水源熱泵空調(diào)項(xiàng)目取用水合理性分析

陳 茜

(遼寧省水文水資源勘測局遼陽分局，遼寧遼陽 111000)

1 概述

遼陽市市政府對市健身大廈采用水源熱泵供曖和制冷項(xiàng)目就行改造，項(xiàng)目總建筑面積12 659.07 m2，其中地下面積996.15 m2，地上建筑面積11 494.26 m2。在地上11 494.26 m2面積中:游泳館和健身館面積為8 604.46 m2，訓(xùn)練館面積為2 234.42 m2，其他建筑面積為設(shè)備用房。

項(xiàng)目擬在所在地提取地下水做為地溫空調(diào)機(jī)組水源，共擬建5眼抽水井、9眼回灌井。

該系統(tǒng)運(yùn)行最大負(fù)荷時(shí)，游泳館需水量為204 m3/h，項(xiàng)目年用水量90.79萬m3;訓(xùn)練館需水量為78.5 m3/h，項(xiàng)目年用水量31.89萬 m3。

而遼陽市區(qū)多年平均地下水資源量21 939萬 m3，地下水資源可開采量為18 540萬m3。

2 取水合理性分析

在20世紀(jì)90年代以后，對于取暖方式開始有新的嘗試和探討，特別是隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的提高，世界和中國能源利用的結(jié)構(gòu)正在轉(zhuǎn)變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。

但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機(jī)組就是比較理想的一種設(shè)備[1]。

水源熱泵中央空調(diào)取代了鍋爐，沒有燃燒、排煙以及燃料存放的污染，也不需要燃料場地，不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)，對環(huán)境非常有利，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)所利用的地下水是密封循環(huán)的，避免了冷卻塔的水污染現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了水的零消耗[2]。

此外，水源熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)特殊，制冷劑充注量減少了25%，節(jié)能經(jīng)濟(jì)。

遼陽市區(qū)多年平均地下水資源量21 939萬m3，地下水資源可開采量為18 540萬m3。項(xiàng)目取水區(qū)處于太子河沖積扇上，該區(qū)地下水資源充沛，補(bǔ)給條件較好，能夠滿足項(xiàng)目用水要求。

項(xiàng)目建設(shè)符合國家產(chǎn)業(yè)政策，是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。項(xiàng)目建設(shè)符合所在地區(qū)水資源條件，符合國家及地方有關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，項(xiàng)目設(shè)計(jì)取水方案合理。

3 水源熱泵技術(shù)分析

水源熱泵機(jī)組是一種新型節(jié)能空調(diào)設(shè)備，它根據(jù)可逆卡諾循環(huán)原理，就是通過水井抽取地下水，經(jīng)過換熱程序?qū)⑦@些送回到原先的地下含水層，產(chǎn)生可供市民利用的熱能和冷能，實(shí)現(xiàn)供暖和制冷[3]。

具體地說:即通過抽水井群將所需地下水取出，通過二次換熱或直接將提取出的地下水送至地源熱泵機(jī)組，在經(jīng)過提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群將地下水送回原含水層中去。

由于循環(huán)過程中的地下水僅僅是能量的提取，且在提取能量過程中井水處于封閉狀態(tài)，并未與空氣及其他物質(zhì)接觸，在封閉的環(huán)境中將其完全送回原含水層中，故地下水在循環(huán)過程中不會遭受任何污染物的污染，不會對地下水環(huán)境帶來負(fù)面影響[4]。水源熱泵技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)環(huán)保潔凈。自由運(yùn)用地下水水源，相對傳統(tǒng)鍋爐供暖方式，沒有燃燒過程避免了排放任何廢氣、廢水、廢渣，使人們遠(yuǎn)離粉塵、廢氣和霉菌，是一種理想的“綠色技術(shù)”。

