地下水源熱泵建設(shè)項(xiàng)目取水管理探析

謝淑靜

（南陽市城市供水節(jié)水辦公室，河南 南陽 473060）

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，到2030年，我國非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，順利實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)。因此，按照因地制宜原則，大力推進(jìn)包括生物質(zhì)能、地?zé)崮芤约疤柲茉趦?nèi)的清潔低碳供暖。夏熱冬冷地區(qū)可采用科學(xué)取暖形式，結(jié)合本地實(shí)際，應(yīng)用清潔高效的取暖方法，優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)，這是如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要措施之一。

地下水源熱泵是淺層地?zé)崮艿闹饕_發(fā)利用形式，對(duì)比常規(guī)能源供熱制冷形式，地下水源熱泵體現(xiàn)出較強(qiáng)的清潔性、高效性和節(jié)能性。近幾年，在國家鼓勵(lì)政策的引導(dǎo)下，熱泵技術(shù)在北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等地發(fā)展較快。地下水源熱泵有諸多優(yōu)勢(shì)，但需要開采地下水，很多地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌率達(dá)不到95%以上的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，成為影響地下水采補(bǔ)平衡新的最不利因素。為了落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)控地下水開采，亟待通過技術(shù)進(jìn)步、規(guī)范管理解決目前地下水源熱泵出現(xiàn)的問題，真正做到取熱不耗水，把地下水特別是深層承壓水作為戰(zhàn)略性資源保護(hù)好，利用好。

1 地下水源熱泵系統(tǒng)基本特征

1.1 運(yùn)行原理

地下水源熱泵系統(tǒng)的低位熱源為地下水，應(yīng)用熱泵技術(shù)，僅需要輸入比較少的高位電能，便可將低位能熱量轉(zhuǎn)移至高位能熱量，達(dá)到供熱、供冷效果。地下水源熱泵系統(tǒng)包括水源熱泵機(jī)組、井水循環(huán)系統(tǒng)、用戶側(cè)管網(wǎng)和建筑物內(nèi)配套系統(tǒng)。開始運(yùn)行后，地下水通過熱源井被抽入熱能交換系統(tǒng)中，通過蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)汽化吸熱，冷凝器還可以實(shí)現(xiàn)液化放熱，這樣熱量可以持續(xù)地傳遞，利用閥門切換，機(jī)組便可以完成制熱、制冷，產(chǎn)生的熱能被傳輸?shù)浇ㄖ镏校瑢?shí)現(xiàn)供熱、供冷。地下水在熱交換后便可重新返回地下，其間只是發(fā)揮地下水冷量（熱量）作用，不會(huì)造成大量水資源消耗，而且地下水不會(huì)和空氣直接接觸，避免地下水資源受到污染。

1.2 取水水源要求

水量、水溫和水質(zhì)是影響地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素，取水水源對(duì)其有一定要求。一是熱源井供水穩(wěn)定，出水量充足，能夠滿足機(jī)組制熱負(fù)荷的需要。二是水溫適度，地下水溫度為10～25 ℃。三是水質(zhì)適宜，滿足機(jī)組運(yùn)行工況要求：含砂量小于5 g/m，濁度小于20 mg/L，固體顆粒的粒徑小于0.5 mm，pH 控制在6.0～8.0，CaO 含量小于200 mg/L，礦化度小于3 g/L。水源水質(zhì)要與系統(tǒng)機(jī)組、管道、閥門的材質(zhì)相適應(yīng)，以免發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，要求Cl含量小于100 mg/L，S0含量小于200 mg/L，F(xiàn)e含量小于1 mg/L，HS 含量小于0.5 mg/L。對(duì)于腐蝕性強(qiáng)、硬度比較高的水源，系統(tǒng)可增設(shè)具有抗腐蝕性的不銹鋼換熱器或者安裝鈦板換熱器。

2 地下水源熱泵系統(tǒng)的主要問題

2.1 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，存在無序發(fā)展現(xiàn)象

地下水源熱泵項(xiàng)目涉及發(fā)展和改革部門、自然資源部門、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部門等，目前，地下水源熱泵項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行的管理辦法還不是非常完善，不同部門各自為政，存在不顧地下水源條件盲目建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)象。對(duì)于地下水源熱泵項(xiàng)目建設(shè)而言，廠址區(qū)水文地質(zhì)條件是必須關(guān)注的限制性因素。按照《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0225—2009），如果區(qū)域地下水資源豐富，單位涌水量大于12.5 m/（h·m），回灌能力強(qiáng)，單位回灌量與單位涌水量的比值大于50%，地下水位年下降量小于1.5 m，且該地不屬于重要水源地保護(hù)區(qū)和地面沉降嚴(yán)重區(qū)，那么該地適宜或較適宜采用地下水換熱方式建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)。目前，不少已建運(yùn)行的地下水源熱泵項(xiàng)目位于不適宜區(qū)，不可避免出現(xiàn)水源不足、回灌不暢等問題。

