德豐香格里拉住宅小區地熱水源熱泵取水探析

楊永康

（喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000）

1 概況

德豐香格里拉住宅小區位于新疆喀什市西二環路東側。工程規劃總用地88030 m2，其中住宅用地126240.97 m2，商業用地11470.58 m2。本工程建樓27座，入戶數1566戶。為響應國家提倡的綠色建筑理念，節約能源，德豐房地產開發有限責任公司決定對香格里拉住宅小區新建項目采用以地下水作為能源的水源熱泵空調系統，進行冬季采暖。本次地源熱泵供水總面積為16萬m2，地下水源熱泵空調系統需抽水井5眼，回水井10眼。

2 項目區水資源狀況及取水方案分析

2.1 項目區水資源開發利用分析

喀什市屬暖溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，雨量稀少，多年平均降水量76.7 mm，平均蒸發量為1405.8 mm，為平均降水量的22.6倍?？衫玫牡乇硭Y源量主要來自克孜勒河、吐曼河、恰克馬克河三大河流，可用地表水資源總量為2.54×108m3。地下水的補給主要有降水、河道入滲和渠系、田間灌溉入滲、井灌回歸入滲及側向補給等。經計算，喀什市多年平均地下水補給量約0.96億m3，地下水可開采量約0.45億m3。能夠運行的機電井為166眼，現狀年提取地下水量為0.2294×108m3。根據對項目區附近開采井的水溫觀測，冬季地下水水溫在12.0℃左右。冬季和夏季略有變化，夏季地下水溫度在16℃左右。

2.2 建設項目業主提出的取用水方案

根據當地水源條件，建設項目業主提出取水水源擬選用第四系淺層地下水，設計井深不大于110 m，取水地點為建設項目區內的安全地帶，取水井5眼，回灌井10眼。水質要求以不堵塞、不腐蝕機組為原則。退水方案為：通過水源熱泵交換熱量后的地下水通過回灌井回灌到相同地下含水層，回灌量與取水量基本相同（輸送過程中的損失小于2‰）?；毓喾绞綌M采用重力回灌。

3 建設項目取用水合理性分析

3.1 取水合理性分析

地溫空調系統以地能為主要能源，以電能為輔助能源，開發利用地下取之不竭但不易利用的低位能源，通過水源熱泵機組變為可利用的高位能。并且循環使用地下水，只在機組水源循環系統提取時釋放熱能，而后再把水回灌到地下，該系統基本不消耗水量(輸送過程中的損失約為2‰)。屬于環保、節能項目，符合國家相關產業政策，因此項目取水是合理的。

3.2 用水合理性分析

本項目總采暖面積16萬m2。地下水供、回水溫度為12℃、7℃；供暖熱水供、回水溫度為50℃、40℃，因此求出項目供熱總需井水量。

總需井水量=（需熱量-Q）×0.86/△t=（需熱量-Q）×0.86/(12-7)=780m3/h

根據自然氣候特點和建筑結構設計情況，日平均工作時間按12 h，則循環系統最大日需水量（制熱）為9360 m3／d。擬建項目制冷、供暖負荷按《民用建筑節能設計規程》（DB 1 3（J）24-2000），并參照有關規范及水源熱泵工程的設計經驗確定，供熱時的設計循環用水量是基本合理的。根據喀什市供熱時間要求，年供熱時間為151 d（11月1日至次年3月31日）。平均每天12小時抽水，則計算出冬季用水量為141.34萬m3。由此設計的年循環用水量是基本合理的。

4 建設項目取退水分析

4.1 水源選擇

水源熱泵對水源系統的要求是：水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩定。地表水、地下水，或是處理后的中水等均可作為水源。

地表水熱泵系統的熱源是池塘、水庫、湖泊或河溪中的地表水，資源豐富，用作熱泵熱源極具潛力，但實際應用尚不廣泛。這主要是受喀什自然條件限制，另外熱泵的換熱對水體中生態環境會有一定負面影響，本項目周圍就沒有可供利用的地表水資源。而且本項目距污水水源較遠，用中水做水源也難以實現。

