地下水源熱泵建設項目取水管理探析

謝淑靜

（南陽市城市供水節水辦公室，河南 南陽 473060）

根據國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》，到2030年，我國非化石能源消費比重達到25%左右，順利實現2030年前碳達峰目標。因此，按照因地制宜原則，大力推進包括生物質能、地熱能以及太陽能在內的清潔低碳供暖。夏熱冬冷地區可采用科學取暖形式，結合本地實際，應用清潔高效的取暖方法，優化建筑用能結構，這是如期實現碳達峰、碳中和的重要措施之一。

地下水源熱泵是淺層地熱能的主要開發利用形式，對比常規能源供熱制冷形式，地下水源熱泵體現出較強的清潔性、高效性和節能性。近幾年，在國家鼓勵政策的引導下，熱泵技術在北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等地發展較快。地下水源熱泵有諸多優勢，但需要開采地下水，很多地下水源熱泵系統的回灌率達不到95%以上的強制標準，成為影響地下水采補平衡新的最不利因素。為了落實最嚴格水資源管理制度，嚴控地下水開采，亟待通過技術進步、規范管理解決目前地下水源熱泵出現的問題，真正做到取熱不耗水，把地下水特別是深層承壓水作為戰略性資源保護好，利用好。

1 地下水源熱泵系統基本特征

1.1 運行原理

地下水源熱泵系統的低位熱源為地下水，應用熱泵技術，僅需要輸入比較少的高位電能，便可將低位能熱量轉移至高位能熱量，達到供熱、供冷效果。地下水源熱泵系統包括水源熱泵機組、井水循環系統、用戶側管網和建筑物內配套系統。開始運行后，地下水通過熱源井被抽入熱能交換系統中，通過蒸發器實現汽化吸熱，冷凝器還可以實現液化放熱，這樣熱量可以持續地傳遞，利用閥門切換，機組便可以完成制熱、制冷，產生的熱能被傳輸到建筑物中，實現供熱、供冷。地下水在熱交換后便可重新返回地下，其間只是發揮地下水冷量（熱量）作用，不會造成大量水資源消耗，而且地下水不會和空氣直接接觸，避免地下水資源受到污染。

1.2 取水水源要求

水量、水溫和水質是影響地下水源熱泵系統運行效果的重要因素，取水水源對其有一定要求。一是熱源井供水穩定，出水量充足，能夠滿足機組制熱負荷的需要。二是水溫適度，地下水溫度為10～25 ℃。三是水質適宜，滿足機組運行工況要求：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。水源水質要與系統機組、管道、閥門的材質相適應，以免發生嚴重腐蝕，要求Cl含量小于100 mg/L，S0含量小于200 mg/L，Fe含量小于1 mg/L，HS 含量小于0.5 mg/L。對于腐蝕性強、硬度比較高的水源，系統可增設具有抗腐蝕性的不銹鋼換熱器或者安裝鈦板換熱器。

2 地下水源熱泵系統的主要問題

2.1 缺乏統一規劃，存在無序發展現象

地下水源熱泵項目涉及發展和改革部門、自然資源部門、住房和城鄉建設部門等，目前，地下水源熱泵項目建設運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地下水源熱泵系統的現象。對于地下水源熱泵項目建設而言，廠址區水文地質條件是必須關注的限制性因素。按照《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T 0225—2009），如果區域地下水資源豐富，單位涌水量大于12.5 m/（h·m），回灌能力強，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區和地面沉降嚴重區，那么該地適宜或較適宜采用地下水換熱方式建設地下水源熱泵系統。目前，不少已建運行的地下水源熱泵項目位于不適宜區，不可避免出現水源不足、回灌不暢等問題。

2.2 設計、施工和運行不規范

作為醫院、機關、賓館、住宅、學校等主體建筑的附屬設施，地下水源熱泵系統，特別是水源熱泵機組和井水循環系統缺乏專業設計（多數僅由水源熱泵設備經銷商提供設計方案），機組配置、熱源井設計不夠合理，主要表現是配備的熱泵機組負荷過大，機組能力閑置。為了降低成本，熱源井設計施工標準低，或不按成井技術規范施工，濾料及級配不符合要求，造成取水降深大、回灌能力低、水井出砂等問題。地下水源熱泵系統運行管理不規范，回灌井長期不回揚，井口敞開，取水、回灌計量設施不完善，不按要求開展地下水位、水質、水溫和水量監測。

2.3 影響地下水環境安全

2.3.1 回灌率低

《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366—2005）明確規定，實際應用的回灌措施務必保證有效，而且置換冷（熱）量后的地下水需要回灌至同一含水層中，其間不能出現地下水資源浪費、污染等現象。但由于施工工藝、回灌技術和監管等方面的原因，實際運行過程很難實現100%回灌。

