水源熱泵空調系統取用水合理性分析

李 敏，郭 敏

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

0 前言

水源熱泵系統是一種高效、節能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統。地下水僅作為載體將地溫帶至機組，借助壓縮機系統，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，反復循環使用，基本不消耗水資源。該技術的推廣應用可有效緩解當前住宅建筑能耗不斷增長、環境污染嚴重和能源短缺的現狀，對環境保護、節約水資源、推進經濟可持續發展具有重要意義。

鎮安縣醫院門診綜合樓建設項目屬新建，建設項目地點位于商洛市鎮安縣澇巷街與南新街十字西南角的鎮安縣醫院院內。建設的門診、檢驗中心、辦公樓供暖、制冷采用節能、環保、無污染的中央水源熱泵空調系統，面積16500 m2，設計系統井水口水溫14℃～17℃，設計最大循環水量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，由市政管網提供；另一部分為水源熱泵空調用水，包括供冷、制熱循環用水，取自項目場地地下水。本文結合項目區基本情況，對鎮安縣醫院門診綜合樓建設項目水源熱泵空調系統取用水方案合理性進行分析。

1 建設項目取用水方案

1.1 取水方案

水源熱泵空調系統用水取自擬建場地內地下水，采用鑿井取水，通過機組管道將地下水輸送到熱泵機組，經提取熱、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，其中設計水源熱泵空調使用面積16500 m2，設計安裝2 臺水源熱泵機組，最大冷負荷1400 kW，最大熱負荷1120 kW，提取地下水溫差冬季6℃，夏季8℃，水源熱泵空調系統建成后年正常運行228 天，計算地下水最大循環利用水量56.07×104m3/a。

1.2.2 水溫

本項目水源熱泵機組運行設計進口水溫14℃～17℃。

1.2.3 水質

從保證地下水安全回灌及水源熱泵機組正常運行的角度，地下水盡可能不直接進入水源熱泵機組。據《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005），直接進入水源熱泵機組的地下水水質應滿足以下要求：水源水質要求pH 值6.5～8.5，氧化鈣含量小于200 mg/L，礦化度小于3000 mg/L，Fe2+、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 用水節水工藝分析

水源熱泵機組工作原理是由電能驅動壓縮機，制冷時，井水為機組的排熱源，制冷劑在蒸發器內吸熱蒸發，制取7℃～12℃冷水，制冷劑再經壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸汽，進入冷凝器，由末端風機供給用戶，同時由回水管道帶走井水排至井中；制熱時，井水為機組的吸熱源，制冷劑在蒸發器內吸取井水的熱量蒸發，經壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸汽，進入蒸發器，加熱循環水，制取40℃～55℃的熱水經末端風機供給用戶，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

水源熱泵系統是一種高效、節能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統。地下水僅作為載體將地溫帶至機組，借助壓縮機系統，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 建設項目取用水平衡圖

3.1 地下水最大循環利用量

根據主機冷、熱負荷和地下水利用溫差，計算該項目每小時單位地下水循環利用量，再通過機組系統運行時間推算年利用水規模。

根據建筑物冷、熱負荷參數，采用《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T 0225-2009）中的公式A.10 計算地下水最大循環利用量，計算參數及結果見表1。

式中：Qh為主機房冷、熱負荷，單位：kW；qw為地下水循環利用量，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 地下水最大循環利用量計算表

由表1 可知，項目空調系統夏季地下水最大循環量為151 m3/h、冬季地下水最大循環量為161 m3/h。

3.2 年利用水規模確定

鎮安地區，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。論證區潛水含水層厚度較大，顆粒粗，地下水循環積極，水資源較豐富，水溫相對穩定，水質好，確定建設項目水源熱泵取用地下水，取水井位于項目區場地空地，采用地下水源方案是合理的。

4.2 地下水補給、徑流與排泄

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

4.3 地下水補給量計算

4.3.1 水文地質參數計算

（1）滲透系數、影響半徑計算

水文地質參數計算主要根據抽水試驗相關數據，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定流公式（1）計算含水層滲透系數：

