天津城区地源热泵地下储能系统应用现状分析

张 晔

（天津市水文水资源管理中心，天津 300061）

地源热泵地下储能系统作为一种新型的制冷供暖方式，从技术角度看相当成熟，属于清洁高效可循环的能源利用方式，但其在发展过程中遇到了种种问题和阻力。如，能效比逐年降低，长期使用后造成系统冷热不平衡；井水回灌水质与回灌量不理想；冷量计算不精确，导致成井数量过多或不足产生资源和投资浪费等问题。

天津城区到目前为止仍有很多用户采用地源热泵地下储能系统向建筑物提供制冷和供暖。从水资源管理角度看，地源热泵地下储能系统最小程度地消耗地下水，最大程度地提高地下水循环利用效率，同时确保地下水不受污染。经过多次调查发现，系统在运行管理中尤其在采灌运行中存在各种状况，因此有必要分析天津市地源热泵地下储能系统的现状和存在问题，为天津市进一步规范管理地源热泵地下储能系统、提高地下水利用效率提供管理依据和研究方向。

1 天津城区地源热泵地下储能系统现状

1.1 系统工作原理

天津城区的地源热泵地下储能系统主要是地下水源热泵地下储能系统，它是地源热泵系统中的地下部分，是一个封闭的地下水回路系统，一般采用单井、对井、灌采井组等工程，通过地下水的采灌活动，将大气中的能源储存在含水层中，反季节利用，同时实现地下水灌采平衡。地源热泵地下储能系统工作原理，如图1所示[1]。

图1 地源热泵地下储能系统工作原理

1.2 系统应用研究发展过程

2001 年，天津市第一个应用性的地下水地源热泵系统在华苑新技术产业园区建成并投入运行。天津市城市节约用水办公室和天津新技术产业园对该系统的成功经验进行系统地研究和总结后，向全市推广。之后十几年，天津市地源热泵地下储能系统建设快速发展，最高峰时期达60余户。

2005 年，天津市水文水资源管理中心对天津市节水科技园、金滦宾馆、南开大学第二主教学楼3个水源热泵系统进行了灌采井常压、加压回灌试验，以研究天津地区水源热泵井的回灌方法及回灌规律。

2006 年12 月，天津市水利局印发了《天津市地源热泵系统管理暂行规定》，之后又修订为《天津市地源热泵系统管理规定》，对水源热泵系统工程的审批、论证、建设、运行管理和日常监测等作了明确规定。

2007 年，天津市水利局设立了井水源热泵技术应用后评价项目，旨在解决已建成项目中存在的回灌能力差、水资源浪费严重、可能加剧地面沉降等一系列问题。该项目对已建成的水源热泵系统进行了全面评价，特别是对地下水回灌能力及回灌井的布置方案进行了研究评价。

2008 年，在水利部《地下水保护行动》项目专题的支持下，天津市水务局完成“地源热泵系统地下水管理技术要求研究”专题工作。该项目在广泛调查和典型经验分析评价基础上，从水资源论证、取水许可审批、采灌井施工管理、项目竣工验收、运行管理及水资源费征收等多个方面，提出了加强地源热泵地下水管理的技术要求和政策措施建议。

2011 年，天津市水文水资源勘测管理中心牵头，天津市环境地质研究所协助，针对天津市水文地质条件，从地下水资源合理开发利用和保护的角度，编制了《天津市地源热泵地下储能系统建设和运行的技术规范》，规范中首次定义了地源热泵地下储能系统的概念。

2015 年6 月，天津市水文水资源勘测管理中心承担编制的《天津市地源热泵系统地下水开发利用和保护规划》中提出了分层组开发利用的思路。

2021 年，天津市水文水资源管理中心对仍在运行的29个地下水地源热泵项目进行了调查评估。

天津市地源热泵地下储能系统的研究工作一直在持续进行。2015 年以后，此项工作进入停止新建和探索阶段，一些问题系统闲置不用，针对地源热泵建设运行的研究工作仍显不足。

1.3 系统现状

天津城区目前仍有27 户在使用地源热泵地下储能系统，相关采灌井共计175眼。

按成井层位对已建成的地源热泵地下储能系统分类，可分为2 类：①同层成井系统，即地源热泵井所利用的含水层组为同一层位，有9户；②分层成井系统，即地源热泵井所利用的含水层组为2个及2个以上的含水层组，有18户。

按地下水的采灌方式分类，也可分为2 类：①同层采灌系统，即抽水井与回灌井为同一含水组层的采灌方式，9 个同层成井系统用户可以实现同层采灌；②异层采灌系统，即水源热泵运行过程中抽水井与回灌井为不同含水组层的采灌方式，这种方式在现有规范中被禁止，但实际上仍存在异层采灌操作。

天津市已建成的地源热泵地下储能系统均采用封闭式运行。全年地下水循环采灌量在1 000 万m3以下。按照“以灌定采”的原则，地源热泵地下储能系统运行过程中的采水量不应超过回灌量，但采水量同时也受水源热泵机组启动及正常运行所需最小水量的约束。