2.3.2 地下水污染

回灌井敞口進行無壓重力回灌，回灌過程的回揚、水回路中產生的負壓和沉砂池都會使外界空氣與地下水接觸，導致地下水氧化，同時，抽灌水溫差變化也有可能引起地下水質量的改變。

2.3.3 出現熱（冷）堆積、熱（冷）貫通現象

一個地區夏季用冷量與冬季用熱量的差值較大，會造成排入含水層的熱（冷）量逐年增加，出現地下水溫逐年升高（降低）的熱（冷）堆積現象。熱源井間距較近時，會出現取水溫度接近回灌水溫度的熱（冷）貫通現象，影響地下水源熱泵系統的正常運行。

3 地下水源熱泵系統管理對策

3.1 做好項目建設前期工作

在地下水源熱泵項目開展水資源論證前，須進行可行性研究。水文地質勘查需要鑿2 眼勘探井，作為抽水試驗、回灌試驗的必要條件，真實了解含水層出水性能、回灌性能和水文地質參數，為編制廠址區水文地質勘查報告提供依據。后續嚴格按照《供水水文地質勘察規范》（GB 50027—2001）和《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T 0225—2009），開展水文地質勘查和抽水回灌試驗。在此基礎上，委托有資質的暖通空調設計單位編制地下水源熱泵系統設計報告，根據水文地質條件合理確定熱源井的數量、結構、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，井管應采用鋼管（壽命為25年，與熱泵系統一致），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 嚴格進行水資源論證和取水許可審批

水行政主管部門應根據相關法律法規和規范標準，落實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符合相關要求。根據地下水源熱泵項目的特征，水資源論證的關鍵點包括4 個方面。

3.2.1 項目問題總結

在項目所在區域水資源狀況及開發利用分析部分，重點總結地下水源熱泵項目和擬建項目附近相同類型項目建設與運行階段的現存問題。

3.2.2 取用水合理性分析

取水合理性分析主要是結合清潔能源供暖（制冷）和淺層地熱能開發利用規劃，分析建設項目與國家產業政策的符合性，根據國家、地方頒布的水資源管理制度和地下水源熱泵項目管理政策，對比內容是否相符。用水合理性分析需要按照建筑物性質和地下水源熱泵系統服務面積，嚴格對比建筑節能標準，復核設計單位設定的冷暖負荷，并計算最大取水規模。對于地下水源熱泵系統來說，夏季制冷、冬季供暖的最大循環用水流量可按照相關公式進行計算。

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

根據項目取水規模（小時取水量），結合項目建筑類型，確定日運行時間和不同時段的負荷，計算日用水量和年取用水總量。

3.2.3 取退水水源論證

重點是調查項目所在地區含水層的出水和回灌能力，評價廠址區采用地下水換熱方式的適宜性，針對取水水量與水質、取退水工程，按照地下水源熱泵系統運行過程的需水、退水要求予以論證。

4 建議

4.1 因地制宜發展地下水源熱泵系統

為了合理開發、利用和保護水資源，各地應組織開展地質、淺層地溫、水文地質條件和地下水質調查，確定地下水源熱泵發展的適宜區域，編制淺層地熱能開發利用規劃。應當優先發展再生水源熱泵（污水、工業廢水等），積極發展地源（土壤源）熱泵，適度發展地表水源熱泵（河流、湖庫），地下水源熱泵從原本的鼓勵發展及時過渡到限制發展。

4.2 加強地下水源熱泵關鍵技術研究，完善相關規范

開展理論與試驗研究，明確地下水源熱泵源、匯井運行特性，分析抽水和回灌對地下水運移特性（水力、熱力特性）等的影響。開展高效換熱技術、井下換熱技術和經濟回灌技術的攻關，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準。制定《地下水源熱泵建設項目水資源論證導則》和《地下水源熱泵井水循環系統設計施工規范》，編制《地下水源熱泵井水循環系統井口裝置（含計量設施）標準圖集》。

4.3 出臺地下水源熱泵管理辦法

組織開展地下水源熱泵運行情況專項調查，針對存在的問題，研究并制定管理辦法，明確部門職責，完善監管措施，促進地下水源熱泵技術健康發展，保證地下水資源安全。

5 結論

地下水源熱泵是淺層地熱能的主要開發利用形式，具有諸多優勢，但需要開采地下水，必須落實最嚴格水資源管理制度，保證地下水采補平衡。因此，要做好項目建設前期工作，嚴格進行水資源論證和取水許可審批，加強施工管理和系統運行管理，提高工程質量。未來，要因地制宜發展地下水源熱泵系統，加強地下水源熱泵關鍵技術研究，完善相關規范，出臺地下水源熱泵管理辦法，有效保障地下水資源安全。