水源热泵空调项目取水可靠性与可行性分析

王 弛

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁辽阳 111000)

1 概述

为实现“建设资源节约型、环境友好型”社会的战略目标，响应省、市政府关于推广地源热泵可再生能源技术，充分利用地下水热能资源，提高供暖的科技含量的号召，认真贯彻落实辽阳市建设节水型社会的总体要求。辽阳市政府对市健身大厦采用水源热泵供暧和制冷项目进行改造，项目总建筑面积12 659.0 7m2，其中地下面积996.15 m2，地上建筑面积11 494.26 m2。在地上11 494.26 m2面积中:游泳馆和健身馆面积为8 604.46 m2，训练馆面积为2 234.42 m2，其他建筑面积为设备用房。

项目拟在所在地提取地下水做为地温空调机组水源，共拟建5眼抽水井、9眼回灌井。该系统运行最大负荷时，游泳馆需水量为204 m3/h，项目年用水量90.79万m3;训练馆需水量为78.5 m3/h，项目年用水量31.89万m3。而辽阳市区多年平均地下水资源量21 939万m3，地下水资源可开采量为18 540万 m3。

2 水文地质条件

太子河冲洪积扇地处山前出口处，基底地形为一由东向西开放的簸箕状，东高西低，东窄西宽，面积大约650 km2，含水层由粒径粗大的卵石、砾石、砂含砾石由东向西过渡。含水层的渗透系数、导水能力、贮水能力很强。地表为薄层亚砂土，亚黏土，上游局部或漫滩区为细砂，或砂含砾。该区多年平均降水量丰沛垂向渗入补给量较大，加之河流上游段侧向补给和两侧丘陵区地表径流补给，使得本区赋存着极丰富的地下水。

项目区地貌单元属于下辽河—太子河冲积平原东缘;在大地构造单元上属于胶辽台隆中部的太子河—浑江台陷西缘，基岩埋藏较深，第四系覆盖层厚度较大，上覆第四系黏性土及砂层，下伏较大厚度的卵石层。

项目区第四系地层主要堆积物自上而下为:

2.1 填土

灰黑色、褐色，上以建筑垃圾为主混合少量黏性土，下以黏性土为主，含少许砖、碳屑、植物根须等，层厚约1 m。

2.2 粉质黏土

黄褐色、灰褐色，厚度约3 m。

2.3 细砂

黄褐色，以石英、长石为主，含少量暗色矿物及白云母碎片，厚度近1 m。

2.4 卵石

黄褐色，粒径＞20 mm的含量占质量的50%以上，厚度直达潜水基岩，约24 m。

以上卵石及圆砾石具有厚度较大、分布广、层位稳定、结构松散等特性，因此在大气降水和上游地下径流的补给作用下形成了含水层。该含水层渗透性较强，出水量较丰富。

3 地下水动态分析

项目区域内地下水埋深较浅，地下水位受太子河影响较明显。根据辽宁省水文水资源勘测局辽阳分局对该区附近地下水位进行的历史监测，绘出历史埋深数动态图见图1。项目区域近年埋深数值见表1。

表1 项目区域近年地下水埋深动态表

4 地下水可开采量计算

4.1 参数分析确定

4.1.1 抽水试验及其参数计算

2012年5月，在工作区钻成两眼试验井，对采探结合井进行了抽水和回灌试验。抽水工具采用潜水泵，水位观测采用电测水位计，流量观测采用水表。计算公式为:

