水源热泵空调系统取用水合理性分析

李 敏，郭 敏

（1.陕西省镇安县水保工程队，陕西 镇安 711500；2.陕西省镇安县水保物资站，陕西 镇安 711500）

0 前言

水源热泵系统是一种高效、节能、供冷供暖两用且无污染的新型能源系统。地下水仅作为载体将地温带至机组，借助压缩机系统，完成制冷制热，不向外界排放任何废气、废水、废渣，抽出的地下水全部回入地层中，反复循环使用，基本不消耗水资源。该技术的推广应用可有效缓解当前住宅建筑能耗不断增长、环境污染严重和能源短缺的现状，对环境保护、节约水资源、推进经济可持续发展具有重要意义。

镇安县医院门诊综合楼建设项目属新建，建设项目地点位于商洛市镇安县涝巷街与南新街十字西南角的镇安县医院院内。建设的门诊、检验中心、办公楼供暖、制冷采用节能、环保、无污染的中央水源热泵空调系统，面积16500 m2，设计系统井水口水温14℃～17℃，设计最大循环水量161 m3/h，回灌量161 m3/h。项目取用水分两部分，一部分为生活、绿化、餐饮用水，由市政管网提供；另一部分为水源热泵空调用水，包括供冷、制热循环用水，取自项目场地地下水。本文结合项目区基本情况，对镇安县医院门诊综合楼建设项目水源热泵空调系统取用水方案合理性进行分析。

1 建设项目取用水方案

1.1 取水方案

水源热泵空调系统用水取自拟建场地内地下水，采用凿井取水，通过机组管道将地下水输送到热泵机组，经提取热、冷能后再回灌至地层中。

1.2 用水方案

1.2.1 水量

建筑面积17500 m2，其中设计水源热泵空调使用面积16500 m2，设计安装2 台水源热泵机组，最大冷负荷1400 kW，最大热负荷1120 kW，提取地下水温差冬季6℃，夏季8℃，水源热泵空调系统建成后年正常运行228 天，计算地下水最大循环利用水量56.07×104m3/a。

1.2.2 水温

本项目水源热泵机组运行设计进口水温14℃～17℃。

1.2.3 水质

从保证地下水安全回灌及水源热泵机组正常运行的角度，地下水尽可能不直接进入水源热泵机组。据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005），直接进入水源热泵机组的地下水水质应满足以下要求：水源水质要求pH 值6.5～8.5，氧化钙含量小于200 mg/L，矿化度小于3000 mg/L，Fe2+、Fe3+含量小于1.0 mg/L，Cl-离子含量小于100 mg/L，SO42-离子含量小于200 mg/L，含砂量小于1/20 万。

2 用水节水工艺分析

水源热泵机组工作原理是由电能驱动压缩机，制冷时，井水为机组的排热源，制冷剂在蒸发器内吸热蒸发，制取7℃～12℃冷水，制冷剂再经压缩机压缩成高温高压的蒸汽，进入冷凝器，由末端风机供给用户，同时由回水管道带走井水排至井中；制热时，井水为机组的吸热源，制冷剂在蒸发器内吸取井水的热量蒸发，经压缩机压缩成高温高压的蒸汽，进入蒸发器，加热循环水，制取40℃～55℃的热水经末端风机供给用户，同时由回水管道带走井水排至井中，用水工艺合理。

3 项目用水量分析

水源热泵系统是一种高效、节能、供冷供暖两用且无污染的新型能源系统。地下水仅作为载体将地温带至机组，借助压缩机系统，完成制冷制热，不向外界排放任何废气、废水、废渣，抽出的地下水全部回入地层中，基本不消耗水资源（见图 1）。

图1 建设项目取用水平衡图

3.1 地下水最大循环利用量

根据主机冷、热负荷和地下水利用温差，计算该项目每小时单位地下水循环利用量，再通过机组系统运行时间推算年利用水规模。

根据建筑物冷、热负荷参数，采用《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225-2009）中的公式A.10 计算地下水最大循环利用量，计算参数及结果见表1。