2)節(jié)水省地。以地下水為載體吸收和釋放能量，既不消耗地下水源，也不會對其造成污染;省去鍋爐、冷卻塔、煤廠等占地面積。

3)節(jié)能經(jīng)濟(jì)。能源利用率是傳統(tǒng)方式的3～4倍;初投資是其他中央空調(diào)的2/3。

4)靈活安全。真正做到“一機(jī)兩用”，冬季供熱、夏季供冷;機(jī)組靈活安置任何地方節(jié)約空間;無儲煤、儲油等安全隱患;自動化程度高，無需專業(yè)人員操控。

5)用途廣泛。從寒冷地區(qū)至熱帶均適用，適用各種場所。

6)運(yùn)行可靠。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定一般不受環(huán)境溫度變化的影響，機(jī)組維護(hù)簡單，主機(jī)壽命可達(dá)15 a以上。

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、節(jié)資、冷暖兩用、運(yùn)行靈活且無污染的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。它間接利用地下水，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，完成制冷和制熱[5]。

它取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的“綠色技術(shù)”。

在幾種常用的供熱方式中，水源熱泵的能量利用系數(shù)最高，可達(dá)1.4，具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 不同供暖方式能量利用系數(shù)對比分析表

綜上所述，水源熱泵技術(shù)基本上不消耗地下水，對地下水污染輕微。水源熱泵技術(shù)能量利用系數(shù)較高，運(yùn)行費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。故該建設(shè)項(xiàng)目用水過程是合理的。

4 節(jié)能與節(jié)水措施分析

水源熱泵機(jī)組根據(jù)可逆卡諾循環(huán)原理，通過水井抽取地下水，經(jīng)過換熱程序后再將這些水送回到原先的地下含水層，產(chǎn)生可供利用的熱能，實(shí)現(xiàn)供暖目的[6]。

其工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季則從水源中提取熱量，由熱泵通過水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中[3]。通常水源熱泵消耗1 kW的能量，用戶可以得到4 kW以上的熱量冷量。水源熱泵在用水的過程中只是利用循環(huán)水進(jìn)行熱冷交換，把地下水作為熱(冷)源，并不消耗水資源(抽灌平衡)。

該系統(tǒng)采用氣水分離技術(shù)實(shí)行封閉式等量取水還水，實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)水[7]。

另外采用微機(jī)調(diào)頻供水技術(shù)，根據(jù)所需溫度控制水量。井孔中的潛水泵采用變頻控制，變頻部分同機(jī)組聯(lián)接，使機(jī)組的負(fù)荷同水泵的取水量通過機(jī)組實(shí)行自動控制。使?jié)撍锰崛〕龅乃颗c機(jī)組所需相一致，這樣，不僅可減少潛水泵的過剩消耗，節(jié)約電能，還可避免提取過多的水量造成水資源浪費(fèi)，以便盡可能地保護(hù)地下水資源環(huán)境，減少對區(qū)域水環(huán)境的影響[8]。

5 項(xiàng)目的合理用水量分析

項(xiàng)目設(shè)計(jì)用4臺機(jī)組進(jìn)行:空調(diào)機(jī)組1制熱量為1 100 kW、制冷量為1 079 kW，機(jī)組制熱輸入功率為229 kW、制冷輸入功率為153 kW;空調(diào)機(jī)組2制熱量為464 kW、制冷量為468 kW，機(jī)組制熱輸入功率為138 kW、制冷輸入功率為80 kW。游泳館蓄能機(jī)組3制熱量1 703 kW，功率為517 kW;訓(xùn)練館蓄能機(jī)組4制熱量531 kW，功率為165 kW。分別計(jì)算冬季取暖、夏季制冷的需水量和蓄能需水量。

1)冬季:按提取地下水溫差5℃計(jì)算機(jī)組需水量，計(jì)算公式為:

式中:M1為空調(diào)機(jī)組1需水量，m3/h;Q1為機(jī)組1最大制熱負(fù)荷，kW;P1為機(jī)組1輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M2為空調(diào)機(jī)組2需水量，m3/h;Q2為機(jī)組2最大制熱負(fù)荷，kW;P2為機(jī)組2輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經(jīng)計(jì)算求得空調(diào)機(jī)組1冬季制熱最大需水量為149.8 m3/h;空調(diào)機(jī)組2冬季制熱最大需水量為56.0 m3/h。

