地下儲能系統(tǒng)在天津市河西區(qū)青少年宮項目中的應用

董曉敏，柴雅彬，顧新洲

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

1 引言

地下儲能技術是把大氣的冷熱能源以地下水為介質(zhì)，儲存在含水層中，供使用期間提取。它與風能、太陽能一樣，是一種低維修、高能效的利用自然能的方法，是不產(chǎn)生環(huán)境污染的“綠色能源”。地下儲能系統(tǒng)重視能源的儲存和地下水資源保護，運行過程中保持地下水采補平衡，對環(huán)境不產(chǎn)生影響。地下水不受氣溫變化的影響，溫度比較穩(wěn)定，儲能效果顯著。夏季儲存的水溫高于原含水層水溫，冬季儲存的水溫低于原含水層水溫，反季節(jié)利用可以大幅度提高系統(tǒng)供暖和制冷效果，從而達到節(jié)能的目的。由于其具有環(huán)保和節(jié)能的雙重優(yōu)勢，近期在國內(nèi)外都得到了大力的推廣和應用。與國外相比，我國地下儲能技術研究和應用起步較晚，在熱泵機組的優(yōu)化設計和工程應用上還存在較大差距。通過對運行中的地下儲能系統(tǒng)進行現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測評價，跟蹤評估地下儲能系統(tǒng)的運行效果，在發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)經(jīng)驗的基礎上，進一步加強地下儲能技術的深入研究。

2 項目概況

天津市河西區(qū)青少年宮位于天津市河西區(qū)解放南路357號，系原解放南路中學，包括教學、實驗、辦公、學術交流等房屋設施，總建筑面積21 262 m2，項目占地面積10 666.72 m2。為了實現(xiàn)節(jié)約能源、保護環(huán)境和節(jié)約辦公經(jīng)費的目的，本項目采用以地下水為介質(zhì)的地下儲能系統(tǒng)進行供暖和制冷，設計建議選用4臺克萊門特熱泵機組，2臺運行，2臺備用。

該地下儲能系統(tǒng)于2010年正式投入運行，機房熱泵機組啟動時配有專人值班，交接班時值班人員負責記錄開采井及回灌井水表讀數(shù)。系統(tǒng)熱泵機組參數(shù)由設備安裝商設定，現(xiàn)狀出水溫度26.3℃，回水溫度24.5℃，提取溫差1.8℃。系統(tǒng)采用一采兩灌的方式運行，基本能滿足室內(nèi)夏季制冷和冬季供暖需求。系統(tǒng)采用自動遠傳計量水表，運行至2011年9月平均回灌率95.7%，基本處在取水許可規(guī)定范圍。各供暖、制冷期用水統(tǒng)計情況，見表1。

表1 河西青少年宮用水量統(tǒng)計

3 應用存在問題

3.1 設備選擇問題

由于種種客觀原因，河西青少年宮地下儲能系統(tǒng)的建設施工分別由多個單位承包，熱泵機組、室內(nèi)風機的采購和設備安裝、供熱管網(wǎng)鋪設分別由不同公司負責實施，導致系統(tǒng)整體的兼容配套工作復雜，對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生了負面影響，既降低了系統(tǒng)使用壽命，又不能有效實現(xiàn)初始設計的節(jié)能目標。系統(tǒng)熱泵機組在不到2年的使用過程中已出現(xiàn)多次損壞，維修工作任務繁重，直接影響了地下儲能系統(tǒng)的供暖（制冷）效果。

3.2 運行管理問題

系統(tǒng)設施建設和運行環(huán)節(jié)中，相關負責人員未能及時做好溝通和交接，造成系統(tǒng)設備原始資料不完備，加之操作及管理人員對地下儲能系統(tǒng)的原理缺乏認識，在機組運行中操作不當，未能按照原水資源論證設計方案中“大溫差小流量”的原則使用該系統(tǒng)，僅提取1.8℃的溫差，造成單井開采量超過回灌能力。同時，采用一采兩灌的方式運行使高溫水和低溫水回灌至同一含水層，長期如此惡性循環(huán)導致地溫場紊亂、回灌效果差的結(jié)果；系統(tǒng)回揚量增大，直接造成了水資源的浪費和系統(tǒng)運行成本的提高。