2.2 設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行不規(guī)范

作為醫(yī)院、機(jī)關(guān)、賓館、住宅、學(xué)校等主體建筑的附屬設(shè)施，地下水源熱泵系統(tǒng)，特別是水源熱泵機(jī)組和井水循環(huán)系統(tǒng)缺乏專業(yè)設(shè)計(jì)（多數(shù)僅由水源熱泵設(shè)備經(jīng)銷商提供設(shè)計(jì)方案），機(jī)組配置、熱源井設(shè)計(jì)不夠合理，主要表現(xiàn)是配備的熱泵機(jī)組負(fù)荷過大，機(jī)組能力閑置。為了降低成本，熱源井設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)低，或不按成井技術(shù)規(guī)范施工，濾料及級(jí)配不符合要求，造成取水降深大、回灌能力低、水井出砂等問題。地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行管理不規(guī)范，回灌井長期不回?fù)P，井口敞開，取水、回灌計(jì)量設(shè)施不完善，不按要求開展地下水位、水質(zhì)、水溫和水量監(jiān)測(cè)。

2.3 影響地下水環(huán)境安全

2.3.1 回灌率低

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366—2005）明確規(guī)定，實(shí)際應(yīng)用的回灌措施務(wù)必保證有效，而且置換冷（熱）量后的地下水需要回灌至同一含水層中，其間不能出現(xiàn)地下水資源浪費(fèi)、污染等現(xiàn)象。但由于施工工藝、回灌技術(shù)和監(jiān)管等方面的原因，實(shí)際運(yùn)行過程很難實(shí)現(xiàn)100%回灌。

2.3.2 地下水污染

回灌井敞口進(jìn)行無壓重力回灌，回灌過程的回?fù)P、水回路中產(chǎn)生的負(fù)壓和沉砂池都會(huì)使外界空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化，同時(shí)，抽灌水溫差變化也有可能引起地下水質(zhì)量的改變。

2.3.3 出現(xiàn)熱（冷）堆積、熱（冷）貫通現(xiàn)象

一個(gè)地區(qū)夏季用冷量與冬季用熱量的差值較大，會(huì)造成排入含水層的熱（冷）量逐年增加，出現(xiàn)地下水溫逐年升高（降低）的熱（冷）堆積現(xiàn)象。熱源井間距較近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)取水溫度接近回灌水溫度的熱（冷）貫通現(xiàn)象，影響地下水源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 地下水源熱泵系統(tǒng)管理對(duì)策

3.1 做好項(xiàng)目建設(shè)前期工作

在地下水源熱泵項(xiàng)目開展水資源論證前，須進(jìn)行可行性研究。水文地質(zhì)勘查需要鑿2 眼勘探井，作為抽水試驗(yàn)、回灌試驗(yàn)的必要條件，真實(shí)了解含水層出水性能、回灌性能和水文地質(zhì)參數(shù)，為編制廠址區(qū)水文地質(zhì)勘查報(bào)告提供依據(jù)。后續(xù)嚴(yán)格按照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50027—2001）和《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0225—2009），開展水文地質(zhì)勘查和抽水回灌試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，委托有資質(zhì)的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)單位編制地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告，根據(jù)水文地質(zhì)條件合理確定熱源井的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、井間距以及與周圍建筑物的距離等。為了提高回灌效率，抽水井與回灌井的比例應(yīng)不小于1∶2。由于抽水井和回灌井切換使用，為延長熱源井的使用壽命，井管應(yīng)采用鋼管（壽命為25年，與熱泵系統(tǒng)一致），濾水管采用橋式濾水管，濾水管長度要不小于含水層厚度。

3.2 嚴(yán)格進(jìn)行水資源論證和取水許可審批

水行政主管部門應(yīng)根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)水資源管理制度和取水許可審批程序，使地下水源熱泵的建設(shè)符合相關(guān)要求。根據(jù)地下水源熱泵項(xiàng)目的特征，水資源論證的關(guān)鍵點(diǎn)包括4 個(gè)方面。

3.2.1 項(xiàng)目問題總結(jié)

