的回灌水量[2]。

深層含水組采灌井由于地下水位埋深大，其回灌量總體上大于相對較淺層的含水組采灌井。第Ⅳ含水組采灌井的回灌量多超過30 m3/h，而第Ⅱ+Ⅲ含水組采灌井的回灌量多在30 m3/h 左右或之下。表1 為具有代表性的部分用戶采灌情況，單位回灌量在抽水試驗和調(diào)查中得出，回灌率為2021 年全年統(tǒng)計數(shù)據(jù)累計得出。

表1 代表性用戶采灌情況

目前，天津中心城區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的回灌率要求在95%以上，大多數(shù)用戶可以達到此要求。熱泵運行過程中，單井回灌量、回灌井數(shù)、回揚周期、精濾裝置的安裝等是影響回灌率的主要因素。

2 當前存在的主要問題

2.1 回灌井注水能力減弱

天津城區(qū)地源熱泵地下儲能系統(tǒng)所利用的采灌井的取水層位為第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水組，水源為第四系更新統(tǒng)及新近系地層中的地下水，巖性以細砂、粉細砂為主，結構復雜，含水層條件差?；毓噙^程中，由于各種原因?qū)е碌貙油杆詼p小，回灌井注水能力大幅減弱。

第Ⅱ含水組埋藏深度較淺，補給條件較第Ⅲ、Ⅳ含水組好。第Ⅱ含水組總體上有由北向南和自西北向東南含水層粒度變細、富水性變差的規(guī)律。第Ⅲ含水組沉積韻律和富水性分布與第Ⅱ含水組大致類似，含水砂層巖性在市區(qū)及東南部以粉砂、粉細砂為主，在其他區(qū)域則主要為細砂；其粗粒相沉積范圍較第Ⅱ含水組大，賦存條件較好，但由于埋藏深，補給條件相對較差。第Ⅳ含水組自西向東含水層顆粒變細、厚度變薄，涌水量逐漸變小，富水性普遍較好。根據(jù)對天津城區(qū)地源熱泵井的現(xiàn)狀調(diào)查結果，一般來說，第Ⅳ含水組作為地源井的應用條件優(yōu)于第Ⅱ、Ⅲ含水組。

2.2 提取溫差小，循環(huán)水量過大，造成水資源浪費

目前，天津城區(qū)運行中的地源熱泵地下儲能系統(tǒng)存在提取溫差小、循環(huán)需水量大的問題。水源熱泵機組地下水需水量計算公式為：

式中：G為水源熱泵機組地下水需水量（m3/h）；Q為水源熱泵機組額定產(chǎn)熱（冷）量（W）；N為水源熱泵機組額定輸入功率（W）；t1為井水提水溫度（℃）；t2為水源熱泵機組輸出（回灌水）溫度（℃）。

由式（1）可以看出，地下水需水量與提取溫差成反比，提取溫差越大需要的循環(huán)水量越小。在保證水源熱泵機組運行滿足建筑物冷熱負荷的基礎上，為了最小限度抽取地下水保證其高效使用，天津市一直倡導“大溫差-小流量”的運行模式。雖然規(guī)定了系統(tǒng)在運行中提取溫差不能小于10℃，但有些用戶在長期運行中提取溫差過小，只能通過加大采灌水量來保證建筑物的冷熱負荷。如，紅光中學常年提取溫差僅為3～5℃，這種運行模式不但降低了系統(tǒng)能效比，還導致需水量加大，因此有些用戶的循環(huán)水抽取量超過了審批的許可水量。

地下水作為優(yōu)質(zhì)淡水，被列入戰(zhàn)略儲備資源，使用中必須確保其高效利用、不受污染、不造成浪費。天津市在地源熱泵地下儲能系統(tǒng)上一直采取謹慎的態(tài)度，對現(xiàn)有系統(tǒng)管理進行了嚴格的控制，要求已經(jīng)運行的地源熱泵地下儲能系統(tǒng)必須100%回灌。如果沒有補充其他水源回灌，現(xiàn)有技術條件很難實現(xiàn)這一目標，因此實際管理中要求回灌率不能低于95%。

2.3 回灌率、對井采灌和同層采灌問題

回灌率越大，則地源熱泵地下儲能系統(tǒng)消耗掉的地下水水量越小?！短旖蚴械卦礋岜霉芾硪?guī)定》明確規(guī)定，地源熱泵地下儲能系統(tǒng)要實現(xiàn)采灌平衡，遵循“對井采灌”和“同層采灌”的原則。

地源熱泵地下儲能系統(tǒng)運行過程中存在回灌能力越來越弱現(xiàn)象，導致回灌水位不斷上升，回灌井單位回灌量越來越小。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，嚴格遵守“對井采灌”和“同層采灌”原則可能會導致回灌率不達標。為保證回灌率，存在錯層采灌和一采多灌的現(xiàn)象，操作人員只考慮哪眼井好回灌就灌哪眼井，隨意性較大。系統(tǒng)運行過程中，采灌井不倒井或頻繁地互換抽灌井，均使地下儲能系統(tǒng)失去儲能的作用，同時管理部門監(jiān)管難度極大。

2.4 計量設施問題

計量設施疊加誤差，導致有的用戶查表數(shù)據(jù)顯示回灌量大于開采量。回水為半管水時，計量不準導致回灌量計數(shù)不準確。此類問題多年前已有發(fā)現(xiàn)，為此采取了安裝同等誤差計量設施等措施。但由于場地限制等客觀條件，還存在計量儀器安裝不符合規(guī)范的現(xiàn)象。按照規(guī)范要求，采灌井計量表應裝在井口，雖然各單位在建設中都在井口安裝了水表，但因為井一般位于露天地下，時常發(fā)生的積水、占壓、水表易損壞等因素給查表帶來很大困難。目前，使用安裝于機房的水表計量采灌水量，機房受場地條件限制，水表無法嚴格按規(guī)范安裝，造成采灌水量計量誤差增大。

