鄭州市某住宅小區淺層地熱能中央空調系統設計

龐立東 閆天陽

摘 要：按照《建設項目水資源論證管理辦法》【1】的規定，根據項目需水要求，在完成水源地水文地質勘察的基礎上，進一步對項目區水資源及開發利用狀況進行分析，從水量和水質兩方面論證建設項目取用水的合理性，提出切合實際的論證結論與建議，為建設項目取水許可審批提供科學依據。

關鍵詞：淺層地熱能;地埋管換熱;水質評價

1 論證區概況

鄭州位于東經112°42～114°14，北緯34°16～34°58之間。地勢西高東低，西部多山地區丘陵占總面積的2/3，東部平原占總面積的1/3。海拔75～1512米。境內有大小河流35條，分屬于黃河和準河兩大水系。黃河水系主要河流有黃河干流、洛河、光水河、枯水河，其中流經鄭州段的黃河150.4公里。淮河水系主要河流有賈魯河、雙洎河、索須河、金水河。

根據《鄭州市水資源公報》【2】成果，鄭州市多年平均地下水資源量11531.71萬m3，資源模數11.62萬m3/a·km2。其中山丘區地下水資源量2741.86萬m3，地下水資源模數2.76萬m3/a·km2;平原區地下水資源量10760萬m3，地下水資源模數10.84萬m3/a·km2。重復計算量1970.14萬m3。

2 項目所需換熱功率及水量計算

根據《全國民用建筑工程設計技術措施（暖通空調·動力）》【3】中各類建筑的熱負荷指標及本項目特點，論證區冷、熱負荷指標分別取60W/m2，35W/m2。

系統冷熱負荷及項目年用水量計算結果見表2-1、2-2。

3 地埋管換熱功率計算：

在層狀均勻的土壤或巖石中，穩定傳熱條件下U形地埋管的單孔換熱功率按下式計算：

將各參數代入計算公式可得地埋管單孔換熱功率為D夏=2809.87W，D冬=3184.5W。

由此得出，該項目若采用地埋管地源熱泵系統，則至少需要240孔地埋管井，若單孔地埋管的影響半徑為5米，則240孔地埋管占地面積約為6000㎡。

4 淺層地熱能容量計算

本方案采用體積法計算淺層地熱容量，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內地質體的儲熱性能。計算公式如下：

將各參數代入計算，得出結果為：包氣帶地熱能儲存量為4.37×1013kJ/℃，飽水帶地熱能儲存量為4.18×1014kJ/℃。

5 地下水換熱功率計算

地下水換熱功率按下式計算

將論證區淺層地熱能換熱功率參數代入可得計算得論證區地下水換熱功率為：夏季970.224kW，冬季776.179kW。該地區地下水換熱功率滿足該項目所需換熱功率。

6 水質評價

6.1 地下水腐蝕性評價

對地下水中因含有氯根、硫酸根、游離二氧化碳和硫化氫等組分而對金屬有一定的腐蝕性，可通過掛片試驗等測定其腐蝕率，對其腐蝕性做出評價。

因所測地下水pH為7.43屬于堿性水，經計算Kk=-2.494，故該區域地下水為非腐蝕性水。

6.2 地下水結垢評價

參照工業上用鍋垢總量H0來衡量地下水的結垢性。對地下水中所含二氧化硅、鈣和鐵等組分因溫度變化而產生結垢，可通過試驗，評價其結垢度。

若鍋垢總量H0<125，稱為鍋垢很少的地下水;鍋垢總量H0=125～250，稱為鍋垢少的地下水;鍋垢總量H0=250～500，稱為鍋垢多的地下水;鍋垢總量H0≥500，稱為鍋垢很多的地下水;經計算，H0=363.873，故該層段為鍋垢很多的地下水。

7 總結

（1）地埋管地源熱泵與地下水水源熱泵對比分析

項目所需換熱功率為706.28kW， 地埋管單孔換熱功率約3000W，若采用地埋管水源熱泵系統，則需要約6000㎡的區域來布設240根地埋管地埋管;而該項目地下水水源熱泵供暖單孔最大換熱功率為776.179kW，供冷單孔最大換熱功率為970.224kW，僅需一孔取水井即可滿足該項目所需的換熱功率，項目單井最大出水量2000m3/d，設計開鑿1眼取水井，熱泵高峰用水量為1431.84m3/d。由此可見該項目宜采用地下水水源熱泵系統。

（2）取用水合理性

水源熱泵建設項目生產用水取用第四系淺層地下水，經使用后全部回灌同一含水層，水質水量沒有發生大的變化，符合區域水資源規劃要求。建設項目符合國家的產業政策項目設計施工中充分考慮了各環節用水的水質要求，符合節約用水的原則。核定后，項目取水量為12.5415萬立方米/a，用水工藝合理、節水技術先進，取水量合理。

（3）取水水源可靠性

項目區內的水文地質條件較好，項目單井最大出水量2000m3/d，設計開鑿1眼取水井，熱泵高峰用水量為1431.84m3/d，水量滿足項目取水要求。

水質符合《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）[4]水質標準，基本滿足《采暖通風與空氣調節設計規范》[5]冷卻水水質標準。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.GB/T35580-2017.建設項目水資源論證管理辦法（水利部第49號令）.中國標準出版社，2017-12-22

[2]中國知網.全國民用建筑工程設計技術措施（暖通空調？動力），2007-10

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T14848-2017.地下水質量標準.中國標準出版社，2018-05-01

[4]中華人民共和國建設部.GB/T50019-2003.采暖通風與空氣調節設計規范.中國標準出版社，2004-04-01

作者簡介：

龐立東（1998.11.10-）女，漢族，河北省廊坊市，本科生，研究方向：水文與水資源工程

閆天陽（1998.07.30-）男，漢族，山東省菏澤市，本科生，研究方向：水文與水資源工程