现阶段天津城区地源热泵地下储能系统单井回灌量多为20～60 m3/h。大部分用户的单井回灌量在40 m3/h 以下，可维持较长时间回灌的水量在30 m3/h左右，单井回灌量较大的用户（大于40 m3/h）多采用频繁回扬或晚上停用的方式以维持较大的回灌水量[2]。

深层含水组采灌井由于地下水位埋深大，其回灌量总体上大于相对较浅层的含水组采灌井。第Ⅳ含水组采灌井的回灌量多超过30 m3/h，而第Ⅱ+Ⅲ含水组采灌井的回灌量多在30 m3/h 左右或之下。表1 为具有代表性的部分用户采灌情况，单位回灌量在抽水试验和调查中得出，回灌率为2021 年全年统计数据累计得出。

表1 代表性用户采灌情况

目前，天津中心城区地源热泵系统的回灌率要求在95%以上，大多数用户可以达到此要求。热泵运行过程中，单井回灌量、回灌井数、回扬周期、精滤装置的安装等是影响回灌率的主要因素。

2 当前存在的主要问题

2.1 回灌井注水能力减弱

天津城区地源热泵地下储能系统所利用的采灌井的取水层位为第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水组，水源为第四系更新统及新近系地层中的地下水，岩性以细砂、粉细砂为主，结构复杂，含水层条件差。回灌过程中，由于各种原因导致地层透水性减小，回灌井注水能力大幅减弱。

第Ⅱ含水组埋藏深度较浅，补给条件较第Ⅲ、Ⅳ含水组好。第Ⅱ含水组总体上有由北向南和自西北向东南含水层粒度变细、富水性变差的规律。第Ⅲ含水组沉积韵律和富水性分布与第Ⅱ含水组大致类似，含水砂层岩性在市区及东南部以粉砂、粉细砂为主，在其他区域则主要为细砂；其粗粒相沉积范围较第Ⅱ含水组大，赋存条件较好，但由于埋藏深，补给条件相对较差。第Ⅳ含水组自西向东含水层颗粒变细、厚度变薄，涌水量逐渐变小，富水性普遍较好。根据对天津城区地源热泵井的现状调查结果，一般来说，第Ⅳ含水组作为地源井的应用条件优于第Ⅱ、Ⅲ含水组。

2.2 提取温差小，循环水量过大，造成水资源浪费

目前，天津城区运行中的地源热泵地下储能系统存在提取温差小、循环需水量大的问题。水源热泵机组地下水需水量计算公式为：

式中：G为水源热泵机组地下水需水量（m3/h）；Q为水源热泵机组额定产热（冷）量（W）；N为水源热泵机组额定输入功率（W）；t1为井水提水温度（℃）；t2为水源热泵机组输出（回灌水）温度（℃）。

由式（1）可以看出，地下水需水量与提取温差成反比，提取温差越大需要的循环水量越小。在保证水源热泵机组运行满足建筑物冷热负荷的基础上，为了最小限度抽取地下水保证其高效使用，天津市一直倡导“大温差-小流量”的运行模式。虽然规定了系统在运行中提取温差不能小于10℃，但有些用户在长期运行中提取温差过小，只能通过加大采灌水量来保证建筑物的冷热负荷。如，红光中学常年提取温差仅为3～5℃，这种运行模式不但降低了系统能效比，还导致需水量加大，因此有些用户的循环水抽取量超过了审批的许可水量。

地下水作为优质淡水，被列入战略储备资源，使用中必须确保其高效利用、不受污染、不造成浪费。天津市在地源热泵地下储能系统上一直采取谨慎的态度，对现有系统管理进行了严格的控制，要求已经运行的地源热泵地下储能系统必须100%回灌。如果没有补充其他水源回灌，现有技术条件很难实现这一目标，因此实际管理中要求回灌率不能低于95%。

2.3 回灌率、对井采灌和同层采灌问题

回灌率越大，则地源热泵地下储能系统消耗掉的地下水水量越小。《天津市地源热泵管理规定》明确规定，地源热泵地下储能系统要实现采灌平衡，遵循“对井采灌”和“同层采灌”的原则。

地源热泵地下储能系统运行过程中存在回灌能力越来越弱现象，导致回灌水位不断上升，回灌井单位回灌量越来越小。在调查过程中发现，严格遵守“对井采灌”和“同层采灌”原则可能会导致回灌率不达标。为保证回灌率，存在错层采灌和一采多灌的现象，操作人员只考虑哪眼井好回灌就灌哪眼井，随意性较大。系统运行过程中，采灌井不倒井或频繁地互换抽灌井，均使地下储能系统失去储能的作用，同时管理部门监管难度极大。

