天津城區(qū)地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

張 曄

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種新型的制冷供暖方式，從技術(shù)角度看相當(dāng)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(guò)程中遇到了種種問(wèn)題和阻力。如，能效比逐年降低，長(zhǎng)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(jì)算不精確，導(dǎo)致成井?dāng)?shù)量過(guò)多或不足產(chǎn)生資源和投資浪費(fèi)等問(wèn)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)確保地下水不受污染。經(jīng)過(guò)多次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在運(yùn)行管理中尤其在采灌運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，為天津市進(jìn)一步規(guī)范管理地源熱泵地下儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)主要是地下水源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)，它是地源熱泵系統(tǒng)中的地下部分，是一個(gè)封閉的地下水回路系統(tǒng)，一般采用單井、對(duì)井、灌采井組等工程，通過(guò)地下水的采灌活動(dòng)，將大氣中的能源儲(chǔ)存在含水層中，反季節(jié)利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地下水灌采平衡。地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理，如圖1所示[1]。

圖1 地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用研究發(fā)展過(guò)程

2001 年，天津市第一個(gè)應(yīng)用性的地下水地源熱泵系統(tǒng)在華苑新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建成并投入運(yùn)行。天津市城市節(jié)約用水辦公室和天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園對(duì)該系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)地研究和總結(jié)后，向全市推廣。之后十幾年，天津市地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)快速發(fā)展，最高峰時(shí)期達(dá)60余戶。

2005 年，天津市水文水資源管理中心對(duì)天津市節(jié)水科技園、金灤賓館、南開大學(xué)第二主教學(xué)樓3個(gè)水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了灌采井常壓、加壓回灌試驗(yàn)，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(duì)水源熱泵系統(tǒng)工程的審批、論證、建設(shè)、運(yùn)行管理和日常監(jiān)測(cè)等作了明確規(guī)定。

2007 年，天津市水利局設(shè)立了井水源熱泵技術(shù)應(yīng)用后評(píng)價(jià)項(xiàng)目，旨在解決已建成項(xiàng)目中存在的回灌能力差、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、可能加劇地面沉降等一系列問(wèn)題。該項(xiàng)目對(duì)已建成的水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)，特別是對(duì)地下水回灌能力及回灌井的布置方案進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)。

2008 年，在水利部《地下水保護(hù)行動(dòng)》項(xiàng)目專題的支持下，天津市水務(wù)局完成“地源熱泵系統(tǒng)地下水管理技術(shù)要求研究”專題工作。該項(xiàng)目在廣泛調(diào)查和典型經(jīng)驗(yàn)分析評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，從水資源論證、取水許可審批、采灌井施工管理、項(xiàng)目竣工驗(yàn)收、運(yùn)行管理及水資源費(fèi)征收等多個(gè)方面，提出了加強(qiáng)地源熱泵地下水管理的技術(shù)要求和政策措施建議。

2011 年，天津市水文水資源勘測(cè)管理中心牽頭，天津市環(huán)境地質(zhì)研究所協(xié)助，針對(duì)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(hù)的角度，編制了《天津市地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范中首次定義了地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念。

2015 年6 月，天津市水文水資源勘測(cè)管理中心承擔(dān)編制的《天津市地源熱泵系統(tǒng)地下水開發(fā)利用和保護(hù)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(duì)仍在運(yùn)行的29個(gè)地下水地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)查評(píng)估。

天津市地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究工作一直在持續(xù)進(jìn)行。2015 年以后，此項(xiàng)工作進(jìn)入停止新建和探索階段，一些問(wèn)題系統(tǒng)閑置不用，針對(duì)地源熱泵建設(shè)運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)，相關(guān)采灌井共計(jì)175眼。

按成井層位對(duì)已建成的地源熱泵地下儲(chǔ)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(gè)及2個(gè)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(gè)同層成井系統(tǒng)用戶可以實(shí)現(xiàn)同層采灌；②異層采灌系統(tǒng)，即水源熱泵運(yùn)行過(guò)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)均采用封閉式運(yùn)行。全年地下水循環(huán)采灌量在1 000 萬(wàn)m3以下。按照“以灌定采”的原則，地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的采水量不應(yīng)超過(guò)回灌量，但采水量同時(shí)也受水源熱泵機(jī)組啟動(dòng)及正常運(yùn)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(chǔ)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(zhǎng)時(shí)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?fù)P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(duì)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(guò)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(yàn)和調(diào)查中得出，回灌率為2021 年全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累計(jì)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(dá)到此要求。熱泵運(yùn)行過(guò)程中，單井回灌量、回灌井?dāng)?shù)、回?fù)P周期、精濾裝置的安裝等是影響回灌率的主要因素。

