天津城區地源熱泵地下儲能系統應用現狀分析

張 曄

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

地源熱泵地下儲能系統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的能源利用方式，但其在發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冷熱不平衡；井水回灌水質與回灌量不理想；冷量計算不精確，導致成井數量過多或不足產生資源和投資浪費等問題。

天津城區到目前為止仍有很多用戶采用地源熱泵地下儲能系統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最小程度地消耗地下水，最大程度地提高地下水循環利用效率，同時確保地下水不受污染。經過多次調查發現，系統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的現狀和存在問題，為天津市進一步規范管理地源熱泵地下儲能系統、提高地下水利用效率提供管理依據和研究方向。

1 天津城區地源熱泵地下儲能系統現狀

1.1 系統工作原理

天津城區的地源熱泵地下儲能系統主要是地下水源熱泵地下儲能系統，它是地源熱泵系統中的地下部分，是一個封閉的地下水回路系統，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，反季節利用，同時實現地下水灌采平衡。地源熱泵地下儲能系統工作原理，如圖1所示[1]。

圖1 地源熱泵地下儲能系統工作原理

1.2 系統應用研究發展過程

2001 年，天津市第一個應用性的地下水地源熱泵系統在華苑新技術產業園區建成并投入運行。天津市城市節約用水辦公室和天津新技術產業園對該系統的成功經驗進行系統地研究和總結后，向全市推廣。之后十幾年，天津市地源熱泵地下儲能系統建設快速發展，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個水源熱泵系統進行了灌采井常壓、加壓回灌試驗，以研究天津地區水源熱泵井的回灌方法及回灌規律。

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

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“地源熱泵系統地下水管理技術要求研究”專題工作。該項目在廣泛調查和典型經驗分析評價基礎上，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，天津市環境地質研究所協助，針對天津市水文地質條件，從地下水資源合理開發利用和保護的角度，編制了《天津市地源熱泵地下儲能系統建設和運行的技術規范》，規范中首次定義了地源熱泵地下儲能系統的概念。

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地下水開發利用和保護規劃》中提出了分層組開發利用的思路。

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查評估。

天津市地源熱泵地下儲能系統的研究工作一直在持續進行。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 系統現狀

天津城區目前仍有27 戶在使用地源熱泵地下儲能系統，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分類，可分為2 類：①同層成井系統，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，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，即抽水井與回灌井為同一含水組層的采灌方式，9 個同層成井系統用戶可以實現同層采灌；②異層采灌系統，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，這種方式在現有規范中被禁止，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均采用封閉式運行。全年地下水循環采灌量在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。

現階段天津城區地源熱泵地下儲能系統單井回灌量多為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查中得出，回灌率為2021 年全年統計數據累計得出。

表1 代表性用戶采灌情況

目前，天津中心城區地源熱泵系統的回灌率要求在95%以上，大多數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、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

天津城區地源熱泵地下儲能系統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。回灌過程中，由于各種原因導致地層透水性減小，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及東南部以粉砂、粉細砂為主，在其他區域則主要為細砂；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。根據對天津城區地源熱泵井的現狀調查結果，一般來說，第Ⅳ含水組作為地源井的應用條件優于第Ⅱ、Ⅲ含水組。

2.2 提取溫差小，循環水量過大，造成水資源浪費

目前，天津城區運行中的地源熱泵地下儲能系統存在提取溫差小、循環需水量大的問題。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。雖然規定了系統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能效比，還導致需水量加大，因此有些用戶的循環水抽取量超過了審批的許可水量。

地下水作為優質淡水，被列入戰略儲備資源，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上一直采取謹慎的態度，對現有系統管理進行了嚴格的控制，要求已經運行的地源熱泵地下儲能系統必須100%回灌。如果沒有補充其他水源回灌，現有技術條件很難實現這一目標，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消耗掉的地下水水量越小。《天津市地源熱泵管理規定》明確規定，地源熱泵地下儲能系統要實現采灌平衡，遵循“對井采灌”和“同層采灌”的原則。

地源熱泵地下儲能系統運行過程中存在回灌能力越來越弱現象，導致回灌水位不斷上升，回灌井單位回灌量越來越小。在調查過程中發現，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，均使地下儲能系統失去儲能的作用，同時管理部門監管難度極大。

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據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不準確。此類問題多年前已有發現，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范的現象。按照規范要求，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，運行管理不規范

地源熱泵地下儲能系統運行期間，要有完整的運行記錄，但多數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。部分系統運行管理沒有規范的流程，導致回灌運行管理沒有一定之規。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；隨著取熱的持續溫度逐漸降低，地源熱泵地下儲能系統能效比下降，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，進而影響系統使用效率和壽命[3]。

多數建筑物對系統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。系統在長期運行后導致地下水溫度場發生變化，如海泰大廈，由于熱負荷大，回灌井溫度逐年下降，不僅降低了系統能效，還對局部地下水環境有一定影響。

3 結論和建議

天津城區地源熱泵地下儲能系統經過長期運行，已經達到穩定狀態。目前，系統可實現一機多用，即一套地源熱泵系統可以實現供熱、供冷和供應生活熱水。系統以年溫度相對穩定的地下水作為換熱對象，具有高效節能的特點，幾乎無污染物排放。筆者認為，系統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）對于水文地質條件問題，天津市水務和國土資源等部門和單位歷年已經做了大量研究工作。地源熱泵地下儲能系統對水文地質條件有較強的依賴性，而地質條件具有很強的非均質性，一個地方的開發利用模式不能生搬硬套到另一個地方。總結系統可以利用的地下水含水組，分析影響系統的水文地質條件評價方法，對涉及的水文地質指標和環境地質指標參數進行歸納整理，并具體應用于天津地區的工程，這將對系統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。鑒于系統在節能、環保、效率等方面所具有的優勢，而且如果運行管理良好，系統不會大量消耗地下水，因此建議天津市在系統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，并取得一些寶貴經驗。如，在粉細砂地質條件下，根據抽水試驗天津市目前單井采灌比達到60%～70%，高于國內現有水平[4]，與國際最先進水平（荷蘭）還有一些差距。可以說，目前系統在天津市已經具備推廣應用的條件，同時需要借鑒國際先進經驗使之進一步完善。

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

（5）加大一采多灌、異組采灌監管力度，主要對回灌和水質變化情況進行重點分析研究，分析其對地下水環境的影響，評估其危害程度和發展的可行性。異層回灌在已有的規范中不被提倡，但異層回灌具有顯著提高回灌率等優點，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定，并頒發上崗許可證，做到無證不能操作。

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