水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取用水合理性分析

李 敏，郭 敏

（1.陜西省鎮(zhèn)安縣水保工程隊，陜西 鎮(zhèn)安 711500；2.陜西省鎮(zhèn)安縣水保物資站，陜西 鎮(zhèn)安 711500）

0 前言

水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統(tǒng)。地下水僅作為載體將地溫帶至機(jī)組，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，完成制冷制熱，不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，抽出的地下水全部回入地層中，反復(fù)循環(huán)使用，基本不消耗水資源。該技術(shù)的推廣應(yīng)用可有效緩解當(dāng)前住宅建筑能耗不斷增長、環(huán)境污染嚴(yán)重和能源短缺的現(xiàn)狀，對環(huán)境保護(hù)、節(jié)約水資源、推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

鎮(zhèn)安縣醫(yī)院門診綜合樓建設(shè)項目屬新建，建設(shè)項目地點位于商洛市鎮(zhèn)安縣澇巷街與南新街十字西南角的鎮(zhèn)安縣醫(yī)院院內(nèi)。建設(shè)的門診、檢驗中心、辦公樓供暖、制冷采用節(jié)能、環(huán)保、無污染的中央水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，面積16500 m2，設(shè)計系統(tǒng)井水口水溫14℃～17℃，設(shè)計最大循環(huán)水量161 m3/h，回灌量161 m3/h。項目取用水分兩部分，一部分為生活、綠化、餐飲用水，由市政管網(wǎng)提供；另一部分為水源熱泵空調(diào)用水，包括供冷、制熱循環(huán)用水，取自項目場地地下水。本文結(jié)合項目區(qū)基本情況，對鎮(zhèn)安縣醫(yī)院門診綜合樓建設(shè)項目水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取用水方案合理性進(jìn)行分析。

1 建設(shè)項目取用水方案

1.1 取水方案

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)用水取自擬建場地內(nèi)地下水，采用鑿井取水，通過機(jī)組管道將地下水輸送到熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱、冷能后再回灌至地層中。

1.2 用水方案

1.2.1 水量

建筑面積17500 m2，其中設(shè)計水源熱泵空調(diào)使用面積16500 m2，設(shè)計安裝2 臺水源熱泵機(jī)組，最大冷負(fù)荷1400 kW，最大熱負(fù)荷1120 kW，提取地下水溫差冬季6℃，夏季8℃，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建成后年正常運(yùn)行228 天，計算地下水最大循環(huán)利用水量56.07×104m3/a。

1.2.2 水溫

本項目水源熱泵機(jī)組運(yùn)行設(shè)計進(jìn)口水溫14℃～17℃。

1.2.3 水質(zhì)

從保證地下水安全回灌及水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行的角度，地下水盡可能不直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組。據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005），直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組的地下水水質(zhì)應(yīng)滿足以下要求：水源水質(zhì)要求pH 值6.5～8.5，氧化鈣含量小于200 mg/L，礦化度小于3000 mg/L，F(xiàn)e2+、Fe3+含量小于1.0 mg/L，Cl-離子含量小于100 mg/L，SO42-離子含量小于200 mg/L，含砂量小于1/20 萬。

2 用水節(jié)水工藝分析

水源熱泵機(jī)組工作原理是由電能驅(qū)動壓縮機(jī)，制冷時，井水為機(jī)組的排熱源，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，制取7℃～12℃冷水，制冷劑再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸汽，進(jìn)入冷凝器，由末端風(fēng)機(jī)供給用戶，同時由回水管道帶走井水排至井中；制熱時，井水為機(jī)組的吸熱源，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸取井水的熱量蒸發(fā)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸汽，進(jìn)入蒸發(fā)器，加熱循環(huán)水，制取40℃～55℃的熱水經(jīng)末端風(fēng)機(jī)供給用戶，同時由回水管道帶走井水排至井中，用水工藝合理。

3 項目用水量分析

水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統(tǒng)。地下水僅作為載體將地溫帶至機(jī)組，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，完成制冷制熱，不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，抽出的地下水全部回入地層中，基本不消耗水資源（見圖 1）。

圖1 建設(shè)項目取用水平衡圖

3.1 地下水最大循環(huán)利用量

根據(jù)主機(jī)冷、熱負(fù)荷和地下水利用溫差，計算該項目每小時單位地下水循環(huán)利用量，再通過機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行時間推算年利用水規(guī)模。

根據(jù)建筑物冷、熱負(fù)荷參數(shù)，采用《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》（DZ/T 0225-2009）中的公式A.10 計算地下水最大循環(huán)利用量，計算參數(shù)及結(jié)果見表1。

式中：Qh為主機(jī)房冷、熱負(fù)荷，單位：kW；qw為地下水循環(huán)利用量，單位：m3/d；ΔT 為制冷、采暖期地下水利用溫差，單位：℃；ρw為水密度，1×103kg/m3；Cw為水比熱容，4.18 kJ/kg·℃。