2 當(dāng)前存在的主要問(wèn)題

2.1 回灌井注水能力減弱

天津城區(qū)地源熱泵地下儲(chǔ)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(xì)砂、粉細(xì)砂為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水層條件差?；毓噙^(guò)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(bǔ)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(xì)、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(xì)砂為主，在其他區(qū)域則主要為細(xì)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(bǔ)給條件相對(duì)較差。第Ⅳ含水組自西向東含水層顆粒變細(xì)、厚度變薄，涌水量逐漸變小，富水性普遍較好。根據(jù)對(duì)天津城區(qū)地源熱泵井的現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，一般來(lái)說(shuō)，第Ⅳ含水組作為地源井的應(yīng)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(guò)大，造成水資源浪費(fèi)

目前，天津城區(qū)運(yùn)行中的地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)存在提取溫差小、循環(huán)需水量大的問(wèn)題。水源熱泵機(jī)組地下水需水量計(jì)算公式為：

式中：G為水源熱泵機(jī)組地下水需水量（m3/h）；Q為水源熱泵機(jī)組額定產(chǎn)熱（冷）量（W）；N為水源熱泵機(jī)組額定輸入功率（W）；t1為井水提水溫度（℃）；t2為水源熱泵機(jī)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(jī)組運(yùn)行滿足建筑物冷熱負(fù)荷的基礎(chǔ)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(dǎo)“大溫差-小流量”的運(yùn)行模式。雖然規(guī)定了系統(tǒng)在運(yùn)行中提取溫差不能小于10℃，但有些用戶在長(zhǎng)期運(yùn)行中提取溫差過(guò)小，只能通過(guò)加大采灌水量來(lái)保證建筑物的冷熱負(fù)荷。如，紅光中學(xué)常年提取溫差僅為3～5℃，這種運(yùn)行模式不但降低了系統(tǒng)能效比，還導(dǎo)致需水量加大，因此有些用戶的循環(huán)水抽取量超過(guò)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(chǔ)備資源，使用中必須確保其高效利用、不受污染、不造成浪費(fèi)。天津市在地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)上一直采取謹(jǐn)慎的態(tài)度，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)管理進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，要求已經(jīng)運(yùn)行的地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)必須100%回灌。如果沒(méi)有補(bǔ)充其他水源回灌，現(xiàn)有技術(shù)條件很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此實(shí)際管理中要求回灌率不能低于95%。

2.3 回灌率、對(duì)井采灌和同層采灌問(wèn)題

回灌率越大，則地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)消耗掉的地下水水量越小。《天津市地源熱泵管理規(guī)定》明確規(guī)定，地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)采灌平衡，遵循“對(duì)井采灌”和“同層采灌”的原則。

地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在回灌能力越來(lái)越弱現(xiàn)象，導(dǎo)致回灌水位不斷上升，回灌井單位回灌量越來(lái)越小。在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格遵守“對(duì)井采灌”和“同層采灌”原則可能會(huì)導(dǎo)致回灌率不達(dá)標(biāo)。為保證回灌率，存在錯(cuò)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(yùn)行過(guò)程中，采灌井不倒井或頻繁地互換抽灌井，均使地下儲(chǔ)能系統(tǒng)失去儲(chǔ)能的作用，同時(shí)管理部門監(jiān)管難度極大。

2.4 計(jì)量設(shè)施問(wèn)題

計(jì)量設(shè)施疊加誤差，導(dǎo)致有的用戶查表數(shù)據(jù)顯示回灌量大于開采量?；厮疄榘牍芩畷r(shí)，計(jì)量不準(zhǔn)導(dǎo)致回灌量計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。此類問(wèn)題多年前已有發(fā)現(xiàn)，為此采取了安裝同等誤差計(jì)量設(shè)施等措施。但由于場(chǎng)地限制等客觀條件，還存在計(jì)量?jī)x器安裝不符合規(guī)范的現(xiàn)象。按照規(guī)范要求，采灌井計(jì)量表應(yīng)裝在井口，雖然各單位在建設(shè)中都在井口安裝了水表，但因?yàn)榫话阄挥诼短斓叵?，時(shí)常發(fā)生的積水、占?jí)?、水表易損壞等因素給查表帶來(lái)很大困難。目前，使用安裝于機(jī)房的水表計(jì)量采灌水量，機(jī)房受場(chǎng)地條件限制，水表無(wú)法嚴(yán)格按規(guī)范安裝，造成采灌水量計(jì)量誤差增大。