2.5 運行記錄不夠完善，運行管理不規(guī)范

地源熱泵地下儲能系統(tǒng)運行期間，要有完整的運行記錄，但多數(shù)用戶運行記錄不完整，缺乏抽水及回灌水水溫、單位時間采灌水量、水位等記錄。部分系統(tǒng)運行管理沒有規(guī)范的流程，導致回灌運行管理沒有一定之規(guī)。一些單位操作人員是臨時工，缺乏基本常識，導致運行不回揚和洗井不當，進而影響回灌效率。

2.6 冷熱負荷不一致，最終導致井水溫度變化

冬季，從“熱井”中抽取高于地面溫度的地下水，熱泵提取水中的熱量為建筑物供暖，冷卻后的水再灌回到“冷井”中；隨著取熱的持續(xù)溫度逐漸降低，地源熱泵地下儲能系統(tǒng)能效比下降，直至取暖期結束。夏季，則與之相反。熱量的提取和排放均以采灌井為中心向四周含水層和巖土體擴散。如果每年累計的冷熱總量存在差異，那么隨著使用年限增長，冷熱總量差的累積會越來越大，進而影響系統(tǒng)使用效率和壽命[3]。

多數(shù)建筑物對系統(tǒng)要求的冷熱負荷不一致，冷熱負荷差異使得冷熱儲能總量隨著時間的延長累積起來。系統(tǒng)在長期運行后導致地下水溫度場發(fā)生變化，如海泰大廈，由于熱負荷大，回灌井溫度逐年下降，不僅降低了系統(tǒng)能效，還對局部地下水環(huán)境有一定影響。

3 結論和建議

天津城區(qū)地源熱泵地下儲能系統(tǒng)經(jīng)過長期運行，已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。目前，系統(tǒng)可實現(xiàn)一機多用，即一套地源熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)供熱、供冷和供應生活熱水。系統(tǒng)以年溫度相對穩(wěn)定的地下水作為換熱對象，具有高效節(jié)能的特點，幾乎無污染物排放。筆者認為，系統(tǒng)運行過程中存在的問題基本上可以通過技術手段和管理手段解決。

（1）對于水文地質(zhì)條件問題，天津市水務和國土資源等部門和單位歷年已經(jīng)做了大量研究工作。地源熱泵地下儲能系統(tǒng)對水文地質(zhì)條件有較強的依賴性，而地質(zhì)條件具有很強的非均質(zhì)性，一個地方的開發(fā)利用模式不能生搬硬套到另一個地方?？偨Y系統(tǒng)可以利用的地下水含水組，分析影響系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件評價方法，對涉及的水文地質(zhì)指標和環(huán)境地質(zhì)指標參數(shù)進行歸納整理，并具體應用于天津地區(qū)的工程，這將對系統(tǒng)的建設和運行管理具有參考意義。

（2）地源熱泵地下儲能系統(tǒng)受地下水管理政策影響很大。天津市地下水長期超采已造成一系列問題，因此在系統(tǒng)建設上地下水能不能回灌、單井采灌比達到多少比較適宜以及取用地下水對環(huán)境有何影響成為水行政主管部門比較關注的問題。鑒于系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保、效率等方面所具有的優(yōu)勢，而且如果運行管理良好，系統(tǒng)不會大量消耗地下水，因此建議天津市在系統(tǒng)取用地下水管理中靈活掌握“以灌定采，同層采灌，一采一灌”的原則。

（3）近年來，天津市在地源熱泵地下儲能系統(tǒng)成井技術、采灌方式以及管理方面做了一些工作，并取得一些寶貴經(jīng)驗。如，在粉細砂地質(zhì)條件下，根據(jù)抽水試驗天津市目前單井采灌比達到60%～70%，高于國內(nèi)現(xiàn)有水平[4]，與國際最先進水平（荷蘭）還有一些差距?？梢哉f，目前系統(tǒng)在天津市已經(jīng)具備推廣應用的條件，同時需要借鑒國際先進經(jīng)驗使之進一步完善。

（4）合理安排監(jiān)測項目，加強對采灌井地下水位、抽水量及回灌量、水溫、水質(zhì)等的監(jiān)測工作。特別要重視建立長期的監(jiān)測制度，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整和完善。同時，應將地源熱泵開采地下水的監(jiān)測工作作為一項內(nèi)容納入地下水日常監(jiān)測工作中。

（5）加大一采多灌、異組采灌監(jiān)管力度，主要對回灌和水質(zhì)變化情況進行重點分析研究，分析其對地下水環(huán)境的影響，評估其危害程度和發(fā)展的可行性。異層回灌在已有的規(guī)范中不被提倡，但異層回灌具有顯著提高回灌率等優(yōu)點，可進行試點研究。

（6）加強對回揚水、排放水回收利用的管理，超過規(guī)定排放水量標準的按違章用水處理，并提出限期整改方案，到期未改的停止使用。

（7）加強人員培訓，做到持證上崗。應對地源熱泵用戶操作人員進行專業(yè)培訓，使其掌握儲能井運行維護與回灌的基本知識和管理規(guī)定，并頒發(fā)上崗許可證，做到無證不能操作。

（8）在現(xiàn)有項目中開展《地源熱泵地下儲能系統(tǒng)建設運行技術規(guī)范》的貫徹執(zhí)行工作，從技術層面為地源熱泵地下儲能系統(tǒng)取用地下水在論證、施工、運行等各個環(huán)節(jié)上提供規(guī)范性技術文件，實現(xiàn)標準化科學化管理。