地下水無論其水質、水溫都是適宜的。地下水在向熱泵供給或吸收熱量之后，返回地下相同含水層，如此往復循環，并無損耗，地下水水源熱泵運行的關鍵是地下水的正常供給和回灌，這方面技術經驗已日益完善?？κ彩袇^第四系地下水豐富，水質良好。因此，建設項目取水水源確定為第四系淺層地下水。根據區域地下水資源開發利用現狀及取水點位置，確定本建設項目水資源論證地下水分析范圍為吐曼河與克孜勒河流域出山口以后平原區部分，即該項目區紅線范圍為中心向外擴500～1000 m區域作為地下水水源論證范圍。

4.2 水源水文地質條件及試驗參數分析

喀什市德豐香格里拉住宅小區位于喀什市夏瑪勒巴格鄉境內。工程區地下水主要為孔隙潛水?？俗魏邮橇鹘浽搮^的最大河流，是該區地下水的主要補給源，地下水位一般在地面以下5.0～8.0 m。據本次的實地勘探，項目區地下水埋深較小，一般是5.0～8.0 m，最多不超過10.0 m，開采方便，含水層巖性以粉土，砂卵礫石為主，含水層的透水性能好，徑流通暢，含水層的貯水性也好，單位涌水量大于5.0 L/s·m，礦化度＞1 g/L。因此，本區地下水的開采條件良好。

本次實地勘探中，根據項目區的實際地質情況，新打了2眼機井，分布在項目區左右側，根據機井進行了抽水試驗。從試驗結果看：機井抽水一般在 10～16h，抽水量 236～268.4 m3/h，平均為 252.2 m3/h；單位涌水量 5.0～7.5 L/m·s，平均為 6.2 L/m·s；含水層滲透系數為8.47～9.03 m/d。水文地質抽水試驗表明：項目區機井抽水流量較大，地下水補給條件較好，是開發利用地下水較好的地區（見抽水試驗成果表1）。

表1 抽水試驗成果表

國內的地下水回灌基本上采用人工回灌方式，主要分為壓力回灌和真空回灌兩種。本項目采用自然壓力回灌試驗，泵型為20040潛水泵,功率37 kW,揚程40 m，使用變頻器控制流量，22 Hz、26 Hz、24 Hz。相應不同流量 100 m3/h、87 m3/h 與74m3/h，單井回水量80m3/h，水位上升2m，單位涌水量26.6 m3/h·m。水位觀測要求與抽水試驗相同。含水層回灌滲透系數為K=18.49 m/d，回灌影響半徑R=33.41 m。

4.3 抽水井布設的合理性分析

為了滿足水源熱泵用水量780 m3/h要求，考慮實際生產井采用鋼筋骨架纏絲的結構類型，抽水井抽水量不宜過大，參考喀什市附近的實際開采井的情況，為安全起見，因此本次推薦抽水井數布設5眼，單井出水量250 m3/h左右。根據抽水井影響半徑250 m，結合現場實際情況，合理井間距應在260 m左右為宜?？紤]地形、地下水流向及以后供水水頭等原因，建議將5眼抽水井布設在場區東部。原因主要有該區域位于項目區沖洪積扇的下游，潛水埋深淺；打井成本低；上游設回灌井后回灌的水量可以補充抽水井。

4.4 回灌井回水量及布設的合理性分析

由于沖洪積扇中上部，離地面越深的地層卵礫石粒徑越大，往上的地層顆粒在減小，同時夾雜著一些少量的土和砂等，使其透水性越來越小。由《喀什市地下水開發建設實施方案》可知該區域單井涌水量在3000～5000 m3/d甚至以上，因此綜合考慮該計算中，偏于安全考慮，取滲透系數K為32 m/d進行計算。項目區水源熱泵冷暖空調系統通過抽水井群將地下水抽出經過二次換熱后，同層回灌地下。通過回灌試驗可知，單井設計回灌量取80 m3/h基本可行。要保證最大用水量780 m3/h全部回灌回去，需井數n=780/80=9.8（眼）約10眼，考慮到水源熱泵工程使用的可能性，因此回水井數可考慮與抽水井1∶2的關系，及1眼抽水井對應2眼回灌井。根據項目區水文地質條件，將回水井布置為10眼，為防止長期使用形成低溫區井間距為L≥260 m為宜，設計涌水高度為2.5～3.0 m。