2.5 運(yùn)行記錄不夠完善，運(yùn)行管理不規(guī)范

地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行期間，要有完整的運(yùn)行記錄，但多數(shù)用戶運(yùn)行記錄不完整，缺乏抽水及回灌水水溫、單位時(shí)間采灌水量、水位等記錄。部分系統(tǒng)運(yùn)行管理沒(méi)有規(guī)范的流程，導(dǎo)致回灌運(yùn)行管理沒(méi)有一定之規(guī)。一些單位操作人員是臨時(shí)工，缺乏基本常識(shí)，導(dǎo)致運(yùn)行不回?fù)P和洗井不當(dāng)，進(jìn)而影響回灌效率。

2.6 冷熱負(fù)荷不一致，最終導(dǎo)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(chǔ)能系統(tǒng)能效比下降，直至取暖期結(jié)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(kuò)散。如果每年累計(jì)的冷熱總量存在差異，那么隨著使用年限增長(zhǎng)，冷熱總量差的累積會(huì)越來(lái)越大，進(jìn)而影響系統(tǒng)使用效率和壽命[3]。

多數(shù)建筑物對(duì)系統(tǒng)要求的冷熱負(fù)荷不一致，冷熱負(fù)荷差異使得冷熱儲(chǔ)能總量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)累積起來(lái)。系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行后導(dǎo)致地下水溫度場(chǎng)發(fā)生變化，如海泰大廈，由于熱負(fù)荷大，回灌井溫度逐年下降，不僅降低了系統(tǒng)能效，還對(duì)局部地下水環(huán)境有一定影響。

3 結(jié)論和建議

天津城區(qū)地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。目前，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，即一套地源熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)供熱、供冷和供應(yīng)生活熱水。系統(tǒng)以年溫度相對(duì)穩(wěn)定的地下水作為換熱對(duì)象，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，幾乎無(wú)污染物排放。筆者認(rèn)為，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題基本上可以通過(guò)技術(shù)手段和管理手段解決。

（1）對(duì)于水文地質(zhì)條件問(wèn)題，天津市水務(wù)和國(guó)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(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)水文地質(zhì)條件有較強(qiáng)的依賴性，而地質(zhì)條件具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，一個(gè)地方的開發(fā)利用模式不能生搬硬套到另一個(gè)地方?？偨Y(jié)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(píng)價(jià)方法，對(duì)涉及的水文地質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境地質(zhì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸納整理，并具體應(yīng)用于天津地區(qū)的工程，這將對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行管理具有參考意義。

（2）地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)受地下水管理政策影響很大。天津市地下水長(zhǎng)期超采已造成一系列問(wèn)題，因此在系統(tǒng)建設(shè)上地下水能不能回灌、單井采灌比達(dá)到多少比較適宜以及取用地下水對(duì)環(huán)境有何影響成為水行政主管部門比較關(guān)注的問(wèn)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(shì)，而且如果運(yùn)行管理良好，系統(tǒng)不會(huì)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(lái)，天津市在地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)成井技術(shù)、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(yàn)。如，在粉細(xì)砂地質(zhì)條件下，根據(jù)抽水試驗(yàn)天津市目前單井采灌比達(dá)到60%～70%，高于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平[4]，與國(guó)際最先進(jìn)水平（荷蘭）還有一些差距?？梢哉f(shuō)，目前系統(tǒng)在天津市已經(jīng)具備推廣應(yīng)用的條件，同時(shí)需要借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)使之進(jìn)一步完善。

（4）合理安排監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)采灌井地下水位、抽水量及回灌量、水溫、水質(zhì)等的監(jiān)測(cè)工作。特別要重視建立長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)制度，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整和完善。同時(shí)，應(yīng)將地源熱泵開采地下水的監(jiān)測(cè)工作作為一項(xiàng)內(nèi)容納入地下水日常監(jiān)測(cè)工作中。

（5）加大一采多灌、異組采灌監(jiān)管力度，主要對(duì)回灌和水質(zhì)變化情況進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，分析其對(duì)地下水環(huán)境的影響，評(píng)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(diǎn)，可進(jìn)行試點(diǎn)研究。

（6）加強(qiáng)對(duì)回?fù)P水、排放水回收利用的管理，超過(guò)規(guī)定排放水量標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)人員培訓(xùn)，做到持證上崗。應(yīng)對(duì)地源熱泵用戶操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，使其掌握儲(chǔ)能井運(yùn)行維護(hù)與回灌的基本知識(shí)和管理規(guī)定，并頒發(fā)上崗許可證，做到無(wú)證不能操作。

（8）在現(xiàn)有項(xiàng)目中開展《地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》的貫徹執(zhí)行工作，從技術(shù)層面為地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)取用地下水在論證、施工、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)上提供規(guī)范性技術(shù)文件，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)化管理。