地下水地源熱泵項目水資源論證關鍵問題分析

周春華 任 靜 王金山

(河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053)

地下水地源熱泵項目水資源論證關鍵問題分析

周春華 任 靜 王金山

(河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053)

針對地源熱泵取用地下水過程中遇到的問題，根據《建設項目水資源論證導則》的相關規定，結合地下水地源熱泵的特點，對地下水地源熱泵項目水資源論證的關鍵問題進行了分析，并提出了區別于一般地下水取水水資源論證的關鍵論證技術要點。

地下水地源熱泵，水資源論證，淺層地熱能，熱泵系統

地源熱泵項目通過利用熱泵系統開發利用淺層地熱能，可以在冬季從大地吸收熱量，夏季吸收冷量，再由熱泵機組向建筑物供熱供冷來實現節能，較常規供暖技術節能50%～60%，運行費用降低30%～40%。作為一種新型的可再生資源，淺層地熱能與傳統能源相比，具有清潔環保、分布廣泛、儲量巨大、再生迅速、受外界條件影響小、可長期循環使用、就近開發、節約傳輸和存放成本等優勢，達到既節能又減排的目的。以上諸多優點，使得近年來地源熱泵項目在我國迅猛發展，在北方地表水匱乏地區，地下水幾乎成了熱泵系統的最佳供水水源。隨著不斷開發利用地下水資源，在取得經濟效益的同時，也帶來了很多環境問題，加強地下水地源熱泵系統項目取用地下水的管理十分必要和迫切。

地下水地源熱泵的取水、用水和退水與一般建設項目取用地下水存在較大差異，剛剛實施的SL 322-2013建設項目水資源論證導則對地下水地源熱泵水資源論證報告的取水水源論證進行了相關規定，但對地下水地源熱泵所涉及的取用水合理性、取退水影響未作明確規定，水資源論證報告書編制單位對問題處理辦法的不統一，也影響了水資源論證報告的質量。

1 地下水地源熱泵系統原理

地下水地源熱泵系統由地下水源系統、熱泵機組和末端系統三大部分組成。地下水地源熱泵系統是通過熱泵機組將地下水源系統和末端供冷暖循環系統連接起來。地下水源系統由抽水井、回灌井、循環水泵和水管道等組成。地下水地源熱泵系統是以地下水作為冷熱能的載體，將地下水中的冷熱能從地下提取出來，作為熱泵機組的換熱器的冷熱源。在冬季利用熱泵吸取地下水中的熱量向建筑物供暖，在夏季熱泵吸取地下水中的冷量向建筑物供冷。傳統的空調系統需要有冷源和熱源，而水源熱泵系統(包括地下水地源熱泵系統)，只需通過改變地下水或其他的水源進入熱泵機組不同的換熱器(蒸發器和冷凝器)來達到一套系統既可供熱又可供冷的目的。地下水地源熱泵工作原理見圖1。

供冷時可通過閥門轉換將地下水系統接至熱泵機組的冷凝器—將末端的空調水接至熱泵機組的蒸發器。水源熱泵機組按結構劃分，可分為冷熱風型水源熱泵機組(水—風型水源熱泵機組)和冷熱水型水源熱泵機組(水—水型水源熱泵機組)。

2 地下水地源熱泵項目水資源論證的必要性

地下水地源熱泵項目取水量一般較小，論證工作等級一般為二級、三級，需要的資質級別低，報告書審查部門一般為縣、市一級，按SL 322-2013建設項目水資源論證導則，缺乏具有針對性的統一尺度。并且多數項目并未進行水文地質勘察或淺層地熱能勘查，在沒有查清當地的水文地質情況下，以經驗值或者估算的方式進行水資源論證，與實際情況差異較大，導致水資源論證失去了應有的作用，沒能為取水許可審批提供強有力的技術依據。在不適宜的地區采用地下水地源熱泵系統開發利用淺層地熱能，或者不合理開發，導致水位下降、地面沉降、回灌困難、亂排亂放等問題的產生。

