水源熱泵空調項目取用水合理性分析

陳 茜

(遼寧省水文水資源勘測局遼陽分局，遼寧遼陽 111000)

1 概述

遼陽市市政府對市健身大廈采用水源熱泵供曖和制冷項目就行改造，項目總建筑面積12 659.07 m2，其中地下面積996.15 m2，地上建筑面積11 494.26 m2。在地上11 494.26 m2面積中:游泳館和健身館面積為8 604.46 m2，訓練館面積為2 234.42 m2，其他建筑面積為設備用房。

項目擬在所在地提取地下水做為地溫空調機組水源，共擬建5眼抽水井、9眼回灌井。

該系統運行最大負荷時，游泳館需水量為204 m3/h，項目年用水量90.79萬m3;訓練館需水量為78.5 m3/h，項目年用水量31.89萬 m3。

而遼陽市區多年平均地下水資源量21 939萬 m3，地下水資源可開采量為18 540萬m3。

2 取水合理性分析

在20世紀90年代以后，對于取暖方式開始有新的嘗試和探討，特別是隨著可持續發展和公眾環保意識的提高，世界和中國能源利用的結構正在轉變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。

但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續發展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機組就是比較理想的一種設備[1]。

水源熱泵中央空調取代了鍋爐，沒有燃燒、排煙以及燃料存放的污染，也不需要燃料場地，不會產生城市熱島效應，對環境非常有利，是理想的綠色環保產品。

水源熱泵中央空調系統所利用的地下水是密封循環的，避免了冷卻塔的水污染現象，并實現了水的零消耗[2]。

此外，水源熱泵機組結構特殊，制冷劑充注量減少了25%，節能經濟。

遼陽市區多年平均地下水資源量21 939萬m3，地下水資源可開采量為18 540萬m3。項目取水區處于太子河沖積扇上，該區地下水資源充沛，補給條件較好，能夠滿足項目用水要求。

項目建設符合國家產業政策，是節約能源、保護環境、實現可持續發展的需要。項目建設符合所在地區水資源條件，符合國家及地方有關產業政策，項目設計取水方案合理。

3 水源熱泵技術分析

水源熱泵機組是一種新型節能空調設備，它根據可逆卡諾循環原理，就是通過水井抽取地下水，經過換熱程序將這些送回到原先的地下含水層，產生可供市民利用的熱能和冷能，實現供暖和制冷[3]。

具體地說:即通過抽水井群將所需地下水取出，通過二次換熱或直接將提取出的地下水送至地源熱泵機組，在經過提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群將地下水送回原含水層中去。

由于循環過程中的地下水僅僅是能量的提取，且在提取能量過程中井水處于封閉狀態，并未與空氣及其他物質接觸，在封閉的環境中將其完全送回原含水層中，故地下水在循環過程中不會遭受任何污染物的污染，不會對地下水環境帶來負面影響[4]。水源熱泵技術具有如下優點:

1)環保潔凈。自由運用地下水水源，相對傳統鍋爐供暖方式，沒有燃燒過程避免了排放任何廢氣、廢水、廢渣，使人們遠離粉塵、廢氣和霉菌，是一種理想的“綠色技術”。

2)節水省地。以地下水為載體吸收和釋放能量，既不消耗地下水源，也不會對其造成污染;省去鍋爐、冷卻塔、煤廠等占地面積。

3)節能經濟。能源利用率是傳統方式的3～4倍;初投資是其他中央空調的2/3。

4)靈活安全。真正做到“一機兩用”，冬季供熱、夏季供冷;機組靈活安置任何地方節約空間;無儲煤、儲油等安全隱患;自動化程度高，無需專業人員操控。

5)用途廣泛。從寒冷地區至熱帶均適用，適用各種場所。

6)運行可靠。機組運行穩定一般不受環境溫度變化的影響，機組維護簡單，主機壽命可達15 a以上。

水源熱泵空調系統是一種高效、節能、節資、冷暖兩用、運行靈活且無污染的新型中央空調系統。它間接利用地下水，借助壓縮機系統，完成制冷和制熱[5]。

它取代了鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的“綠色技術”。

在幾種常用的供熱方式中，水源熱泵的能量利用系數最高，可達1.4，具體數據詳見表1。

表1 不同供暖方式能量利用系數對比分析表

綜上所述，水源熱泵技術基本上不消耗地下水，對地下水污染輕微。水源熱泵技術能量利用系數較高，運行費用較低，經濟效益明顯。故該建設項目用水過程是合理的。

4 節能與節水措施分析

水源熱泵機組根據可逆卡諾循環原理，通過水井抽取地下水，經過換熱程序后再將這些水送回到原先的地下含水層，產生可供利用的熱能，實現供暖目的[6]。

其工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季則從水源中提取熱量，由熱泵通過水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中[3]。通常水源熱泵消耗1 kW的能量，用戶可以得到4 kW以上的熱量冷量。水源熱泵在用水的過程中只是利用循環水進行熱冷交換，把地下水作為熱(冷)源，并不消耗水資源(抽灌平衡)。

