浅析某酒店水源热泵空调系统水资源论证要点

王海强

(咸阳水文水资源勘测中心，陕西 咸阳 712000)

某酒店水源热泵空调系统用水，是把地下水作为能量的传导介质，是环保、无污染的水源热泵空调系统项目。根据国务院《取水许可和水资源费征收管理条例》和水利部《取水许可管理办法》、《建设项目水资源论证管理办法》的规定，用水项目必须进行建设项目水资源论证工作，该酒店空调系统水资源论证从取水合理性、水源可靠性、取退水影响、水资源保护措施和节水评价分析，为酒店水源热泵空调系统用水提供科学依据。

1 概况

某大酒店是一家涉外星级宾馆，酒店主楼7层，内设停车场，共有车位30个。客房拥有豪华套房及高级客房等2间，其中套房5间，标间150位，所有客房均由名家设计，布置完善细致，设施齐备高档，风格典雅温馨，环境舒适自由；均设有中央空调、冷热饮设备、卫星闭路电视、多媒体宽带网络、电子门匙系统等，令起居倍感愉悦。酒店餐厅共有餐位40个；其中高档别致的豪华包厢5间、12位。极具人性化的设计风格，可迎合客人的不同需求和自由选择。空调控制总面积9 000 m2，酒店空调以水源热泵作为能量转换，保证暖、制冷需求。

为了满足大酒店空调的运行要求，采用绿色能源(水资源)代替传统能源，水源热泵所需地下水提取冷、热能后又全部回入地层中，属可再生能源，可再生能源在改善能源需求，减少环境污染，促进经济发展发挥重要作用，响应国家推广建筑节能实现可持续发展的需要，达到节约能源，保护环境的目的。

对酒店空调系统用水进行水资源论证工作，从取水合理性、水源可靠性、取退水影响、水资源保护措施和节水评价分析，为水行政主管部门提供取水用水科学管理，为区域水资源源节约保护和合理开发利用提出宝贵的建议。

2 水资源论证要点内容

2.1 取用水合理性分析

2.1.1 取用水情况

酒店空调用水采用水源热泵，包括制冷、供热循环用水，取自地下水，本次论证仅涉及水源热泵循环用水地下水部分。

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。

用水方案：水量计算，水源热泵空调使用面积9 000 m2，提取地下水温差冬季6℃，夏季8℃，水源热泵空调系统正常运行183 d，计算地下水最大循环利用水量14.35×104m3/a；水质要求，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3 000 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。经过检测，该酒店开采地下水水质满足《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)要求。

2.1.2 取水合理性分析

产业政策相符性：符合《节能减排综合性工作方案》提出到十一五期末，发展太阳能、浅层地温能在建筑中应用；符合国家发改委印发了《可再生能源发展目录》第74项就是大力推广水源热泵系统；符合国家发展和改革委员会、国家能源局与国土资源部三部委以发改能源[2017]158号文联合发布《地热能开发利用“十三五”规划》中规划陕西新增浅层地热能(地源热泵)供暖(制冷)面积500万 m2，同时要求严格地热能利用环境监管，保证取热不取水、不污染水资源，有效保障地热能的清洁开发和永续利用。

水资源合理分析：取水符合区域内水资源规划、配置和管理要求，符区域内对水源热泵项目应用的有关政策。作为一项新的节水应用技术，政府将该项目列为节能节水推广项目，并针对水资源状况，对该项目适宜区域和监督管理进行了规划和规范，该项目未在地下水严重超采区和饮用水水源地保护区，取水水源、取水区域均符合该规划的要求。

2.1.3 用水合理性分析

用水节水工艺和技术分析：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，见图1(水源热泵中央空调制冷、制热原理示意图)。

图1 水源热泵中央空调制冷、制热原理示意图

用水过程和水量平衡分析：酒店空调系统用水为水源热泵系统用水，抽出的地下水经管道送入水源热泵机组，地下水经提取热冷能后又回入地层中，经地温场调整均衡后再通过抽水井抽出，反复循环使用。

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2。

图2 取用水平衡图

用水水平评价：用水水平指标计算与比较，设计参数中决定地下水循环利用量的主要指标为建筑物冷、热负荷参数。

酒店水源热泵系统机组供应商提供的建筑物冷、热负荷参数设计温度、流量见表1(空调主机负荷采用建筑冷热指标估算法进行计算)。

表1 水源热泵系统冷、热负荷参数

大酒店设计使用水源热泵空调面积9 000 m2，制冷期总负荷720 kw，单位面积冷负荷80 w；供暖期总负荷540 kw，单位面积热负荷60 w。与已有同系统单位面积负荷对比，采用的单位面积负荷与同建筑基本相同，设计参数合理。