3 地下水地源熱泵項目水資源論證的關鍵問題

目前，地下水地源熱泵項目水資源論證除江蘇省南通市試行了《地下水源熱泵項目水資源論證報告書編寫提綱》外，尚未有其他相關規定開始試行。該類項目水資源論證報告的編制主要依據SL 322-2013建設項目水資源論證導則，按照一般地下水水源論證要求進行，缺乏針對性。報告中對該類建設項目的用水系統缺乏針對性的闡述，編制人員對其用水工藝缺乏了解，用水合理性、用水量的確定、回灌能力、抽水井與回灌井的間距及比例、抽回灌井的施工工藝和成井結構、回灌水對地下水水質和水溫，以及取水回灌對地質環境的影響等內容論證不到位，未能根據該類建設項目的特點，從取用水和回灌水等方面對項目實施的可靠性和可行性進行重點分析，并提出切實可行的地下水資源保護措施。

3.1 地下水地源熱泵水資源論證的關鍵點

根據《建設項目水資源論證導則》，建設項目水資源論證主要包括以下幾個方面的內容：1)論證等級劃分；2)水資源及其開發利用狀況分析；3)建設項目取用水合理性分析；4)建設項目取水水源論證(可靠性分析)；5)建設項目取水、退水影響論證。

結合地下水地源熱泵系統工程項目地下取水和回灌的特點，該類建設項目水資源論證的重點是對取水可靠性和回灌能力進行分析，工程布局和回灌方案等內容進行有針對性的分析。

3.2 論證等級劃分

地下水地源熱泵取用地下水作為冷熱源，主要用于制冷制熱和熱水供應，在回灌得當的情況下并不消耗水資源，其用水量取決于工程熱負荷和取回水溫差。結合工程特點，根據SL 322-2013建設項目水資源論證導則，該類項目取用地下水一般用于商業或民用建筑的熱泵空調工程，屬于生活用水的范疇。

項目退水通過管井回灌入地下含水層，按照地源熱泵的要求，必須同層全部回灌，因此用水多，退水量就大。根據導則判定級別時，空調使用面積較大的項目，由于單項指標退水量的增大，使得原本為三級論證的建設項目，級別會定為一級。

3.3 取用水合理性分析

在進行取水合理性分析時，除根據《導則》要求，分析政策的相符性外，應結合區域水資源狀況(包括地表水、地下水、再生水資源狀況)，尤其是地下取水目標含水層的開發利用規劃，重點分析水源熱泵取地下水與水資源條件、規劃的相符性。結合區域水資源管理，對三條紅線的內容重點闡述；針對項目特點分析工藝技術的合理性。對于其用水是否合理，主要分析建筑物的冷、熱負荷指標、水源熱泵性能系數、設計取水回水溫差等參數，以此核定建設項目的合理用水量。目前，國內尚無該類項目的用水指標，由于熱泵機組種類繁多，廠家不一，用水量大小參差不齊，用水水平難以統計。因此，用水水平指標計算與比較可以結合鄰近地區的類似項目作比較，判定本項目的用水水平高低。

3.4 取水水源論證

區別于一般地下水取水水源論證，地下水地源熱泵空調系統對地下水水溫有特殊要求，因此對地下水水溫應進行分析；另外地下水取水經換熱循環提取熱能或冷能后又通過回灌井注入地下，抽水井與回灌井距離太近，容易發生熱貫通現象，影響機組的運行效率，因此，需進行抽水井和回灌井工程布局的合理性分析。根據上述分析，結合導則要求，認為地下水地源熱泵地下取水水源論證中應包括如下內容：水文地質條件分析；目標含水層地下水資源量計算與評價；地下水水溫分析；地下水水質分析；取水可靠性分析；工程布局的合理性分析。

3.5 取水、退水影響分析

地下水地源熱泵在取用地下熱能或冷能時會造成水溫的變化，在系統運行時可能會引起水質的改變，應從水資源基本條件、地下水資源管理、環境水文地質及對第三者的影響等方面，分析論證范圍內的已建項目、在建項目、已批準的擬建項目和本項目同步取水與回水的累積與疊加影響，并針對本項目取水與回水造成的不利影響，提出減緩或消除不利影響的對策措施與補救、補償方案建議。通過上述分析，認為地下水地源熱泵項目取水、回水影響分析可以從以下五個方面著手：1)取水對區域水資源的影響分析；2)取水對其他用水戶的影響分析；3)取水對地質環境影響分析；4)退水對地下水水質的影響分析；5)退水對地下水水溫的影響分析。