表1 地下水最大循環(huán)利用量計算表

由表1 可知，項目空調(diào)系統(tǒng)夏季地下水最大循環(huán)量為151 m3/h、冬季地下水最大循環(huán)量為161 m3/h。

3.2 年利用水規(guī)模確定

鎮(zhèn)安地區(qū)，夏季制冷期從6 月1 日～8 月31 日，3 個月共92 天；冬季采暖期從11 月15 日至翌年3 月15 日，4 個月共121 天。

考慮門診綜合樓特點，每天運(yùn)行時間取值24 小時，其中每日8 時至20 時，使用率為100%，20 時至次日8 時，使用率為40%。

計算得本項目年利用水規(guī)模為56.07 萬m3，其中制冷期利用水量為23.34 萬m3，采暖期利用水量為32.73 萬m3。

4 水源方案合理性分析

4.1 水源選擇

建設(shè)項目位于縣河一級階地，論證范圍縣河由于受降水影響，水量不穩(wěn)定，且洪水期泥沙含量高，冬季水溫低，不宜做為水源熱泵用水。論證區(qū)潛水含水層厚度較大，顆粒粗，地下水循環(huán)積極，水資源較豐富，水溫相對穩(wěn)定，水質(zhì)好，確定建設(shè)項目水源熱泵取用地下水，取水井位于項目區(qū)場地空地，采用地下水源方案是合理的。

4.2 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

論證區(qū)松散巖類孔隙水的主要補(bǔ)給源為河水、降水入滲和上游地下徑流補(bǔ)給，河流側(cè)向滲漏是漫灘、一級階地區(qū)徑流補(bǔ)給的主要補(bǔ)給源，區(qū)內(nèi)含水層主要為砂礫石，滲透強(qiáng)。潛水的排泄主要以側(cè)向徑流及泉的形式排入河流。

4.3 地下水補(bǔ)給量計算

4.3.1 水文地質(zhì)參數(shù)計算

（1）滲透系數(shù)、影響半徑計算

水文地質(zhì)參數(shù)計算主要根據(jù)抽水試驗相關(guān)數(shù)據(jù)，本次抽水試驗抽1#，觀測2#，抽2#，觀測1#，采用潛水完整井有一個觀測孔穩(wěn)定流公式（1）計算含水層滲透系數(shù)：

式中：K 為含水層滲透系數(shù)，m/d；Q 為抽水井出水量，m3/d；H 為含水層厚度，m；S1為觀測孔水位降深，m；r1為觀測孔距主孔距離，15 m；SW為抽水孔水位降深，m；rw為抽水孔半徑，0.1885 m。

計算結(jié)果：1#井滲透系數(shù) 158.79 m/d，2#井滲透系數(shù)167.23 m/d，滲透系數(shù)平均值為163.01 m/d。

（2）影響半徑計算

當(dāng)抽水時，出水量和水位降深如能達(dá)到穩(wěn)定，說明含水層的補(bǔ)給能滿足單井抽水的要求，此時，以抽水井為中心的水位影響范圍即會出現(xiàn)一個邊界，它可隨出水量的增大而向周圍擴(kuò)展。這種反映含水層對點井的補(bǔ)給能力的參數(shù)稱為影響半徑。

影響半徑采用潛水試驗公式計算：

式中：R 為影響半徑，m；H 為含水層厚度，m；S 為抽水井降深，m；K 為含水層滲透系數(shù)，m/d。

計算結(jié)果：1#井影響半徑為74.20 m，2#井影響半徑為74.60 m，影響半徑平均值為74.40 m。本項目為群孔抽水，含水層各向均質(zhì)，位于河旁，根據(jù)水文地質(zhì)手冊，群孔抽水影響半徑為井群中心到河岸距離的兩倍，即300 m。

4.3.2 地下水補(bǔ)給量計算

據(jù)場地含水巖組水文地質(zhì)特征，場地地下水的補(bǔ)給源主要為地下徑流補(bǔ)給和大氣降水滲入補(bǔ)給。

（1）地下徑流補(bǔ)給采用下式進(jìn)行計算：

式中：K 為含水層滲透系數(shù)，取163.01 m/d；I 為水力坡度，自然條件下水力坡度取值為0.003；B 為補(bǔ)給帶寬度，按600 m 計；H為含水層厚度，取13.00 m。

計算結(jié)果，地下水徑流補(bǔ)給量為5085.91 m3/d。

（2）降水入滲補(bǔ)給量

采用下式進(jìn)行計算，參數(shù)參照《陜西秦巴山區(qū)東部區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》取值：

式中：Q 為降水入滲補(bǔ)給量，m3/a；X 為年降水量，多年平均降水量0.752 m,有效降雨量按降水量72%計算為0.541 m；a 為降雨入滲系數(shù)，取0.36；F 為降水滲入面積，因道路建筑物覆蓋，按論證區(qū)30%計算，84780 m2。

