摘要：結合大量實際工程經驗，探討了地下水源熱泵的應用現狀及實際中存在的問題。分別從建筑規劃面積、水文地質條件和成井工藝等方面，對導致回灌困難的原因進行了全面的分析，并提出了相應的解決措施。強調為避免出現地面沉降和地下水質污染等問題必須做好水文地質勘探、控制成井質量、采用適宜的回灌方法等，并對管理部門今后的工作提出了一些建議。以保證地下水資源的合理利用，促進地下水源熱泵技術的可持續發展。

關鍵詞：地下水源熱泵成井回灌

地源熱泵是一種利用地熱資源來供熱、制冷的高效節能冷熱源型式。地下水源熱泵是其中的一種方式，與地下埋管的“閉式”地源熱泵相比，由于其造價低、容量大、水溫度穩定，所以在工程中應用較為廣泛。20世紀90年代中后期，地下水源熱泵的應用開始在國內推廣，當時工作的重點是熱泵設備的研發和推廣，由于造價低、制冷制熱效果較好，得到了用戶的認可，政府部門也積極參與這項技術的推廣。但另一方面，由于地下水回灌問題沒有得到根本解決，以致在工程應用方面和地質環境方面的問題比較突出。這些問題能否得到相應的解決，直接影響了該技術的持續發展和人類的生活環境。

地下水是一種優質的淡水資源，是國家的一種戰略物資。大規模使用地下水，而不能得到良好的回灌，一旦出現地質環境問題，是難以補救的。為了合理利用地下水資源、促進地下水源熱泵的可持續發展，本文將結合與之相關的實際施工技術，詳細介紹了江西地區地下水源熱泵的應用現狀、存在的問題、相關解決措施。

1應用現狀

1）國家倡導，廠家、公司、設計人員大力推廣

近來，國內地下水源熱泵發展非常迅速，其應用也已經達到了一定規模。一些廠家、研究機構甚至政府機構都積極倡導這項技術，并稱之為綠色能源技術。應用地下水源熱泵技術，地下水經熱交換后必須回灌，即將被水源熱泵機組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中去。許多地下水源熱泵項目都聲稱解決了回灌問題，但對回灌質量如何往往避而不談。事實上，由于成井質量、回灌技術等原因，很難保證達到100%回灌，有些回灌困難的工程所在地甚至已經了出現較為嚴重的地面沉降[1]。江西地區的地下水資源比較豐富，但如果沒有根本解決回灌問題而長期使用這項技術，仍可能導致地下水資源的破壞。

2）出現技術應用空白區

地下水源熱泵技術是一個跨學科、跨專業的可再生能源利用技術，涉及暖通空調技術、地質技術和鉆井技術等多專業、多工種的知識。目前存在的問題是各專業間缺乏有效整合和溝通。多數暖通技術人員對水源井并不了解，在暖通設計時也沒有對水源井進行相關設計，而鉆井技術人員對暖通專業用水井的要求比較模糊，僅憑以往經驗，即按照一般的生活或工業用水井的標準進行施工，但實際上這很難達到暖通專業的使用要求。另外，由于沒有相應的施工圖紙，使得工程監理和甲方無法對成井施工進行監察。因此在工程初期就很難保證工程質量達到相關施工規范的要求。

3）取水有認證，抽灌無管理、無監督

在決定采用地下水源熱泵系統之前，需做詳細的水文地質勘探，獲取地下水溫度、水質和出水量等數據，合理地配置整個系統。多數建設單位會根據國家有關法規進行取水認證，但是由于地下系統施工后基本不可見，系統在設計上沒有考慮回灌的遠程監控系統，而管理部門職責不甚明確，故無法監督地下水源熱泵系統是否依據相應規范進行抽灌，更無法進行長期的監測工作。由于缺乏后期的監督管理，許多工程不管能不能達到回灌要求都盲目、無節制地運用這一技術。這與地下水源熱泵技術的可持續發展理念背道而馳。這項技術的應用是一柄雙刃劍，我們要盡量避免其危害到子孫后代的利益。