4 建議

根據水源熱泵的相關技術規范和《淺層地熱能勘查評價規范》等規范規程的要求，地下取水的地源熱泵項目，退水必須全部回灌入同一含水層，避免串層現象的發生。目前部分項目由于未搞清水文地質條件、設計施工不合理等原因造成回灌困難，偷排偷放，導致一系列地質環境問題的發生，這些問題表明，該類項目僅僅對取用水合理性、退水影響進行分析顯然不夠，因此，除根據《導則》的要求外，建議對水源熱泵的適宜性進行分析，并對退水的合理性和可靠性進行分析。

在分析水源熱泵的適宜性時，應根據區域水資源的條件，如水源分布、水量、水溫、水質、保障程度等，分析不同水源地源熱泵的適宜性(包括地埋管地源熱泵的適宜性分析)，確定建設項目取用目標含水層地下水的合理性。

在分析退水合理性時，可以分析區域地層條件、水文地質條件、區內同類地層地下水的回灌能力，了解目標含水層的回灌條件。通過取水井、回灌井設計方案的對比，保證目標含水層地下水的同層回灌，對回灌合理性進行分析。還應在水文地質剖面圖上繪制取水井和回灌井設計結構圖。

在分析退水可靠性時，應對設計成井結構與工藝，含水層巖性，水位埋深、回灌井水位變幅、回灌井的回灌能力(回灌量大小、單位涌水量與回灌水量比例)、抽回灌井比例與數量、抽水井和回灌井的距離等進行分析，綜合分析回水的可靠性，并提出合理的取水井和回灌井的比例。應根據含水層補給、徑流和排泄條件、含水層參數的不確定性等情況，重點論證特豐水年和連續豐水年地下水補給條件發生變化、水位持續上升的情況下地下水退水的可靠性。

5 結語

地下水地源熱泵項目的特點決定了該類項目水資源論證報告書的編制主要依據《建設項目水資源論證導則》，但必須結合其獨有的取用水和退水的特點，有針對性地進行水資源論證報告書的編制，主要突出以下幾方面內容：

1)熱泵工程項目取用地下水源的合理性，突出分析地下水地源熱泵的適宜性；2)在分析計算取水可靠性的同時，對地下水水溫、工程布局的合理性進行分析；3)結合工程布局對退水的合理性和可靠性進行分析；4)突出取水對地質環境的影響分析；5)對集中開發淺層地熱能的地區或者論證級別較高的報告，退水對地下水水質，尤其是對地下水溫度場的變化應該重點分析。

[1] SL 322-2013，建設項目水資源論證導則[S].

[2] 王貴玲，劉 云，藺文靜,等.我國地下水源熱泵應用水適宜性評價[A].地溫資源與地源熱泵技術應用論文集(第二集)[C].2008.

[3] 江 劍，董殿偉.水源熱泵項目取用地下水水資源論證技術要點分析[J].中國水利,2013(3)：50-52.

[4] 王二英，劉 偉.水源熱泵建設項目水資源論證中有關問題的探討[J].南水北調與水利科技,2006(5):56-58.

On analysis of key issues on water resources demonstration of groundwater heat pump program

ZHOU Chun-hua REN Jing WANG Jin-shan

(No.2GeologicalEnvironmentSurveyInstitute,HenanBureauofGeo-explorationandMineralDevelopment,Zhengzhou450053,China)

According to some problems in pumping groundwater process with the ground source heat pumps, the paper analyzes the key issues in the water resources demonstration of groundwater heat pump programs according to related regulations ofGuidanceofWaterResourcesDemonstrationinConstructionProgramsand combining with features of groundwater heat pumps, and points out the technical points for the key demonstration of ground water resources demonstration differed from common groundwater resources.

groundwater heat pump, water resource demonstration, shallow geothermal energy, heat pump system

2014-07-18

周春華(1981- )，男，工程師； 任 靜(1983- )，女，工程師； 王金山(1981- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0129-02

TU991.112

A