地下水源热泵建设项目取水管理探析

谢淑静

（南阳市城市供水节水办公室，河南 南阳 473060）

根据国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》，到2030年，我国非化石能源消费比重达到25%左右，顺利实现2030年前碳达峰目标。因此，按照因地制宜原则，大力推进包括生物质能、地热能以及太阳能在内的清洁低碳供暖。夏热冬冷地区可采用科学取暖形式，结合本地实际，应用清洁高效的取暖方法，优化建筑用能结构，这是如期实现碳达峰、碳中和的重要措施之一。

地下水源热泵是浅层地热能的主要开发利用形式，对比常规能源供热制冷形式，地下水源热泵体现出较强的清洁性、高效性和节能性。近几年，在国家鼓励政策的引导下，热泵技术在北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等地发展较快。地下水源热泵有诸多优势，但需要开采地下水，很多地下水源热泵系统的回灌率达不到95%以上的强制标准，成为影响地下水采补平衡新的最不利因素。为了落实最严格水资源管理制度，严控地下水开采，亟待通过技术进步、规范管理解决目前地下水源热泵出现的问题，真正做到取热不耗水，把地下水特别是深层承压水作为战略性资源保护好，利用好。

1 地下水源热泵系统基本特征

1.1 运行原理

地下水源热泵系统的低位热源为地下水，应用热泵技术，仅需要输入比较少的高位电能，便可将低位能热量转移至高位能热量，达到供热、供冷效果。地下水源热泵系统包括水源热泵机组、井水循环系统、用户侧管网和建筑物内配套系统。开始运行后，地下水通过热源井被抽入热能交换系统中，通过蒸发器实现汽化吸热，冷凝器还可以实现液化放热，这样热量可以持续地传递，利用阀门切换，机组便可以完成制热、制冷，产生的热能被传输到建筑物中，实现供热、供冷。地下水在热交换后便可重新返回地下，其间只是发挥地下水冷量（热量）作用，不会造成大量水资源消耗，而且地下水不会和空气直接接触，避免地下水资源受到污染。

1.2 取水水源要求

水量、水温和水质是影响地下水源热泵系统运行效果的重要因素，取水水源对其有一定要求。一是热源井供水稳定，出水量充足，能够满足机组制热负荷的需要。二是水温适度，地下水温度为10～25 ℃。三是水质适宜，满足机组运行工况要求：含砂量小于5 g/m，浊度小于20 mg/L，固体颗粒的粒径小于0.5 mm，pH 控制在6.0～8.0，CaO 含量小于200 mg/L，矿化度小于3 g/L。水源水质要与系统机组、管道、阀门的材质相适应，以免发生严重腐蚀，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。对于腐蚀性强、硬度比较高的水源，系统可增设具有抗腐蚀性的不锈钢换热器或者安装钛板换热器。

2 地下水源热泵系统的主要问题

2.1 缺乏统一规划，存在无序发展现象

地下水源热泵项目涉及发展和改革部门、自然资源部门、住房和城乡建设部门等，目前，地下水源热泵项目建设运行的管理办法还不是非常完善，不同部门各自为政，存在不顾地下水源条件盲目建设地下水源热泵系统的现象。对于地下水源热泵项目建设而言，厂址区水文地质条件是必须关注的限制性因素。按照《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225—2009），如果区域地下水资源丰富，单位涌水量大于12.5 m/（h·m），回灌能力强，单位回灌量与单位涌水量的比值大于50%，地下水位年下降量小于1.5 m，且该地不属于重要水源地保护区和地面沉降严重区，那么该地适宜或较适宜采用地下水换热方式建设地下水源热泵系统。目前，不少已建运行的地下水源热泵项目位于不适宜区，不可避免出现水源不足、回灌不畅等问题。

2.2 设计、施工和运行不规范

作为医院、机关、宾馆、住宅、学校等主体建筑的附属设施，地下水源热泵系统，特别是水源热泵机组和井水循环系统缺乏专业设计（多数仅由水源热泵设备经销商提供设计方案），机组配置、热源井设计不够合理，主要表现是配备的热泵机组负荷过大，机组能力闲置。为了降低成本，热源井设计施工标准低，或不按成井技术规范施工，滤料及级配不符合要求，造成取水降深大、回灌能力低、水井出砂等问题。地下水源热泵系统运行管理不规范，回灌井长期不回扬，井口敞开，取水、回灌计量设施不完善，不按要求开展地下水位、水质、水温和水量监测。

2.3 影响地下水环境安全

2.3.1 回灌率低

《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2005）明确规定，实际应用的回灌措施务必保证有效，而且置换冷（热）量后的地下水需要回灌至同一含水层中，其间不能出现地下水资源浪费、污染等现象。但由于施工工艺、回灌技术和监管等方面的原因，实际运行过程很难实现100%回灌。

2.3.2 地下水污染

回灌井敞口进行无压重力回灌，回灌过程的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池都会使外界空气与地下水接触，导致地下水氧化，同时，抽灌水温差变化也有可能引起地下水质量的改变。