4）技術應用無細則

熱泵設備技術已經比較成熟，對于地源熱泵系統的工程施工國家標也有相關的規范，但由于不同地區的地質情況各不相同，施工工藝水平也存在很大差異，需要針對本地區的具體特點對應用該項技術的實際施工方面進行深入的研究，并制定相應施工細則。江西地區在這方面的研究仍非常薄弱，亟需建立相應的技術應用細則，引導該技術的在江西的正確應用。

2回灌問題

地下水回灌困難是影響地下水源熱泵系統的應用主要因素。一方面由于達不到回灌要求，可能導致的地質環境問題；另一方面由于回灌困難，有些用戶為了保證空調系統的運行就不得不把地下水排入城市雨水管網，可能增大城市污水處理負擔。回灌困難就成了地下水源熱泵系統工程應用關注的焦點。

2.1回灌原則

回灌方式有無壓、負壓和加壓回灌三種。對于抽灌兩用井，為防止井間互相干擾，應控制合理井間距。回灌量大小與水文地質條件、成井工藝、回灌方法等因素有關，回灌要求應達到相應的國家規范的要求：1）回灌水質要等于或優于水源水質；2）應在封閉系統中輸送地下水，與其接觸的部件應采用耐腐蝕材料，取水、回灌水管路應裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；3）定期對地下水進行化驗，并將化驗結果報送有關部門備案，發現地下水質異常，特別是水中出現化學物質含量升高或其他無關物質時，應及時采取措施。

2.2回灌困難的原因

1）建筑規劃面積制約，抽灌比不合理

當地源熱泵系統所需的用水量較大時，由于單井抽水量有限，抽水井數應該相應增多；如果工程所在地的地質條件所需抽灌比較小，則需一定量的回灌井數才能滿足系統所需回灌量。由于井數較多，兩井間又要保證適宜間距，故所需占地面積較大。實際工程建筑規劃面積是有限的，因此，許多工程以減少回灌井數來保證井距。這樣，就使回灌困難成為了一個必然因素。

2）水文地質條件不利于回灌

理論上講，地下水回灌量可達100%，但由于不同地區地質條件各異，這實際上是達不到的。在含水層砂粒較細時，井極易被堵，回灌量大幅降低；砂粒較粗的含水層，由于孔隙較大，回灌相對較易。含水層越淺，越不易于回灌，反之亦然。根據實際工程經驗，在不同地下含水層情況下，典型的抽灌比、井的布置和單井出水量情況如表1所示。

表1 不同條件下的地下水系統設計參數

由于水源井的水文地質中許多因素[2]均會引起水源井的堵塞，實際上水源井的堵塞是不可避免的，隨著系統使用時間的增長，抽水井或回灌井能力都會下降，從而不能滿足地下水源熱泵運轉的需要。因此需采用相應的物理和化學處理方法處理水源井的堵塞，如表2所示。

表2 堵塞機理及處理方法

表2堵塞機理及處理方法一般來說，可采取回揚方式來防止井的老化，維持地下水的回灌。所謂回揚，即在抽水井和回灌井中均安裝潛水泵，并定期交換抽水井和回灌井。回揚次數和回揚持續時間主要由含水層顆粒大小和滲透性而定，其次還要考慮水質、回灌量和回灌方式等。只有適當的回揚次數和時間，才能獲得好的回灌效果。

對于輕度堵塞，可直接用連續回揚的方法處理，直到井單位開采量和動力水位恢復，方可繼續進行回灌。對于嚴重堵塞，可用回揚與間歇停泵反沖的處理方法，或用回揚與壓力灌水相結合的處理方法。回揚對于細顆粒含水層尤為重要。實驗證實，在幾次回灌之間進行回揚能恢復回灌水位，并保證回灌井正常工作。但是，回揚是非常專業化的工作，增大了用戶的維護工作量，而且對井的損害也很大，會降低系統壽命[3]。

