水源熱泵空調系統水資源利用研究論文
水源熱泵空調系統水資源利用研究論文
［摘要］地下水水源熱泵空調系統是以地下水作為熱泵空調的熱源，具有中央空調合理利用能源、執行成本低和安全、環保、節能、靈活等優點。本文以昌邑市東隅小區水源熱泵空調工程水資源論證為例，透過對區域取用水、退水合理性和供水水源的可行性、可靠性及取水、回灌對周圍水資源生態環境影響等方面進行了分析，提出切合實際的結論和建議，為水行政主管部門審批取水許可提供技術支撐。
［關鍵詞］地下水源;熱泵系統;水資源研究
隨著昌邑市經濟社會的快速發展，人民生活水平的改善和城市化程序的加快，人們對保障供暖提出了更高的要求，對高品質、低能耗、環保型的供暖需求越來越高［1］。地下水源熱泵是一種採用水中的熱源，製取熱水的高效節能空調裝置。具有中央空調合理利用能源、執行成本低、安全、靈活、方便、便於管理等優點，更重要的是地下水源熱泵技術有環保、節能、節資的特點，在我國許多地區得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。本文以昌邑市東隅小區水源熱泵空調工程水資源論證為例，在地下水源熱泵取用水、退水合理性和供水水源的可行性、可靠性及取水、回灌對周圍水資源生態環境影響等方面進行了分析，提出了切合實際的結論和建議，為水行政主管部門審批取水許可提供技術支撐。
1工程概況
昌邑市東隅小區位於奎聚路以東，新昌路以西，新興街以北，利民街以南，總建築面積為145527m2。本專案擬採用地下水源熱泵技術，透過抽取地下水利用水源熱泵空調系統實現冬季供熱。選用水源熱泵SM－200LI型1臺、SM－400LI型2臺作為專案主機，機組設計滿負荷運轉時其最大迴圈水量為350m3/h，設計總熱負荷為4500kw，年取用水量為50．4萬m3，用水採用“抽灌分離”的方式，用潛水泵抽取第四系孔隙地下水作為系統供水水源見圖1。取水井工程打6眼取水井、18眼回灌井並配備潛水泵及輸水管道等，設計井深60m左右;單井湧水量在1500m3/d左右，部分地段大於1500m3/d。年地下水溫在15℃～18℃之間，供水水源為第四系孔隙水。
2水文地質特徵
昌邑市在大地構造上屬華北臺地，處在魯西隆起、沂沭斷裂帶、魯東隆起三個次級構造的交匯處。本專案位於濰河沖積平原區的富水地段，根據區內地質勘探資料，地層結構自上而下主要為粘土、亞粘土、細砂、中細砂、中粗砂、粗砂礫石層等。地形較平坦，地下水補給條件較好，含水層厚度較大，調蓄能力較強，單井湧水量在1500m3/d左右，部分地段大於1500m3/d。年地下水溫在15℃～18℃之間，水溫變化較小。地下水各項指標達到國家地下水質量標準Ⅲ類水標準，水質良好，且該地段地下水位埋藏較深，地下水回灌條件較好，是水源熱泵空調系統供水理想的水源地區域。
3取用水合理性分析
3．1取水合理性
此專案地下水源熱泵空調系統用水採用“抽灌分離”的方式，系統透過抽水井抽取地下水，提取完水中的熱能後，再利用附近的回灌井等量回灌到地下含水層中，系統在用水過程中全封閉、全回灌，基本不消耗水量，也不會增加用水量指標。建成執行後不會增加昌邑市的實際用水量指標，全市用水總量和地下水開採量仍在區域用水總量控制指標和地下水分類控制指標範圍內;不產生汙水，對區域水環境和水功能區影響較小。取水符合《山東省用水總量控制管理辦法》和昌邑市城市發展總體規劃要求。該專案建設彌補了昌邑城區熱力管網供熱能力的不足，解決了小區集中供熱的問題。根據供熱負荷和系統主機的效能確定需水量，並結合區域水文地質條件確定抽水井數量，取水方案是合理的。
3．2用水合理性
濰坊地區冬季供暖期為11月15日至翌年3月15日，期間最冷時段(1～2月)為冬季空調使用的高峰負荷日，大約30d，其餘90d較為暖和，專案每天用水量為機組執行迴圈水量。根據《昌邑市東隅小區水源熱泵空調系統工程專案設計方案》，東隅小區水源熱泵空調系統冬季供熱，設計總熱負荷為4500kw，設計最大迴圈水量為350m3/h，設計機組平均每天執行時間為12h。按照濰坊地區氣候變化狀況，供暖時間為每年的11月15日至翌年的3月15日，共計120天，其中30d為冬季空調使用的高峰負荷日，90d較為暖和，每天平均執行12h，全年需水量4200m3×120d=50．4萬m3，設計年總需水量基本合理。
4取水水源分析
4．1地下水儲存量計算