該系統采用氣水分離技術實行封閉式等量取水還水，實現最大程度的節水[7]。

另外采用微機調頻供水技術，根據所需溫度控制水量。井孔中的潛水泵采用變頻控制，變頻部分同機組聯接，使機組的負荷同水泵的取水量通過機組實行自動控制。使潛水泵提取出的水量與機組所需相一致，這樣，不僅可減少潛水泵的過剩消耗，節約電能，還可避免提取過多的水量造成水資源浪費，以便盡可能地保護地下水資源環境，減少對區域水環境的影響[8]。

5 項目的合理用水量分析

項目設計用4臺機組進行:空調機組1制熱量為1 100 kW、制冷量為1 079 kW，機組制熱輸入功率為229 kW、制冷輸入功率為153 kW;空調機組2制熱量為464 kW、制冷量為468 kW，機組制熱輸入功率為138 kW、制冷輸入功率為80 kW。游泳館蓄能機組3制熱量1 703 kW，功率為517 kW;訓練館蓄能機組4制熱量531 kW，功率為165 kW。分別計算冬季取暖、夏季制冷的需水量和蓄能需水量。

1)冬季:按提取地下水溫差5℃計算機組需水量，計算公式為:

式中:M1為空調機組1需水量，m3/h;Q1為機組1最大制熱負荷，kW;P1為機組1輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M2為空調機組2需水量，m3/h;Q2為機組2最大制熱負荷，kW;P2為機組2輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經計算求得空調機組1冬季制熱最大需水量為149.8 m3/h;空調機組2冬季制熱最大需水量為56.0 m3/h。

2)夏季:按提取地下水溫差6℃計算機組需水量，計算公式為:

M3=(Q3－P3)×0.86÷△t (3)式中:M3為機組1需水量，m3/h;Q3為機組1最大制冷負荷，kW;P3為機組1輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M4為機組2需水量，m3/h;Q4為機組2最大制冷負荷，kW;P4為機組2輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經計算求得項目機組1空調制冷最大需水量為176.6 m3/h;機組2空調制冷最大需水量為78.5 m3/h。

3)蓄能:按提取地下水溫差5℃計算機組需水量，計算公式為:

式中:M5為機組3需水量，m3/h;Q5為機組3最大制熱負荷，kW;P5為機組3輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M6為機組4需水量，m3/h;Q6為機組4最大制熱負荷，kW;P6為機組4輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經計算求得機組3蓄能最大需水量為204 m3/h;機組4蓄能最大需水量為63 m3/h。

地溫空調機組冬季運行系數為0.636，夏季運行系數為 0.802。因此，游泳館的取水量為每年90.79萬m3，小時最大取水量為204 m3;訓練館的取水量為每年31.89萬m3，小時最大取水量為78.5 m3。

本項目游泳館和訓練館用水量分別為90.79萬m3和31.89萬m3，占多年平均可開采量的0.49%和0.17%，占未開采地下水資源量的5.70%和1.98%。水源熱泵中央空調系統在整體循環運轉過程中基本不產生水量消耗，同時，由于只是能量的轉換，水質變化輕微。經過循環后的地下水會全部回注到含水層中去，對區域地下水資源量不會產生影響。

因此，項目取水不會對水功能區的資源使用產生大的影響。本區水文地質條件較好，水井滿負荷運轉時最大水位降深為3.46 m，附近又進行了及時等量的回灌，因此不會造成地面沉降，不會危及周邊建筑物的安全。

6 結語

項目建設符合國家產業政策，是節約能源、保護環境、實現可持續發展的需要。項目實施不會影響太子河流域水功能區的使用功能和水質目標，符合所在區域水資源配置規劃和用水管理要求。

[1]李兵，馮謙誠，劉向華，李紅亮.造紙項目水資源論證取用水合理性分析[J].南水北調與水利科技，2009(05):117－119.

[2]馮德友，呂寶華，謝大勇.建設項目取用水合理性分析[J].科技創新導報，2008(29):46.

[3]郭賀潔.建設項目取用水合理性分析研究[J].水利建設與管理，2010(11):83－85.

[4]范思源.水源熱泵空調應用對地下水系統影響及對策[J].河南水利與南水北調，2013(22):19 －20.

[5]喻李葵，劉婷婷，彭建國，張國強.地表水源熱泵空調系統供暖 模 式 優 化 方 法[J].制 冷 與 空 調，2004，4(04):47－51.

[6]端木琳，李震，蔣爽，等.大連星海灣海水源熱泵空調系統熱擴散數值模擬研究[J].太陽能學報，2008，29(07):32 －36.

[7]楊紹胤.水源熱泵空調的特點和應用[J].上海節能，2005(04):70－74.

[8]張衛江，龔建新，謝玉琴，王曉燕.污水源熱泵空調系統在烏魯木齊地區的運用[J].黑龍江水利科技，2010，38(05):3－4.