3）成井工藝不規范、保護不嚴格

在成井的施工過程中，由于施工人員不了解地下水源熱泵系統知識及相應規范，在井內采用未加防蝕的鐵制構件，加速了水源井的堵塞；隨意偷工減料，井壁厚度不符合規范要求，井徑不能滿足水流速要求；在選擇填礫過濾器濾料的規格時，沒有根據鑿井中取樣篩分后的地層顆粒組份，按照《供水管井技術規范》的要求來選擇。

4）井室管道設計不合理

地下水源熱泵技術涉及暖通空調技術、地質技術和鉆井技術等多專業、多工種的知識。如前所述，暖通技術人員未做井室管道進行設計，由于考慮工程施工承包的方便，一些工程的水源井及井室均由鉆井施工人員來完成施工，但他們對井室管道施工要求可能不甚了解，只能憑著經驗進行施工，這樣很難達不到國家規范的施工工藝要求。

3解決措施

1）做好水文地質勘探，合理設計

遵循自然規律，做到合理利用、開發地下水資源。重視地下水資源豐富的現狀，加大水文地質的勘查、評價與研究力度，根據當地水文地質條件，合理規劃地下水的開采布局，確定與之適宜的回灌和回揚方法。

在設計地下水源熱泵系統之前，需經水文地質勘探確定以下數據：

a）確定單井抽水量。由地勘部門通過地質勘探確定單井抽水量，根據使用溫差計算出z*大用水量，進而確定抽水井數；b）單井回灌量及抽灌比。由地勘部門通過地質勘探確定單井回灌量，根據用水量和抽灌比即可確定回灌井數；c）水溫，由于水溫不同，同樣的機組提供的冷量和熱量也不同，可作為機房設計依據；d）動水位深度，地下水源熱泵系統的經濟性與地下水的動水位深度有很大的關系。根據這個深度以及室外管網的水力計算，可確定潛水泵揚程（水泵揚程=井內動水水位到機房地面高度+管道阻力+設備阻力），如地下水位較低，不僅成井的費用增加，水泵運行能耗也將大大降低系統的效率，使得節能效果大打折扣[4]；e）井水水質，確定是否直接利用地下水[5]，為機房設計提供依據，如表3所示。

表3 根據礦化度確定是地下水利用方式

表1 不同條件下的地下水系統設計參數

注：單位容積水中所含各種離子、分子、化合物的總量稱為礦化度。

2）嚴格按規范進行水源井施工

設計、施工人員應嚴格按照《供水水文地質勘察規范GB50027》、《供水管井技術規范GB50296》、《地源熱泵系統工程技術規范GB50366》進行設計施工。全面提高暖通技術、地質技術和鉆井技術人員的專業素養，使其配合密切。建議成井單位配合暖通設計師完成熱源井設計，由水利管理部門監督成水源井的施工。

3）加強相關部門管理、研究力度

由于地下水源熱泵系統存在回灌困難的客觀事實，可能會對下水資源造成破壞，這應引起相關主管部門的足夠重視，加強對地下水源熱泵系統的抽灌監察，并形成有效的管理機制。建議江西地區的高校、設計院和地勘部門聯合起來，對本地已建地源熱泵系統進行跟蹤研究，盡快制定江西地區的地下水源熱泵設計、施工和運行實施細則，引導這項技術朝著可持續方向發展。

4結束語

本文針對地下水源熱泵在實際工程的應用中存在的問題，如受水文地質條件的制約，監督管理匱乏，井的老化和回灌困難等，提出了相應的解決措施。

1）針對各地區的不同地質情況，做好水文地質勘探，合理開發利用地下水資源；

2）控制成井質量，因地制宜地采取適宜的回灌和回揚方法，保證抽灌比，減少因回灌問題造成的地下水位下降、地質沉降等地質破壞；

3）加強管理部門的監督力度，從工程設計到成井施工再到對地下水的抽灌全過程進行監督檢查，使地源熱泵系統應用更規范、更可靠。