在項(xiàng)目所在區(qū)域水資源狀況及開發(fā)利用分析部分，重點(diǎn)總結(jié)地下水源熱泵項(xiàng)目和擬建項(xiàng)目附近相同類型項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)行階段的現(xiàn)存問題。

3.2.2 取用水合理性分析

取水合理性分析主要是結(jié)合清潔能源供暖（制冷）和淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)劃，分析建設(shè)項(xiàng)目與國家產(chǎn)業(yè)政策的符合性，根據(jù)國家、地方頒布的水資源管理制度和地下水源熱泵項(xiàng)目管理政策，對(duì)比內(nèi)容是否相符。用水合理性分析需要按照建筑物性質(zhì)和地下水源熱泵系統(tǒng)服務(wù)面積，嚴(yán)格對(duì)比建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)核設(shè)計(jì)單位設(shè)定的冷暖負(fù)荷，并計(jì)算最大取水規(guī)模。對(duì)于地下水源熱泵系統(tǒng)來說，夏季制冷、冬季供暖的最大循環(huán)用水流量可按照相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：為夏季制冷時(shí)循環(huán)供水流量，m/h；為冬季制熱時(shí)循環(huán)供水流量，m/h；為夏季供冷量，kW；為冬季供熱量，kW；P為輸入功率，kW；Δ為供冷時(shí)的抽灌水溫度變化，℃；Δ為供熱時(shí)的抽灌水溫度變化，℃。

根據(jù)項(xiàng)目取水規(guī)模（小時(shí)取水量），結(jié)合項(xiàng)目建筑類型，確定日運(yùn)行時(shí)間和不同時(shí)段的負(fù)荷，計(jì)算日用水量和年取用水總量。

3.2.3 取退水水源論證

重點(diǎn)是調(diào)查項(xiàng)目所在地區(qū)含水層的出水和回灌能力，評(píng)價(jià)廠址區(qū)采用地下水換熱方式的適宜性，針對(duì)取水水量與水質(zhì)、取退水工程，按照地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程的需水、退水要求予以論證。

4 建議

4.1 因地制宜發(fā)展地下水源熱泵系統(tǒng)

為了合理開發(fā)、利用和保護(hù)水資源，各地應(yīng)組織開展地質(zhì)、淺層地溫、水文地質(zhì)條件和地下水質(zhì)調(diào)查，確定地下水源熱泵發(fā)展的適宜區(qū)域，編制淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)劃。應(yīng)當(dāng)優(yōu)先發(fā)展再生水源熱泵（污水、工業(yè)廢水等），積極發(fā)展地源（土壤源）熱泵，適度發(fā)展地表水源熱泵（河流、湖庫），地下水源熱泵從原本的鼓勵(lì)發(fā)展及時(shí)過渡到限制發(fā)展。

4.2 加強(qiáng)地下水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)研究，完善相關(guān)規(guī)范

開展理論與試驗(yàn)研究，明確地下水源熱泵源、匯井運(yùn)行特性，分析抽水和回灌對(duì)地下水運(yùn)移特性（水力、熱力特性）等的影響。開展高效換熱技術(shù)、井下?lián)Q熱技術(shù)和經(jīng)濟(jì)回灌技術(shù)的攻關(guān)，明確抽灌水溫差、熱源井間距、熱源井與建筑物距離等控制標(biāo)準(zhǔn)。制定《地下水源熱泵建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》和《地下水源熱泵井水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工規(guī)范》，編制《地下水源熱泵井水循環(huán)系統(tǒng)井口裝置（含計(jì)量設(shè)施）標(biāo)準(zhǔn)圖集》。

4.3 出臺(tái)地下水源熱泵管理辦法

組織開展地下水源熱泵運(yùn)行情況專項(xiàng)調(diào)查，針對(duì)存在的問題，研究并制定管理辦法，明確部門職責(zé)，完善監(jiān)管措施，促進(jìn)地下水源熱泵技術(shù)健康發(fā)展，保證地下水資源安全。

5 結(jié)論

地下水源熱泵是淺層地?zé)崮艿闹饕_發(fā)利用形式，具有諸多優(yōu)勢(shì)，但需要開采地下水，必須落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，保證地下水采補(bǔ)平衡。因此，要做好項(xiàng)目建設(shè)前期工作，嚴(yán)格進(jìn)行水資源論證和取水許可審批，加強(qiáng)施工管理和系統(tǒng)運(yùn)行管理，提高工程質(zhì)量。未來，要因地制宜發(fā)展地下水源熱泵系統(tǒng)，加強(qiáng)地下水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)研究，完善相關(guān)規(guī)范，出臺(tái)地下水源熱泵管理辦法，有效保障地下水資源安全。