式中：Qh为主机房冷、热负荷，单位：kW；qw为地下水循环利用量，单位：m3/d；ΔT 为制冷、采暖期地下水利用温差，单位：℃；ρw为水密度，1×103kg/m3；Cw为水比热容，4.18 kJ/kg·℃。

表1 地下水最大循环利用量计算表

由表1 可知，项目空调系统夏季地下水最大循环量为151 m3/h、冬季地下水最大循环量为161 m3/h。

3.2 年利用水规模确定

镇安地区，夏季制冷期从6 月1 日～8 月31 日，3 个月共92 天；冬季采暖期从11 月15 日至翌年3 月15 日，4 个月共121 天。

考虑门诊综合楼特点，每天运行时间取值24 小时，其中每日8 时至20 时，使用率为100%，20 时至次日8 时，使用率为40%。

计算得本项目年利用水规模为56.07 万m3，其中制冷期利用水量为23.34 万m3，采暖期利用水量为32.73 万m3。

4 水源方案合理性分析

4.1 水源选择

建设项目位于县河一级阶地，论证范围县河由于受降水影响，水量不稳定，且洪水期泥沙含量高，冬季水温低，不宜做为水源热泵用水。论证区潜水含水层厚度较大，颗粒粗，地下水循环积极，水资源较丰富，水温相对稳定，水质好，确定建设项目水源热泵取用地下水，取水井位于项目区场地空地，采用地下水源方案是合理的。

4.2 地下水补给、径流与排泄

论证区松散岩类孔隙水的主要补给源为河水、降水入渗和上游地下径流补给，河流侧向渗漏是漫滩、一级阶地区径流补给的主要补给源，区内含水层主要为砂砾石，渗透强。潜水的排泄主要以侧向径流及泉的形式排入河流。

4.3 地下水补给量计算

4.3.1 水文地质参数计算

（1）渗透系数、影响半径计算

水文地质参数计算主要根据抽水试验相关数据，本次抽水试验抽1#，观测2#，抽2#，观测1#，采用潜水完整井有一个观测孔稳定流公式（1）计算含水层渗透系数：

式中：K 为含水层渗透系数，m/d；Q 为抽水井出水量，m3/d；H 为含水层厚度，m；S1为观测孔水位降深，m；r1为观测孔距主孔距离，15 m；SW为抽水孔水位降深，m；rw为抽水孔半径，0.1885 m。

计算结果：1#井渗透系数 158.79 m/d，2#井渗透系数167.23 m/d，渗透系数平均值为163.01 m/d。

（2）影响半径计算

当抽水时，出水量和水位降深如能达到稳定，说明含水层的补给能满足单井抽水的要求，此时，以抽水井为中心的水位影响范围即会出现一个边界，它可随出水量的增大而向周围扩展。这种反映含水层对点井的补给能力的参数称为影响半径。

影响半径采用潜水试验公式计算：

式中：R 为影响半径，m；H 为含水层厚度，m；S 为抽水井降深，m；K 为含水层渗透系数，m/d。

计算结果：1#井影响半径为74.20 m，2#井影响半径为74.60 m，影响半径平均值为74.40 m。本项目为群孔抽水，含水层各向均质，位于河旁，根据水文地质手册，群孔抽水影响半径为井群中心到河岸距离的两倍，即300 m。

4.3.2 地下水补给量计算

据场地含水岩组水文地质特征，场地地下水的补给源主要为地下径流补给和大气降水渗入补给。

（1）地下径流补给采用下式进行计算：

式中：K 为含水层渗透系数，取163.01 m/d；I 为水力坡度，自然条件下水力坡度取值为0.003；B 为补给带宽度，按600 m 计；H为含水层厚度，取13.00 m。

计算结果，地下水径流补给量为5085.91 m3/d。

（2）降水入渗补给量

采用下式进行计算，参数参照《陕西秦巴山区东部区域水文地质普查报告》取值：

式中：Q 为降水入渗补给量，m3/a；X 为年降水量，多年平均降水量0.752 m,有效降雨量按降水量72%计算为0.541 m；a 为降雨入渗系数，取0.36；F 为降水渗入面积，因道路建筑物覆盖，按论证区30%计算，84780 m2。