計算結(jié)果，論證范圍內(nèi)降雨入滲補(bǔ)給量為45.24 m3/d。

經(jīng)計算，論證區(qū)地下水徑流補(bǔ)給量為5085.91 m3/d，降雨入滲量45.24 m3/d（17539.2 m3/a），地下水總補(bǔ)給量為5131.15 m3/d。

4.4 地下水可開采量計算

4.4.1 論證區(qū)及外圍開采戶情況

據(jù)調(diào)查，距鎮(zhèn)安縣醫(yī)院井群210 m，有鎮(zhèn)安縣縣城供水應(yīng)急水源井一口，井深22 m，井徑6 m，井管為現(xiàn)澆水泥管，供水井在遇縣城供水管網(wǎng)水質(zhì)變渾、色度超標(biāo)、供水水源不足情況下使用，出水量100 m3/h，2015 年～2017 年統(tǒng)計平均每年使用30 天～35 天，年開采量約8 萬m3。論證區(qū)周邊已有龍鼎國際、天坤都市、鎮(zhèn)安縣中醫(yī)醫(yī)院水源熱泵空調(diào)項目，與本項目區(qū)距離分別為310 m、430 m、1.1 km，均在論證范圍以外，各水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)自成一個抽灌平衡場，對論證區(qū)內(nèi)地下水基本不消耗。

4.4.2 地下水可開采量計算

大氣降水是分析區(qū)地表水、地下水的補(bǔ)給來源，降雨量與地表水徑流量密切相關(guān)且直接影響地下水補(bǔ)給量。在豐水年，地下水位上升，可開采量增大，在枯水年，地下水位下降，可開采量減少，論證區(qū)地下水可開采量采用多年連續(xù)降水量保證率比擬法估算。

采用降水頻率年計算地下水允許開采量，將鎮(zhèn)安縣青泥灣水文站1997 年～2017 年降水量資料從大到小排列，用公式P=m/（n+1）（式中m 為序號，n 為序列長度）計算降水頻率年，25%頻率年降水量887.7 mm，50%頻率年降水量713.9 mm，75%頻率年降水量646.3 mm，據(jù)統(tǒng)計2017 年降水量995.2 mm，屬豐水年，本次試驗井施工期據(jù)項目區(qū)周邊縣市降水量統(tǒng)計，屬偏豐年。為估算項目區(qū)偏枯年地下水源保證程度，采用降水豐水年與偏枯年比值，推算論證區(qū)偏枯年地下水補(bǔ)給量。將75%頻率年降水量與2017 年降水量相比得64.94%，論證區(qū)地下水總補(bǔ)給量5131.15 m3/d，用計算豐水年補(bǔ)給量乘以64.94%為3332.17 m3/d，按照《地下水資源勘察規(guī)范》（SL454-2010）開采條件良好，單位涌水量大于10 m3/h·m，可開采系數(shù)一般為0.8～0.9，本次可開采系數(shù)取0.85，計算區(qū)內(nèi)枯水期可開采資源量2832.34 m3/d，正常情況可滿足水源熱泵2705 m3/d 用水量。

5 對水環(huán)境及其他用戶的影響分析

5.1 對水環(huán)境的影響分析

本項目所取地下水為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)用水，只提取水中熱冷能，且水在封閉管道中運(yùn)行，水質(zhì)基本無變化，取水對水環(huán)境影響甚微。

5.2 對其他用戶的影響分析

據(jù)調(diào)查，取水影響論證范圍內(nèi)居民生活飲用水均為城區(qū)自來水管網(wǎng)提供，僅在項目區(qū)東部有一應(yīng)急備用水源井，年使用天數(shù)30 天～35 天，年用水量約8 萬m3，暫無其他地下水取水用戶，項目循環(huán)尾水回入地層中，地下水量抽灌一致，對其它用水戶取用水基本不產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

1）水源熱泵機(jī)組工作原理是由電能驅(qū)動壓縮機(jī)，用水工藝合理。

2）系統(tǒng)為循環(huán)用水，基本無水資源消耗。經(jīng)計算，項目年利用水規(guī)模為56.07 萬m3。

3）取水井位于項目區(qū)場地空地，采用地下水源方案是合理的；潛水的排泄主要以側(cè)向徑流及泉的形式排入河流；,計算區(qū)內(nèi)枯水期可開采資源量2832.34 m3/d，正常情況可滿足水源熱泵2705 m3/d 用水量。

4）本項目所取地下水為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)用水，只提取水中熱冷能，且水在封閉管道中運(yùn)行，水質(zhì)基本無變化，取水對水環(huán)境影響甚微；對其它用水戶取用水基本不產(chǎn)生影響。

6.2 建議

1）水源熱泵項目用水關(guān)鍵環(huán)節(jié)是退水回灌，在水源熱泵機(jī)組運(yùn)行期間，應(yīng)加強(qiáng)管理，調(diào)整好單井回灌量，抽、回水井輪換使用，防止回水溢出井口浪費水資源。

2）水源熱泵運(yùn)行時建筑商應(yīng)進(jìn)行地面沉降觀測，確保運(yùn)行期間建筑物安全。