2.3.3 出现热（冷）堆积、热（冷）贯通现象

一个地区夏季用冷量与冬季用热量的差值较大，会造成排入含水层的热（冷）量逐年增加，出现地下水温逐年升高（降低）的热（冷）堆积现象。热源井间距较近时，会出现取水温度接近回灌水温度的热（冷）贯通现象，影响地下水源热泵系统的正常运行。

3 地下水源热泵系统管理对策

3.1 做好项目建设前期工作

在地下水源热泵项目开展水资源论证前，须进行可行性研究。水文地质勘查需要凿2 眼勘探井，作为抽水试验、回灌试验的必要条件，真实了解含水层出水性能、回灌性能和水文地质参数，为编制厂址区水文地质勘查报告提供依据。后续严格按照《供水水文地质勘察规范》（GB 50027—2001）和《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225—2009），开展水文地质勘查和抽水回灌试验。在此基础上，委托有资质的暖通空调设计单位编制地下水源热泵系统设计报告，根据水文地质条件合理确定热源井的数量、结构、井间距以及与周围建筑物的距离等。为了提高回灌效率，抽水井与回灌井的比例应不小于1∶2。由于抽水井和回灌井切换使用，为延长热源井的使用寿命，井管应采用钢管（寿命为25年，与热泵系统一致），滤水管采用桥式滤水管，滤水管长度要不小于含水层厚度。

3.2 严格进行水资源论证和取水许可审批

水行政主管部门应根据相关法律法规和规范标准，落实水资源管理制度和取水许可审批程序，使地下水源热泵的建设符合相关要求。根据地下水源热泵项目的特征，水资源论证的关键点包括4 个方面。

3.2.1 项目问题总结

在项目所在区域水资源状况及开发利用分析部分，重点总结地下水源热泵项目和拟建项目附近相同类型项目建设与运行阶段的现存问题。

3.2.2 取用水合理性分析

取水合理性分析主要是结合清洁能源供暖（制冷）和浅层地热能开发利用规划，分析建设项目与国家产业政策的符合性，根据国家、地方颁布的水资源管理制度和地下水源热泵项目管理政策，对比内容是否相符。用水合理性分析需要按照建筑物性质和地下水源热泵系统服务面积，严格对比建筑节能标准，复核设计单位设定的冷暖负荷，并计算最大取水规模。对于地下水源热泵系统来说，夏季制冷、冬季供暖的最大循环用水流量可按照相关公式进行计算。

式中：为夏季制冷时循环供水流量，m/h；为冬季制热时循环供水流量，m/h；为夏季供冷量，kW；为冬季供热量，kW；P为输入功率，kW；Δ为供冷时的抽灌水温度变化，℃；Δ为供热时的抽灌水温度变化，℃。

根据项目取水规模（小时取水量），结合项目建筑类型，确定日运行时间和不同时段的负荷，计算日用水量和年取用水总量。

3.2.3 取退水水源论证

重点是调查项目所在地区含水层的出水和回灌能力，评价厂址区采用地下水换热方式的适宜性，针对取水水量与水质、取退水工程，按照地下水源热泵系统运行过程的需水、退水要求予以论证。

4 建议

4.1 因地制宜发展地下水源热泵系统

为了合理开发、利用和保护水资源，各地应组织开展地质、浅层地温、水文地质条件和地下水质调查，确定地下水源热泵发展的适宜区域，编制浅层地热能开发利用规划。应当优先发展再生水源热泵（污水、工业废水等），积极发展地源（土壤源）热泵，适度发展地表水源热泵（河流、湖库），地下水源热泵从原本的鼓励发展及时过渡到限制发展。

4.2 加强地下水源热泵关键技术研究，完善相关规范

开展理论与试验研究，明确地下水源热泵源、汇井运行特性，分析抽水和回灌对地下水运移特性（水力、热力特性）等的影响。开展高效换热技术、井下换热技术和经济回灌技术的攻关，明确抽灌水温差、热源井间距、热源井与建筑物距离等控制标准。制定《地下水源热泵建设项目水资源论证导则》和《地下水源热泵井水循环系统设计施工规范》，编制《地下水源热泵井水循环系统井口装置（含计量设施）标准图集》。

4.3 出台地下水源热泵管理办法

组织开展地下水源热泵运行情况专项调查，针对存在的问题，研究并制定管理办法，明确部门职责，完善监管措施，促进地下水源热泵技术健康发展，保证地下水资源安全。

5 结论

地下水源热泵是浅层地热能的主要开发利用形式，具有诸多优势，但需要开采地下水，必须落实最严格水资源管理制度，保证地下水采补平衡。因此，要做好项目建设前期工作，严格进行水资源论证和取水许可审批，加强施工管理和系统运行管理，提高工程质量。未来，要因地制宜发展地下水源热泵系统，加强地下水源热泵关键技术研究，完善相关规范，出台地下水源热泵管理办法，有效保障地下水资源安全。