2.4 计量设施问题

计量设施叠加误差，导致有的用户查表数据显示回灌量大于开采量。回水为半管水时，计量不准导致回灌量计数不准确。此类问题多年前已有发现，为此采取了安装同等误差计量设施等措施。但由于场地限制等客观条件，还存在计量仪器安装不符合规范的现象。按照规范要求，采灌井计量表应装在井口，虽然各单位在建设中都在井口安装了水表，但因为井一般位于露天地下，时常发生的积水、占压、水表易损坏等因素给查表带来很大困难。目前，使用安装于机房的水表计量采灌水量，机房受场地条件限制，水表无法严格按规范安装，造成采灌水量计量误差增大。

2.5 运行记录不够完善，运行管理不规范

地源热泵地下储能系统运行期间，要有完整的运行记录，但多数用户运行记录不完整，缺乏抽水及回灌水水温、单位时间采灌水量、水位等记录。部分系统运行管理没有规范的流程，导致回灌运行管理没有一定之规。一些单位操作人员是临时工，缺乏基本常识，导致运行不回扬和洗井不当，进而影响回灌效率。

2.6 冷热负荷不一致，最终导致井水温度变化

冬季，从“热井”中抽取高于地面温度的地下水，热泵提取水中的热量为建筑物供暖，冷却后的水再灌回到“冷井”中；随着取热的持续温度逐渐降低，地源热泵地下储能系统能效比下降，直至取暖期结束。夏季，则与之相反。热量的提取和排放均以采灌井为中心向四周含水层和岩土体扩散。如果每年累计的冷热总量存在差异，那么随着使用年限增长，冷热总量差的累积会越来越大，进而影响系统使用效率和寿命[3]。

多数建筑物对系统要求的冷热负荷不一致，冷热负荷差异使得冷热储能总量随着时间的延长累积起来。系统在长期运行后导致地下水温度场发生变化，如海泰大厦，由于热负荷大，回灌井温度逐年下降，不仅降低了系统能效，还对局部地下水环境有一定影响。

3 结论和建议

天津城区地源热泵地下储能系统经过长期运行，已经达到稳定状态。目前，系统可实现一机多用，即一套地源热泵系统可以实现供热、供冷和供应生活热水。系统以年温度相对稳定的地下水作为换热对象，具有高效节能的特点，几乎无污染物排放。笔者认为，系统运行过程中存在的问题基本上可以通过技术手段和管理手段解决。

（1）对于水文地质条件问题，天津市水务和国土资源等部门和单位历年已经做了大量研究工作。地源热泵地下储能系统对水文地质条件有较强的依赖性，而地质条件具有很强的非均质性，一个地方的开发利用模式不能生搬硬套到另一个地方。总结系统可以利用的地下水含水组，分析影响系统的水文地质条件评价方法，对涉及的水文地质指标和环境地质指标参数进行归纳整理，并具体应用于天津地区的工程，这将对系统的建设和运行管理具有参考意义。

（2）地源热泵地下储能系统受地下水管理政策影响很大。天津市地下水长期超采已造成一系列问题，因此在系统建设上地下水能不能回灌、单井采灌比达到多少比较适宜以及取用地下水对环境有何影响成为水行政主管部门比较关注的问题。鉴于系统在节能、环保、效率等方面所具有的优势，而且如果运行管理良好，系统不会大量消耗地下水，因此建议天津市在系统取用地下水管理中灵活掌握“以灌定采，同层采灌，一采一灌”的原则。

（3）近年来，天津市在地源热泵地下储能系统成井技术、采灌方式以及管理方面做了一些工作，并取得一些宝贵经验。如，在粉细砂地质条件下，根据抽水试验天津市目前单井采灌比达到60%～70%，高于国内现有水平[4]，与国际最先进水平（荷兰）还有一些差距。可以说，目前系统在天津市已经具备推广应用的条件，同时需要借鉴国际先进经验使之进一步完善。

（4）合理安排监测项目，加强对采灌井地下水位、抽水量及回灌量、水温、水质等的监测工作。特别要重视建立长期的监测制度，保证监测数据的完整和完善。同时，应将地源热泵开采地下水的监测工作作为一项内容纳入地下水日常监测工作中。

（5）加大一采多灌、异组采灌监管力度，主要对回灌和水质变化情况进行重点分析研究，分析其对地下水环境的影响，评估其危害程度和发展的可行性。异层回灌在已有的规范中不被提倡，但异层回灌具有显著提高回灌率等优点，可进行试点研究。

（6）加强对回扬水、排放水回收利用的管理，超过规定排放水量标准的按违章用水处理，并提出限期整改方案，到期未改的停止使用。

（7）加强人员培训，做到持证上岗。应对地源热泵用户操作人员进行专业培训，使其掌握储能井运行维护与回灌的基本知识和管理规定，并颁发上岗许可证，做到无证不能操作。

（8）在现有项目中开展《地源热泵地下储能系统建设运行技术规范》的贯彻执行工作，从技术层面为地源热泵地下储能系统取用地下水在论证、施工、运行等各个环节上提供规范性技术文件，实现标准化科学化管理。