回用水合理性分析：水源热泵系统将地下水作为冷热载体，当空调运行时，抽出的地下水先进入除砂器，经除砂器将水送至调节蓄水池，再利用循环水泵将调节蓄水池内的井水抽至水源热泵系统机组，水质基本未发生变化，排出的尾水回灌地层中，通过吸收地温能和向地层排放热能恢复到与抽前基本一致的温度，设计回灌量与抽水量一致，反复循环使用，基本不产生污水。

2.1.4 用水量核定

论证前后水量变化情况说明：酒店空调采用水源热泵空调系统，水源热泵机组在国内已被广泛应用，属定型节能设备。抽出的地下水经管道送入水源热泵机组进行制冷或制热，并把热冷源通过换热器输送至末端，经风机盘管散热冷后送给用户，地下水经提取热冷能后的尾水又回入地层中，再通过抽水井抽出，反复循环使用，不消耗水资源，水量基本不变。

合理用水量的核定：通过主机冷、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2。

Qh=qwΔTpwCw×1.16×10-5

(1)

(2)

其中：qw为地下水循环利用量，单位：m3/d；Qh为主机房冷、热负荷，单位：kW；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2 地下水最大循环利用量计算表

由表2可知，项目空调系统夏季地下水最大循环量为77.0 m3/h、冬季地下水最大循环量为66.0 m3/h。

年利用水规模确定：依据区域气候条件，夏季制冷期从7月1日-8月31日，2个月共62 d；冬季采暖期从11月15日-翌年3月15日，4个月共121 d。地下水年利用量计算，见表3。

表3 地下水年利用量计算表

2.2 取水可靠性分析

2.2.1 水源方案选择

酒店周边有河流，由于河道缺乏水量调节设施，且水质受上游影响跤差，不宜作为规划水源。另外，周边供水管网并未覆盖，可供选择的水源主要为地下水。因此，以地下水作为酒店空调系统取水水源。

2.2.2 论证方案

根据《建设项目水资源论证导则》(GB/T 35580-2017)要求和有关水资源的法律、法规，根据项目区的水文地质情况，提出如下论证原则，坚持水利与社会经济协调发展的原则，注重水资源保护和节约用水，以水资源可持续利用、促进社会经济可持续发展；以利益共享、责任共担为原则，取水一般不对其它用水户产生影响，如出现用水矛盾，坚持影响与补偿平等的原则。

根据论证区的水文地质条件和试验井抽回灌量，分析地下水补给和排泄条件，结合地下水资源的开发利用现状，计算地下水的可开采量以及水质、水温对本项目用水的满足程度。论述重点为根据已有地层资料、取水区域含水层水文地质条件、富水性及抽水试验资料等，确定水源热泵地下水源的适用性及合理的取水层位、单井取水量和井位布局。

2.2.3 抽水回灌试验井成果

为了解项目区单井出水量、回灌量，在项目区2眼已有抽水、回灌试验井(编号1#、2#)，空调井成井因数见表4。

表4 空调井成井结构一览表

抽水试验：对1#做了单落程抽水试验，采用定流量为80 m3/h流量潜水泵抽水，抽水持续时间12 h(720 min)，水位降深6.45 m，水位稳定时间11 h。抽水历时曲线见图3和参考井抽水试验情况表5。

图3 水位降深-抽水历时曲线图

表5 参考井抽水试验情况表

回灌试验：采用自然注入式回灌方式进行了回灌试验，采用阀门控制回灌量。在回灌时，为避免回水对抽水井“热贯通”影响，保持回入地层中水有足够的热量释放时间，抽水井与回灌井应保持一定距离。根据场地总平布置，参考已有水源热泵工程的实际运行情况和场地情况，设计抽水井与回灌井间距为18～20 m，并且地下水利用应同层抽水、回灌，抽水井与回灌井利用井段相同。

抽2#井回灌1#井和抽1#井回灌2#井，其水源热泵试验井回灌试验汇总表见表6。

通过上述分析，酒店空调系统取用地下水地源热泵，采取适当的抽水-回灌的方式，可以保证采一补一，采补平衡，不消耗区域地下水水量。

表6 水源热泵试验井回灌试验汇总表

2.2.4 地下水补给量计算

水文地质参数计算：通过抽水试验及观测孔资料采用下列公式计算水文地质参数。用承压水流量公式和影响半径经验公式计算含水层渗透系数和单井影响半径。

(3)

(4)

式中：K为含水层渗透系数(m/d)；R为影响半径(m)；Sw为水位降深(m)；M为含水层厚度(m)；rw为开孔直径(m)；Q为涌水量(m3/d)

