1引言

地下水水源熱泵是一種采用水中的冷(熱)源,制取冷 (熱)風或冷(熱)水的高效節能空調設備。除了具有中央空調合理利用能源、設備能效系數高、運行成本低和安全、可靠等優點,又具有分散空調調節靈活、方便、便于管理等優點,更重要的是地下水源熱泵技術還具有環保、節能、節資的特點,目前在我國許多地區得到了廣泛應用,并取得了良好的經濟效益和社會效益。

雖然地下水源熱泵優點頗多,但使用范圍受水源條件和取水地質條件限制。適合、可靠的水源是有效應用水源熱泵的前提,也是這種系統問題的關鍵所在。地下水源熱泵采用地下水,地下水的開采容易影響取水區域水資源環境條件,須經過建設項目水資源論證和取水許可審批。地下水水源熱泵項目水資源論證是根據國家對建設項目及其水資源利用的有關政策和規定,對建設項目取退水方案,取用水的合理性,供水水源的可行性和可靠性,取水、回灌對其周圍環境的影響等方面進行分析論證,提出切合實際的結論意見,為水行政主管部門審批取水許可提供技術依據。

2地下水源熱泵建設項目水資源論證報告的主要內容

2.1地下水源熱泵系統簡介

地下水水源熱泵系統是地源熱泵系統的一種系統方式,利用地下水作為低位熱源,采用熱泵技術,通過輸入少量高位電能,實現熱量由低位能向高位能的轉移,從而達到為使用對象供熱或供冷的目的。

空調系統集中使用的區域主要在城市,地下水水源熱泵系統的發展讓城市中心空調系統建設擺脫了江、河、湖水及工業余熱的條件限制。地下水水源熱泵系統由水源熱泵機組、熱能交換系統、建筑物內系統組成。

系統工作時,將地下水從深井中抽入熱能交換系統,在蒸發器中汽化吸熱、冷凝器中液化放熱,使熱量不斷得到交換傳遞,并通過閥門切換使機組實現制熱或制冷功能,最后將熱能傳送到建筑物內,達到供熱或供冷的目的。地下水源熱泵系統制熱工況如圖1所示,夏季運行,2、4、5、7閥門打開,1、3、6、8關閉;冬季運行,1、3、6、8閥門打開,2、4、5、7關閉。

地下水通過熱交換后排回地下,僅僅利用了地下水的冷量(熱量),而不消耗水資源,整個過程中地下水并不與空氣接觸,因此也不會造成地下水資源的污染。

2.2建筑內需熱量的計算

建筑內需熱量的確定是計算熱泵機組需水量的關鍵, 公式如下: Qn=q×F

式中:Qn———建筑物的供暖設計熱負荷(W);F———建筑物的建筑面積(m2);q———建筑物的供暖面積熱指標 (W/m2)。

2.3熱泵機組需水計算

地下水源熱泵系統的需水量主要取決于機組的冷熱負荷和當地地下水溫度。根據建筑內的需熱量,計算夏季制冷、冬季供暖最大循環用水流量。需水計算公式如下:

冬季制熱需水量:Q冬=0.86×(Q熱-PW)/△t熱

夏季制冷需水量:Q夏=0.86×(Q冷+PW)/△t冷

式中:Q冬———冬季制熱時循環供水流量(m2/h);Q夏——— 夏季制冷時循環供水流量(m2/h);Q熱———冬季供熱量(kW); Q冷———夏季供冷量(kW);PW———輸入功率(kW);△t熱——— 供熱時的溫度變化(℃);△t冷———供冷時的溫度變化(℃)。 根據系統運行情況,確定日工作時間和年運行天數,從而計算年用水量。

2.4單井出水量計算

單井出水量受區域的氣候,地下水的補給、徑流、排泄及水文地質條件的影響。計算井的出水量是否滿足取水要求,公式如下:

式中:Q———設計開采量(m3/d);K———滲透系數 (m/d);T———含水層導水系數(m2/d);H———含水層厚度 (m);h———任意點處含水層動水位高度(m);r———任意點至井的距離(m);a———水位傳導系數(m2/d),t———抽水時間(d)。

2.5回灌井能力分析

回灌井是將被水源熱泵機組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中,可以補充地下水源,調節水位,維持儲量平衡。

回灌量大小與水文地質條件、成井工藝、回灌方法等因素有關,其中水文地質條件是影響回灌量的主要因素。一般來說,出水量大的井回灌量也大。在基巖裂隙含水層和巖溶含水層中回灌,回灌水位和單位回灌量變化都不大;在礫卵石含水層中,單位回灌量一般為單位出水量的80%以上; 在粗砂含水層中,回灌量是出水量的50%~70%;細砂含水層中,單位回灌量是單位出水量的30%~50%。

2.6抽水井水位降深及影響半徑

利用抽水時水位降深計算抽水井的影響半徑：

式中:R———影響半徑(m);S———水位降深(m);K———滲透系數(m/d)。

如果抽水井為2眼以上,各井之間的距離小于影響半徑時就要考慮干擾井的影響。

抽水影響半徑的計算主要是考慮用水量對周邊用水戶是否有影響,影響范圍內任一點任一時刻的水位降深使用泰斯函數計算

式中:S———計算點的降深(m);Q———井的日開采量 (m3/d);T———含水層導水系數(m2/d);r———計算點到抽水井的距離(m);λ———含水層的貯水系數;t———計算時間(d)。 在回灌時,為避免回灌井對抽水井“熱貫通”影響,保持抽水井水溫恒定,抽灌井間要保證足夠距離。

3編制論證報告應注意的問題

3.1對取水水源的要求

水源熱泵對水源的原則要求是:水量充足,水溫適度, 水質適宜,供水穩定。具體說,水源的循環利用水量應當充足夠用,能滿足用戶制熱負荷的需要,如水的循環量不足, 機組的制熱量將隨之減少,達不到用戶要求;水源的水溫應適度,適合機組運行工況要求;水源水含砂量應<1/20萬, 渾濁度<20mg/L,固體顆粒物的粒徑應<0.5mm,pH值應為 6.5~8.5,水源水中的CaO質量濃度應<200mg/L,水源水礦化度應<3g/L;水源的水質應適宜于系統機組、管道和閥門的材質,不至于產生嚴重的腐蝕損壞;水源系統供水保證率要高,供水功能具有長期可靠性,能保證水源熱泵中央空調系統長期穩定運行。

3.2對回灌的要求

目前困擾地下水水源熱泵發展的瓶頸是回灌問題。地下水源熱泵的地下水回路并不是嚴格意義上的密封系統, 回灌過程中會使外界的空氣與地下水接觸,導致地下水氧化。地下水氧化會產生一系列的水文地質問題,如地質化學變化、地質生物變化。所以,必須結合當地的地質情況來考慮回灌技術方式。

當設備在運行過程中出現故障時,設備中極少量油污會隨系統循環水一起回灌地下,從而造成地下水的輕微污染,應做好設備出現故障時油污水對地下水的風險預防,建立必要的預防措施和機制。在回水管設置閥門,發現機組異常及時關閉閥門,防止地下水污染事故的發生。

4結語

水資源論證工作是辦理取水許可的前提,是實施最嚴格水資源管理制度的保障。地下水水源熱泵技術是一種有益于環境保護和可持續發展的冷熱源形式,使城市建設擺脫了江、河、湖的限制。隨著社會經濟和水資源管理的發展, 地下水水源熱泵項目水資源論證內容會逐步完善,水源熱泵技術會逐漸成熟并得到廣泛應用。