4.5 取水影響分析

該區域含水層顆粒較粗，滲透能力較大，地下水資源豐富，淺層地溫資源非常豐富。水源熱泵系統通過抽水井群將地下水抽出經過二次換熱后，由回灌井群灌回地下。而該項目水源熱泵設計用水的工藝特點：取水后不消耗、無污染，全部同層回灌，加之取水深度在地球淺層恒溫帶，所以對區域水資源不會產生不利影響。雖然水源熱泵抽水井群造成地下水位下降，但由于回灌的作用，其影響范圍不大，并且每天用水時間不連續，地下水位有恢復的時間，因此該項目取水是比較合理的，對區域水資源不產生影響。經調查，影響半徑的范圍內沒有其他的取水用戶，所以也就不會對其他用戶造成不利影響。

4.6 退水影響分析

建設項目退水主要是通過回灌井將水自然回灌至含水層中，根據計算水源熱泵系統制熱抽取的地下水，可以通過10眼回灌井（包括1眼備用）全部回灌地下，該退水方式提高水循環效率，補充地下水源，保持水溫，維持水量平衡，因此退水采用回灌方式是合理的。

根據抽水井與回灌井布設及通過場區附近地下水位變化趨勢的初步分析，水源熱泵系統運行后，抽水井在確保不抽取含水層中細小顆粒或產生顆粒運移時，抽水對周邊環境不會產生影響。對水質也不會有影響，但由于回灌水的水溫變化可能引起地下水水中某些菌類發生變化，這需要對水源運行后進一步監測，因此回灌水的水溫不宜過高或過低,盡量控制在4℃～18℃。由于水源熱泵制熱和制冷時回灌水的水溫為5℃和18℃，尤其是冬季制熱回灌水的水溫以及地下水受河水水溫的影響，地下水溫度場可能會受到影響，因此要求回灌井與抽水井距離應盡量遠些。

5 結論與建議

5.1 結論

經過分析和抽水試驗資料論證，德豐香格里拉住宅小區采用抽取地下水進行水源熱泵供暖，方法可行，水質水量有保障，取水量為780 m3/h，最大單井出水量可以達到250 m3/h以上?？紤]安全起見，設計5眼抽水井和10眼回灌井，完全可以滿足水源熱泵系統用水要求。項目方提出的取水方案和用水方式科學可行，退水對周圍環境也沒有影響。

5.2 建議

（1）采用抽水井和回灌井周期互換。由于空氣進入含水層中形成氣泡，阻礙水的運動，以及氧化和生物的作用，長時間回灌可能引起回灌量的減少。采取抽水井與回灌井進行周期互換使用，以保證回灌井能夠保持長期使用。

（2）項目取水必須采取可靠回灌措施，確保置換熱量后的地下水全部回灌到同一含水層，抽水、回灌過程中應采取密閉等措施，并不得對地下水資源造成浪費及污染。

（3）地溫空調雖然還沒有回灌水質的國家標準，但回灌水質至少應以保證回灌后不會引起區域性地下水水質污染。如發現地下井水異常，特別是水中出現化學物質或其它無關物質時，應及時與有關部門聯系，并采取措施。

（4）井口嚴格封閉，并應留有檢修用的足夠高度的檢修口。

（5）建議將地溫空調水源井納入水資源動態監測系統之內，定期開展水平衡測試工作，對項目的抽水量和回灌水量進行監測，保證水源地可持續利用。