对于浅层承压水井：

表7 论证区水文地质参数计算表

经计算，论证区单位出水量12.40 m3/h·m，含水层渗透系数5.39 m/d，含水层导水系数261 m2/d，属强富水区。其浅层承压水富水性与相邻已探明区域的情况好。经计算试验井影响半径为149.7 m。

地下水补给量计算：取水位置位于浅层承压水层，论证区范围内的地下水补给方式主要为区外侧向径流补给、潜水的越流补给。地下水天然补给量等于大气降水入渗补给量、地下水侧向径流补给量、农田回灌补给量三者之和。本次论证采用入渗系数法计算大气降水入渗补给量，采用达西定律法计算地下水侧向径流补给量，采用灌溉回归系数法计算农灌回归补给量。

计算区范围确定：考虑地下水开采水位降落漏斗的影响区域、项目取水量大小，确定地下水均衡分析计算范围，即水源井周边400 m范围，计算区面积为0.50 krn2。

单井地下水侧向径流补给量：选择圆形区域(直径800 m)断面控制由区外进入的地下水侧向径流量，采用达西定律计算断面上的地下水侧向径流补给量。采用的地下水侧向径流补给量计算公式如下：

QJ=KHBI

(5)

式中：QJ为地下水径流补给量，m3/d；K为渗透系数，m/d，按抽水试验计算渗透系数为5.39 m/d；H为含水层厚度，m，取48.5 m；B为力断面宽度，只考虑圆周的一半。

即B=πr=3.14×400=1 256 m；I为水力坡度，抽水井补给区直径为800 m，当水位降深s=6.45 m时，I=8.065‰。

将上述参数取值代入侧向径流补给量计算公式得，

QJ=KIBH=2 647.2 m3/d

潜水越流补给量Q越：潜水越流补给可采用达西定律计算，公式为：

Q越=β·HF

(6)

式中：Q越为潜水越流补给量，m3/d；β为越流系数，1/d；ΔH为潜水与浅层承压水的水头差，m；F为计算面积，m2。

越流补给系数β为相对隔水层渗透系数与其厚度的比值，渭河以北地区越流系数β为6.8×10-4/d，潜水与承压水的平均水头差△H为0.5 m，论证区计算区面积为502 400 m2。计算结果论证范围内越流补给量为170.8 m3/d。

地下水天然补给总量评价：根据上述计算可知，单井圆形补给区域在枯水年(95%)年的最小大气降水入渗补给为33.28 m3/d，潜水越流补给量Q越为170.8 m3/d，单井地下水侧向径流补给量为2 647.2 m3/d ，则项目区单眼生产水源井圆形补给区域内地下水天然补给总量为2 851.3 m3/d。

取水井涌水量计算及评价：单井涌水量计算，按照100 m影响范围计算。

=1 932 m3/d

涌水量计算评价，经计算，项目区浅层承压水含水层单井涌水量为1 932 m3/d，大于项目生产水源井日平均取水量(393.2 m3/d)，且水位降深为6.45 m，远小于含水层厚度的2/3。可见，一眼生产水源涌水量完全可以满足项目用水取水量要求。

2.2.5 地下水可开采量计算

地下水可开采量计算采用开采系数法进行计算，计算公式如下：

Q可采=pQ补

(7)

Q可采为地下水可开采量，p为可开采系数，由于论证区属平原地区开采条件一般地区，p的取值范围为0.75～0.95，考虑最不利状况，论证取0.75，则地下水可开采量为 0.75×2 851.3=2 138.48 m3/d，项目区水源井取水总量( 792 m3/d)仅约占单眼水源井圆形补给区域内地下水补给总量(2 138.48 m3/d)的37%，因此，取水量是有保证的、可靠的。

2.2.6 地下水水质分析

对1#试验井水质分析，地下水无色、无味，矿化度558 mg/L，属淡水；总硬度300 mg/L属硬水；pH值7.82，属弱碱性水；水质类型HCO3-Ca型，见表8。

按照中华人民共和国《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)，地下水水质满足水源热泵用地下水水质标准。

2.3 取退水情况影响分析

水源热泵空调系统将地下水作为冷热载体，当空调运行时，抽出的地下水先进入除砂器，经除砂器过滤掉水中的固体杂质后将水抽至水源热泵空调系统机组，经机组取热、冷能后又通过管道全部退入与抽水井同深度的井中，一般冬季进水口水温16℃，提取水温7℃，排入地下尾水水温9℃；夏季进口水温16℃，制冷升高水温8℃，排入地下的水温24℃。尾水自然回灌地层中，通过吸收地温能和向地层排放热能恢复到与抽前基本一致的温度，设计回灌量与抽水量一致，反复循环使用。

