水源熱泵空調項目取水可靠性與可行性分析

王 弛

(遼寧省湯河水庫管理局，遼寧遼陽 111000)

1 概述

為實現“建設資源節約型、環境友好型”社會的戰略目標，響應省、市政府關于推廣地源熱泵可再生能源技術，充分利用地下水熱能資源，提高供暖的科技含量的號召，認真貫徹落實遼陽市建設節水型社會的總體要求。遼陽市政府對市健身大廈采用水源熱泵供曖和制冷項目進行改造，項目總建筑面積12 659.0 7m2，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 水文地質條件

太子河沖洪積扇地處山前出口處，基底地形為一由東向西開放的簸箕狀，東高西低，東窄西寬，面積大約650 km2，含水層由粒徑粗大的卵石、礫石、砂含礫石由東向西過渡。含水層的滲透系數、導水能力、貯水能力很強。地表為薄層亞砂土，亞黏土，上游局部或漫灘區為細砂，或砂含礫。該區多年平均降水量豐沛垂向滲入補給量較大，加之河流上游段側向補給和兩側丘陵區地表徑流補給，使得本區賦存著極豐富的地下水。

項目區地貌單元屬于下遼河—太子河沖積平原東緣;在大地構造單元上屬于膠遼臺隆中部的太子河—渾江臺陷西緣，基巖埋藏較深，第四系覆蓋層厚度較大，上覆第四系黏性土及砂層，下伏較大厚度的卵石層。

項目區第四系地層主要堆積物自上而下為:

2.1 填土

灰黑色、褐色，上以建筑垃圾為主混合少量黏性土，下以黏性土為主，含少許磚、碳屑、植物根須等，層厚約1 m。

2.2 粉質黏土

黃褐色、灰褐色，厚度約3 m。

2.3 細砂

黃褐色，以石英、長石為主，含少量暗色礦物及白云母碎片，厚度近1 m。

2.4 卵石

黃褐色，粒徑＞20 mm的含量占質量的50%以上，厚度直達潛水基巖，約24 m。

以上卵石及圓礫石具有厚度較大、分布廣、層位穩定、結構松散等特性，因此在大氣降水和上游地下徑流的補給作用下形成了含水層。該含水層滲透性較強，出水量較豐富。

3 地下水動態分析

項目區域內地下水埋深較淺，地下水位受太子河影響較明顯。根據遼寧省水文水資源勘測局遼陽分局對該區附近地下水位進行的歷史監測，繪出歷史埋深數動態圖見圖1。項目區域近年埋深數值見表1。

表1 項目區域近年地下水埋深動態表

4 地下水可開采量計算

4.1 參數分析確定

4.1.1 抽水試驗及其參數計算

2012年5月，在工作區鉆成兩眼試驗井，對采探結合井進行了抽水和回灌試驗。抽水工具采用潛水泵，水位觀測采用電測水位計，流量觀測采用水表。計算公式為:

式中:K為滲透系數，m/d;R為影響半徑，m;H為含水層厚度，m;Q為抽水井出水量，m3/d;r為抽水井半徑，m;S為穩定動水位降深，m。

計算地質參數成果見表2，S—Q關系曲線見圖2。

4.1.2 回灌試驗及參數計算

回灌試驗采用自然滲透方法注水試驗，抽灌同時進行[1]。對回灌水量及水位升高值同時觀測。采用裘布依公式進行回灌滲透參數計算。

式中:K'為回灌滲透系數，m/d;R為影響半徑，m;H為含水層厚度，m;Q'為回灌水量，m3/d;r為回灌井半徑，m;S'為水位壅高值，m。

采用的數據及計算結果列入表3。

圖2 抽水試驗S—Q曲線圖

表2 抽水試驗成果表

表3 回灌試驗及參數計算表

以上計算結果表明，工作區含水層滲透系數K=71.06 m/d，回灌滲透系數K'=33.24 m/d。

4.2 地下水可開采量計算

通過對水源地的實地勘察，根據區域水文地質條件及采探結合孔抽水試驗成果進行綜合分析，確定影響范圍內地下水的補給量和排泄量之間的數量對比關系，結合開采方案，本區域地下水資源論證采用疏干降水法[2]。場區面積10 450 m2，按疏干降水4.0 m計算。

疏干水水量采用如下公式進行計算:

式中:Q為涌水量;K為滲透系數;H為含水層厚度;R為降水影響半徑;ro為等效半徑。其中，等效半徑可采用如下公式進行計算:

式中:A為評價區面積。

降水影響半徑通過公式(3)進行計算，得R=290.1 m;代入(6)式得，ro=57.7 m;代入(5)式，求出涌水量Q=684 m3/h。

同理，場區路北公共綠地長約180 m，寬50 m，面積9 000 m2，按疏干降水4 m計算，等效半徑 ro=53.5 m，涌水量 Q=661 m3/h。

5 地下水均衡計算

5.1 地下水徑流量

根據公式為:式中:Q流為地下水逕流量，m3/d;H為過水斷面含水層平均厚度，m;B為含水層斷面寬度，1000m;I為地下水水力坡度;K為滲透系數，m/d。

地下水水力坡度，根據抽水試驗當降深為2.16 m時，影響半徑為144 m，得到項目區域內水力坡度為15‰。計算成果見表4。

表4 地下水徑流量計算表

5.2 地下水均衡計算

地下水均衡關系按下式計算:

式中:ΔQi為年地下水補給量與地下水消耗量均衡差，m3/a;K為開采系數，取0.9;Q排為年地下水綜合排泄量，m3/a;Q耗為地下水開采量，m3/a。

對論證范圍內地下水進行均衡分析，計算結果見表5。

表5 地下水均衡計算表

從表5可以看出，項目區域內地下水開采為正均衡關系。因此，該區域地下水資源量能夠滿足項目用水需求。

6 取水可靠性與可行性分析

本項目游泳館和訓練館最大需水量分別為204 m3/h和78.5 m3/h，而場地范圍可提供地下水涌水量為684 m3/h和661 m3/h，完全可滿足項目需水量要求。而且，地溫空調用水后全部回灌到原來的含水層中[3－4]。因此，項目取水不會對項目區的資源使用產生大的影響。

項目建設符合國家及地方的產業政策，項目取水符合所在地區的水資源條件，促進區域水資源的合理配置與高效利用，其設計用水工藝及節水措施處于國內和同行業較先進水平。

該水源熱泵空調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。另外采用微機調頻供水技術，根據所需溫度控制水量。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[5－6]。

7 結語

綜上所述，健身大廈采用水源熱泵供曖和制冷項目設計取用水方案可靠合理，生產用水工藝、節水措施切實可行。

[1]王麗晶，張紅艷.建設項目地下取水的可靠性與可行性分析[J].吉林水利，2010(01):37－38.

[2]王敏敏，朱琦.永康市南山水廠二期工程取水可行性分析[J].浙江水利水電專科學校學報，2012，24(01):71－73.

[3]張吉利，馬良棟.污水源熱泵空調系統污水側取水、除污和換熱技術研究進展[J].暖通空調，2009，39(07):41 －47.

[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]胡松濤，張莉，王剛.海水源熱泵空調系統的工程應用[J].資源與發展，2005(03):26 －30.

[6]王宏，劉嶸，成紅之.地下水源熱泵空調系統與地下水環境問題的分析[J].工程勘察，2009(08):38－42.