4 對策

4.1 盡快開展相關培訓，建立持證上崗制度

為了更好地運行和維護熱泵系統(tǒng)，建議開展定期的地下水源儲能系統(tǒng)使用管理人員和操作人員培訓工作，建立操作工人持證上崗資格制度，提高使用單位的運行管理水平，提升地下水源儲能系統(tǒng)使用效率。

4.2 實行一采一灌的系統(tǒng)運行方式

改變一采兩灌的錯誤運行方式是諸多措施中的重中之重。通過相關研究發(fā)現(xiàn)，從水源熱泵制冷、供熱的雙向功能的角度看，提取地下水溫差在10℃左右時25℃水溫的地下水在能源利用上最具有經(jīng)濟性。因此，應按照初始設計進行系統(tǒng)設備的完善；對系統(tǒng)設置和運行貫徹“大溫差小流量”的原則，加大溫差設定值，減少地下水的開采量，有效緩解回灌壓力。

4.3 適當運用價格杠桿，控制地下水開采量

現(xiàn)行的《取水許可和水資源費管理條例》僅對地下水源熱泵系統(tǒng)的回揚水量進行水資源費的征收、管理和監(jiān)督，而對其地下水利用量未作出明確的要求。水行政主管部門應進一步加強對地下儲能系統(tǒng)管理，通過運用價格杠桿對系統(tǒng)運行中的地下水利用量進行控制，使用水業(yè)主單位認識到節(jié)約用水的重要性。

4.4 建立設備廠商及施工單位市場準入及懲罰機制

目前，多數(shù)項目建設業(yè)主單位只看到該系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)勢，卻在設備和施工單位等的選擇上往往重視不夠。據(jù)調(diào)查，天津地區(qū)地下儲能系統(tǒng)的安裝普遍存在密封不好、監(jiān)測設施殘缺等問題，甚至部分用戶設備安裝不配套、無測壓管、無精濾裝置，給管理部門的后期運行、監(jiān)測以及系統(tǒng)維護帶來很大的困難。因此，有關部門應盡快出臺相關的行業(yè)標準，加強對設備廠商及施工單位管理，建立市場準入及懲罰機制，對有不良記錄的廠商及單位及時進行通報和處罰，規(guī)范市場行為，嚴把質(zhì)量關，以確保建設高標準高質(zhì)量的地下儲能系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和高效性。同時，進一步加強對項目設計、施工安裝、調(diào)試、驗收的監(jiān)督管理，提升建設單位的使用滿意度。

4.5 廣泛開展論證后評估工作

為了實行最嚴格水資源管理制度，按照《建設項目水資源論證管理辦法》規(guī)定業(yè)主單位委托具有資質(zhì)的論證單位進行了建設項目水資源論證，并編制了建設項目水資源論證報告書。但在系統(tǒng)建成后沒有對實際運行情況進行及時的后續(xù)跟蹤服務。結(jié)合水利部辦公廳 《關于開展建設項目水資源論證后評估工作的通知》（辦資源〔2011〕329號）及天津市相關規(guī)定，有關部門應廣泛開展論證后評估工作，委托資質(zhì)單位針對取水許可審批的落實情況和系統(tǒng)的建設實施情況、實際運行情況、日常監(jiān)督管理情況等方面進行為期不少于3年的跟蹤調(diào)查，在對數(shù)據(jù)分析的基礎上，認真總結(jié)經(jīng)驗、發(fā)現(xiàn)問題并及時提出整改措施，以促進水資源的合理和可持續(xù)利用。