式中:K为渗透系数，m/d;R为影响半径，m;H为含水层厚度，m;Q为抽水井出水量，m3/d;r为抽水井半径，m;S为稳定动水位降深，m。

计算地质参数成果见表2，S—Q关系曲线见图2。

4.1.2 回灌试验及参数计算

回灌试验采用自然渗透方法注水试验，抽灌同时进行[1]。对回灌水量及水位升高值同时观测。采用裘布依公式进行回灌渗透参数计算。

式中:K'为回灌渗透系数，m/d;R为影响半径，m;H为含水层厚度，m;Q'为回灌水量，m3/d;r为回灌井半径，m;S'为水位壅高值，m。

采用的数据及计算结果列入表3。

图2 抽水试验S—Q曲线图

表2 抽水试验成果表

表3 回灌试验及参数计算表

以上计算结果表明，工作区含水层渗透系数K=71.06 m/d，回灌渗透系数K'=33.24 m/d。

4.2 地下水可开采量计算

通过对水源地的实地勘察，根据区域水文地质条件及采探结合孔抽水试验成果进行综合分析，确定影响范围内地下水的补给量和排泄量之间的数量对比关系，结合开采方案，本区域地下水资源论证采用疏干降水法[2]。场区面积10 450 m2，按疏干降水4.0 m计算。

疏干水水量采用如下公式进行计算:

式中:Q为涌水量;K为渗透系数;H为含水层厚度;R为降水影响半径;ro为等效半径。其中，等效半径可采用如下公式进行计算:

式中:A为评价区面积。

降水影响半径通过公式(3)进行计算，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，场区路北公共绿地长约180 m，宽50 m，面积9 000 m2，按疏干降水4 m计算，等效半径 ro=53.5 m，涌水量 Q=661 m3/h。

5 地下水均衡计算

5.1 地下水径流量

根据公式为:式中:Q流为地下水迳流量，m3/d;H为过水断面含水层平均厚度，m;B为含水层断面宽度，1000m;I为地下水水力坡度;K为渗透系数，m/d。

地下水水力坡度，根据抽水试验当降深为2.16 m时，影响半径为144 m，得到项目区域内水力坡度为15‰。计算成果见表4。

表4 地下水径流量计算表

5.2 地下水均衡计算

地下水均衡关系按下式计算:

式中:ΔQi为年地下水补给量与地下水消耗量均衡差，m3/a;K为开采系数，取0.9;Q排为年地下水综合排泄量，m3/a;Q耗为地下水开采量，m3/a。

对论证范围内地下水进行均衡分析，计算结果见表5。

表5 地下水均衡计算表

从表5可以看出，项目区域内地下水开采为正均衡关系。因此，该区域地下水资源量能够满足项目用水需求。

6 取水可靠性与可行性分析

本项目游泳馆和训练馆最大需水量分别为204 m3/h和78.5 m3/h，而场地范围可提供地下水涌水量为684 m3/h和661 m3/h，完全可满足项目需水量要求。而且，地温空调用水后全部回灌到原来的含水层中[3－4]。因此，项目取水不会对项目区的资源使用产生大的影响。

项目建设符合国家及地方的产业政策，项目取水符合所在地区的水资源条件，促进区域水资源的合理配置与高效利用，其设计用水工艺及节水措施处于国内和同行业较先进水平。

该水源热泵空调系统采用气水分离技术实行封闭式等量取水还水，实现最大程度的节水。另外采用微机调频供水技术，根据所需温度控制水量。这样，不仅可减少潜水泵的过剩消耗，节约电能，还可避免提取过多的水量造成水资源浪费，以便尽可能地保护地下水资源环境，减少对区域水环境的影响[5－6]。

7 结语

综上所述，健身大厦采用水源热泵供暧和制冷项目设计取用水方案可靠合理，生产用水工艺、节水措施切实可行。

[1]王丽晶，张红艳.建设项目地下取水的可靠性与可行性分析[J].吉林水利，2010(01):37－38.

[2]王敏敏，朱琦.永康市南山水厂二期工程取水可行性分析[J].浙江水利水电专科学校学报，2012，24(01):71－73.

[3]张吉利，马良栋.污水源热泵空调系统污水侧取水、除污和换热技术研究进展[J].暖通空调，2009，39(07):41 －47.

[4]范思源.水源热泵空调应用对地下水系统影响及对策[J].河南水利与南水北调，2013(22):19 －20.

[5]胡松涛，张莉，王刚.海水源热泵空调系统的工程应用[J].资源与发展，2005(03):26 －30.

[6]王宏，刘嵘，成红之.地下水源热泵空调系统与地下水环境问题的分析[J].工程勘察，2009(08):38－42.