计算结果，论证范围内降雨入渗补给量为45.24 m3/d。

经计算，论证区地下水径流补给量为5085.91 m3/d，降雨入渗量45.24 m3/d（17539.2 m3/a），地下水总补给量为5131.15 m3/d。

4.4 地下水可开采量计算

4.4.1 论证区及外围开采户情况

据调查，距镇安县医院井群210 m，有镇安县县城供水应急水源井一口，井深22 m，井径6 m，井管为现浇水泥管，供水井在遇县城供水管网水质变浑、色度超标、供水水源不足情况下使用，出水量100 m3/h，2015 年～2017 年统计平均每年使用30 天～35 天，年开采量约8 万m3。论证区周边已有龙鼎国际、天坤都市、镇安县中医医院水源热泵空调项目，与本项目区距离分别为310 m、430 m、1.1 km，均在论证范围以外，各水源热泵空调系统自成一个抽灌平衡场，对论证区内地下水基本不消耗。

4.4.2 地下水可开采量计算

大气降水是分析区地表水、地下水的补给来源，降雨量与地表水径流量密切相关且直接影响地下水补给量。在丰水年，地下水位上升，可开采量增大，在枯水年，地下水位下降，可开采量减少，论证区地下水可开采量采用多年连续降水量保证率比拟法估算。

采用降水频率年计算地下水允许开采量，将镇安县青泥湾水文站1997 年～2017 年降水量资料从大到小排列，用公式P=m/（n+1）（式中m 为序号，n 为序列长度）计算降水频率年，25%频率年降水量887.7 mm，50%频率年降水量713.9 mm，75%频率年降水量646.3 mm，据统计2017 年降水量995.2 mm，属丰水年，本次试验井施工期据项目区周边县市降水量统计，属偏丰年。为估算项目区偏枯年地下水源保证程度，采用降水丰水年与偏枯年比值，推算论证区偏枯年地下水补给量。将75%频率年降水量与2017 年降水量相比得64.94%，论证区地下水总补给量5131.15 m3/d，用计算丰水年补给量乘以64.94%为3332.17 m3/d，按照《地下水资源勘察规范》（SL454-2010）开采条件良好，单位涌水量大于10 m3/h·m，可开采系数一般为0.8～0.9，本次可开采系数取0.85，计算区内枯水期可开采资源量2832.34 m3/d，正常情况可满足水源热泵2705 m3/d 用水量。

5 对水环境及其他用户的影响分析

5.1 对水环境的影响分析

本项目所取地下水为水源热泵空调系统循环用水，只提取水中热冷能，且水在封闭管道中运行，水质基本无变化，取水对水环境影响甚微。

5.2 对其他用户的影响分析

据调查，取水影响论证范围内居民生活饮用水均为城区自来水管网提供，仅在项目区东部有一应急备用水源井，年使用天数30 天～35 天，年用水量约8 万m3，暂无其他地下水取水用户，项目循环尾水回入地层中，地下水量抽灌一致，对其它用水户取用水基本不产生影响。

6 结论及建议

6.1 结论

1）水源热泵机组工作原理是由电能驱动压缩机，用水工艺合理。

2）系统为循环用水，基本无水资源消耗。经计算，项目年利用水规模为56.07 万m3。

3）取水井位于项目区场地空地，采用地下水源方案是合理的；潜水的排泄主要以侧向径流及泉的形式排入河流；,计算区内枯水期可开采资源量2832.34 m3/d，正常情况可满足水源热泵2705 m3/d 用水量。

4）本项目所取地下水为水源热泵空调系统循环用水，只提取水中热冷能，且水在封闭管道中运行，水质基本无变化，取水对水环境影响甚微；对其它用水户取用水基本不产生影响。

6.2 建议

1）水源热泵项目用水关键环节是退水回灌，在水源热泵机组运行期间，应加强管理，调整好单井回灌量，抽、回水井轮换使用，防止回水溢出井口浪费水资源。

2）水源热泵运行时建筑商应进行地面沉降观测，确保运行期间建筑物安全。