根據抽水試驗資料分析，並參照《濰坊市水資源綜合調查與評價》成果，本區地下水總補給量小於總排洩量，地下水處於超採狀態，此情況下含水層的調蓄能力就成為水源地能否正常連續開採的關鍵，而含水層的'調蓄能力則取決於地下水儲存量的大小［2］。地下水儲存量的計算公式為:V=100μFM(1)式中:V為地下水儲存量(萬m3);μ為潛水含水層給水度;F為含水層分佈面積(km2);M為含水層砂層平均厚度(m)含水層給水度μ:採用《濰坊市水資源綜合調查與評價》成果，確定為0．17［3］。計算區面積F為22．1km2。根據地質勘探資料和已有的研究成果綜合分析，確定論證區內含水層平均厚度為17．4m。經計算，地下水儲存量為6537．2萬m3，可滿足空調系統用水。
4．2水源水溫分析
根據歷年地下水溫監測資料，地下水年內最高水溫為18℃，最低水溫為15℃，平均水溫為16．5℃，水溫相對穩定，符合該專案空調系統要求。
4．3水源水質分析
根據專案熱源井地下水質監測資料和《地下水質量標準》(GB/T14848—93)［4］，本區地下水的水化學型別主要為HCO3－Ca—Mg—Na型水。總硬度598mg/L(以CaCO3計)，pH值7．54。地下水無色無味，物理性狀良好，總硬度、氯化物、錳及硝酸鹽氮超標，經單項組分評價為Ⅴ類水，F值為7.13，綜合評價為水質較差，不適合做飲用水源，但水質符合水源熱泵空調系統的要求見表1。
5退水對水資源的影響及保護措施
5．1退水對水資源的影響
本專案水源熱泵空調系統用水採用“抽灌”封閉迴圈用水系統，系統封閉式迴圈，自成體系，透過抽水井抽取地下水，系統提取完水中的熱能後，退水透過回灌井再回灌到地下含水層中，用水工藝為抽灌平衡，基本不消耗水資源量，不會對區域地下水資源產生影響［5］。水源熱泵空調系統在執行過程中水是在封閉的迴圈系統中進行能量交換，不與外界接觸，水不易受到汙染，只是水溫有一定變化，退水對區域生態環境基本沒有影響。
5．2水資源保護措施
水源熱泵空調系統用水採用“抽灌分離”迴圈用水，整個系統不消耗地下水資源，因此，水資源保護重點應該為保證專案退水100%完全回灌和水質保護。針對專案用水過程，為保護地下水資源，提出如下工程保護措施和非工程保護措施。5．2．1工程措施1)在抽水井中安裝變頻裝置，嚴格控制抽水井的出水量。2)制定詳細的水井執行管理程式，包括執行時數，單井開採量和回灌量統計、水井執行維護方法和計劃等。3)安裝水錶，嚴格記錄抽、灌水量，確保回灌水量達到100%回灌。4)根據以往的水質監測資料，回灌井周圍的溫度場變化對水質沒有明顯的變化。但由於水質變化是慢長過程，因此，建議系統建成後仍需要建立長期的水質、水溫監測。5．2．2非工程措施1)成井深度要嚴格控制在60m以內，遇60m左右粘土隔水層即可停止，防止穿透鹹水層汙染淺層淡水，以保護昌邑市自來水公司水源地安全。2)洗井應採用拉活塞、空壓機等物理方法，嚴禁用含有汙染元素的化學洗井。3)嚴格控制抽水井和回灌井的成井工藝，尤其控制止水層的位置和厚度，嚴格控制濾水管和濾料的使用，確保成井質量。4)水源井井口要封閉，井周圍禁止有汙水管道和明渠透過以防地下水體汙染。5)嚴格控制回灌水的溫度，冬季大於7℃，避免大溫差回灌對地下水水質造成影響。6)以水源井為中心設定保護區，井口周圍設定圍檔，嚴禁閒雜人員隨意進入。
6結語
(1)根據供熱負荷和空調系統主機效能確定用水量，並結合區域水文地質條件確定打水井24眼，有6眼抽水井和18眼回灌井，採用豎井式自然回灌，採用1抽3回灌的布井方案，大於試驗1抽2回灌的試驗結果，依據試驗結果和實際執行結果，退水方案可行。設計最大迴圈水量為350m3/h，年取用水量為50．4萬m3。(2)加強回灌水水質監測，監測專案執行期間，區內地下水水質變化情況。每個供暖期結束後，對抽水井進行撈砂洗井，對回灌井進行回揚、拉活塞和撈砂等洗井。為了防止單向堵塞，建議抽水井和回灌井定期交換使用，並對抽水井中的含砂量進行沉砂過濾處理後再回灌。
參考文獻
［1］趙旭升．地下水資源的保護［J］．青海師專學報．2001(6):98－100．
［2］江劍，董殿偉．水源熱泵專案取用地下水水資源論證技術要點分析［J］．水資源論證專刊．2013(3)．50－52．
［3］濰坊市水資源綜合調查與評價［M］．濰坊市水利局．2004．
［4］GB/T19923－2005．城市汙水再生利用工業用水水質標準．2005．
［5］曹永凱，曹世掀．等．山東地下水資源開發與保護綜合研究［J］．中國地質災害與防治學報．2002(4):39－43．08第40卷第5期地下水2018年9月