取退水对水功能区的影响：退水为抽出的地下水经提取热冷能后经管道回入与抽水井同深地层中，不设排污口，对水功能区水质无影响。

取退水对水生态的影响：退水为抽出的地下水经提取热冷能后经管道回入与抽水井同深地层中，不设排污口，不消耗水量，对水生态基本无影响。

取退水对其他用水户的影响：水源热泵抽出的水只提取热冷能，用后全部回灌地下，对附近用水户基本无影响。抽回灌井距建筑物较近，为防止抽水回灌井运行时对地面产生不均匀沉降，应进行地面沉降监测，防止对附近建筑物造成安全隐患。

表8 水源热泵用地下水水质标准与1#井水质对比表

2.4 水资源保护措施

2.4.1 节约措施

随气温的变化，水源热泵机组采用不同功率的组合，控制室温，可根据需要运转，减少能源和水资源消耗；建筑物内外墙应根据国家建设部有关规定采用节能标准墙面，立面安装保温材料，以降低热(冷)能的散发；供热(冷)管道应进行保温措施，防止热(冷)能散发，减少能源损失。

2.4.2 保护措施

水源函养的生物技术措施，为保护环境，净化空气，酒店应绿化美化环境，利用一切可利用的空间植树种草，涵养水资源；抽水、回灌井附近严禁堆放垃圾、有毒有害物质等，井口应高于地面，防止雨污水直接流入井内；管道、阀门应经常检查，防止滴漏及爆管发生；抽水、回灌井应定期倒换使用，削减水头差，做到抽回一致。

2.4.3 管理措施

加强管理，保水资源上建立严格的机房各工序的规章制度，严格统一管理，为实现优质高效，水资源规划目标提供体系保障；水资源保护管理措施上严格按照设计的需水量取水，不超取、不乱排水，抽出水全部回灌；加强水资源保护的教育宣传工作中，利用各种宣传工具，加强水资源的保护法律法规和节约用水知识的宣传水源井附近进行一切可能危及供水水质的活动。

2.4.4 水资源管理措施

为了保证各项水资源保护措施得以落实，建议从如下几个方面加强水务管理：建立健全建设项目

的水务管理体制，根据最严格水资源管理制度的要求，严守“三条红线”，效率指标，加强用水定额和计划管理。加快制定区域用水对取用水达到一定规模的用水户实行重点控制；服从水资源的统一管理，依法取水并按时缴纳水资源税积极配合；服从水行政主管部门的管理，根据水行政主管部门和省、流域管理局对水资源实施统一管理的要求，实施取水许可制度，建设项目按批准的取水规模和方式依法取水；加强突发性污染事故的应急措施，加强系统建设，及早觉察可能产生污染的隐患，做到防范于未然，建立突发性污染防范应急系统，增强抵御重大水污染事故的能力；明确水体功能与水质保护目标，科学制定污染物排放标准与水质标准。

2.5 节水评价

节水评价分析，酒店空调采用水源热泵系统设计抽取地下水制取热、冷能，利用后的尾水全部同层回灌地下，不消耗地下水资源。目前，为节约水源水用量，可在系统中安装混水设备，一般采用容积式混水器，也可以安装变频调速器控制水源水泵，取得减少耗水量和耗电量的效果，同时应做好管网保温和防渗措施，防止渗滴浪费。

3 存在问题及建议

(1)水源热泵项目用水关键环节是尾水回灌，在水源热泵机组运行期间，应加强管理，调整好单井回灌量，抽水、回灌井轮换使用，间隔尽量缩短，防止回水溢出井口浪费水资源。

(2)从抽水井、回灌井投入运营后，对水位、水量、水温、回灌量、水质等进行长期监测，对水位、水量按照每月5、15、25日的观测频率进行监测并做好监测记录，依据监测资料做到合理开采与回灌。

(3)长期使用的回灌井可能发生回灌量减少现象，若经反复抽水，回灌量仍然较小，安排进行专门洗井。

(4)水源热泵运行时加强对邻近建筑物的地面沉降变形观测和巡查，发现异常立即停止使用，分析原因，进行修正，确保运行安全。

4 结语

酒店水源热泵空调系统取用水，对其进行水资源论证，是办理取水许可的前置条件，也是落实严格的水资源管理制度的要求，本文结合《建设项目水资源论证管理办法》要求，酒店水源热泵空调系统水资源论证的要点，从取水合理性、水源可靠性、取退水影响、水资源保护措施和节水评价分析。为酒店水源热泵空调系统取用水提供科学依据，为区域经济发展提供决策。