式中：K 為含水層滲透系數，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。

計算結果：1#井滲透系數 158.79 m/d，2#井滲透系數167.23 m/d，滲透系數平均值為163.01 m/d。

（2）影響半徑計算

當抽水時，出水量和水位降深如能達到穩定，說明含水層的補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一個邊界，它可隨出水量的增大而向周圍擴展。這種反映含水層對點井的補給能力的參數稱為影響半徑。

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，m/d。

計算結果：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，位于河旁，根據水文地質手冊，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 地下水補給量計算

據場地含水巖組水文地質特征，場地地下水的補給源主要為地下徑流補給和大氣降水滲入補給。

（1）地下徑流補給采用下式進行計算：

式中：K 為含水層滲透系數，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 為補給帶寬度，按600 m 計；H為含水層厚度，取13.00 m。

計算結果，地下水徑流補給量為5085.91 m3/d。

（2）降水入滲補給量

采用下式進行計算，參數參照《陜西秦巴山區東部區域水文地質普查報告》取值：

式中：Q 為降水入滲補給量，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，取0.36；F 為降水滲入面積，因道路建筑物覆蓋，按論證區30%計算，84780 m2。

計算結果，論證范圍內降雨入滲補給量為45.24 m3/d。

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

4.4 地下水可開采量計算

4.4.1 論證區及外圍開采戶情況

據調查，距鎮安縣醫院井群210 m，有鎮安縣縣城供水應急水源井一口，井深22 m，井徑6 m，井管為現澆水泥管，供水井在遇縣城供水管網水質變渾、色度超標、供水水源不足情況下使用，出水量100 m3/h，2015 年～2017 年統計平均每年使用30 天～35 天，年開采量約8 萬m3。論證區周邊已有龍鼎國際、天坤都市、鎮安縣中醫醫院水源熱泵空調項目，與本項目區距離分別為310 m、430 m、1.1 km，均在論證范圍以外，各水源熱泵空調系統自成一個抽灌平衡場，對論證區內地下水基本不消耗。

4.4.2 地下水可開采量計算

大氣降水是分析區地表水、地下水的補給來源，降雨量與地表水徑流量密切相關且直接影響地下水補給量。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，論證區地下水可開采量采用多年連續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，據統計2017 年降水量995.2 mm，屬豐水年，本次試驗井施工期據項目區周邊縣市降水量統計，屬偏豐年。為估算項目區偏枯年地下水源保證程度，采用降水豐水年與偏枯年比值，推算論證區偏枯年地下水補給量。將75%頻率年降水量與2017 年降水量相比得64.94%，論證區地下水總補給量5131.15 m3/d，用計算豐水年補給量乘以64.94%為3332.17 m3/d，按照《地下水資源勘察規范》（SL454-2010）開采條件良好，單位涌水量大于10 m3/h·m，可開采系數一般為0.8～0.9，本次可開采系數取0.85，計算區內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 對水環境及其他用戶的影響分析

5.1 對水環境的影響分析

本項目所取地下水為水源熱泵空調系統循環用水，只提取水中熱冷能，且水在封閉管道中運行，水質基本無變化，取水對水環境影響甚微。

5.2 對其他用戶的影響分析

據調查，取水影響論證范圍內居民生活飲用水均為城區自來水管網提供，僅在項目區東部有一應急備用水源井，年使用天數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生影響。

6 結論及建議

6.1 結論

1）水源熱泵機組工作原理是由電能驅動壓縮機，用水工藝合理。

2）系統為循環用水，基本無水資源消耗。經計算，項目年利用水規模為56.07 萬m3。

3）取水井位于項目區場地空地，采用地下水源方案是合理的；潛水的排泄主要以側向徑流及泉的形式排入河流；,計算區內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系統循環用水，只提取水中熱冷能，且水在封閉管道中運行，水質基本無變化，取水對水環境影響甚微；對其它用水戶取用水基本不產生影響。

6.2 建議

1）水源熱泵項目用水關鍵環節是退水回灌，在水源熱泵機組運行期間，應加強管理，調整好單井回灌量，抽、回水井輪換使用，防止回水溢出井口浪費水資源。

2）水源熱泵運行時建筑商應進行地面沉降觀測，確保運行期間建筑物安全。