2)夏季:按提取地下水溫差6℃計(jì)算機(jī)組需水量，計(jì)算公式為:

M3=(Q3－P3)×0.86÷△t (3)式中:M3為機(jī)組1需水量，m3/h;Q3為機(jī)組1最大制冷負(fù)荷，kW;P3為機(jī)組1輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M4為機(jī)組2需水量，m3/h;Q4為機(jī)組2最大制冷負(fù)荷，kW;P4為機(jī)組2輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經(jīng)計(jì)算求得項(xiàng)目機(jī)組1空調(diào)制冷最大需水量為176.6 m3/h;機(jī)組2空調(diào)制冷最大需水量為78.5 m3/h。

3)蓄能:按提取地下水溫差5℃計(jì)算機(jī)組需水量，計(jì)算公式為:

式中:M5為機(jī)組3需水量，m3/h;Q5為機(jī)組3最大制熱負(fù)荷，kW;P5為機(jī)組3輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

式中:M6為機(jī)組4需水量，m3/h;Q6為機(jī)組4最大制熱負(fù)荷，kW;P6為機(jī)組4輸入功率，kW;△t為溫差，℃。

經(jīng)計(jì)算求得機(jī)組3蓄能最大需水量為204 m3/h;機(jī)組4蓄能最大需水量為63 m3/h。

地溫空調(diào)機(jī)組冬季運(yùn)行系數(shù)為0.636，夏季運(yùn)行系數(shù)為 0.802。因此，游泳館的取水量為每年90.79萬m3，小時(shí)最大取水量為204 m3;訓(xùn)練館的取水量為每年31.89萬m3，小時(shí)最大取水量為78.5 m3。

本項(xiàng)目游泳館和訓(xùn)練館用水量分別為90.79萬m3和31.89萬m3，占多年平均可開采量的0.49%和0.17%，占未開采地下水資源量的5.70%和1.98%。水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在整體循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中基本不產(chǎn)生水量消耗，同時(shí)，由于只是能量的轉(zhuǎn)換，水質(zhì)變化輕微。經(jīng)過循環(huán)后的地下水會全部回注到含水層中去，對區(qū)域地下水資源量不會產(chǎn)生影響。

因此，項(xiàng)目取水不會對水功能區(qū)的資源使用產(chǎn)生大的影響。本區(qū)水文地質(zhì)條件較好，水井滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最大水位降深為3.46 m，附近又進(jìn)行了及時(shí)等量的回灌，因此不會造成地面沉降，不會危及周邊建筑物的安全。

6 結(jié)語

項(xiàng)目建設(shè)符合國家產(chǎn)業(yè)政策，是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。項(xiàng)目實(shí)施不會影響太子河流域水功能區(qū)的使用功能和水質(zhì)目標(biāo)，符合所在區(qū)域水資源配置規(guī)劃和用水管理要求。

[1]李兵，馮謙誠，劉向華，李紅亮.造紙項(xiàng)目水資源論證取用水合理性分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2009(05):117－119.

[2]馮德友，呂寶華，謝大勇.建設(shè)項(xiàng)目取用水合理性分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(29):46.

[3]郭賀潔.建設(shè)項(xiàng)目取用水合理性分析研究[J].水利建設(shè)與管理，2010(11):83－85.

[4]范思源.水源熱泵空調(diào)應(yīng)用對地下水系統(tǒng)影響及對策[J].河南水利與南水北調(diào)，2013(22):19 －20.

[5]喻李葵，劉婷婷，彭建國，張國強(qiáng).地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供暖 模 式 優(yōu) 化 方 法[J].制 冷 與 空 調(diào)，2004，4(04):47－51.

[6]端木琳，李震，蔣爽，等.大連星海灣海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱擴(kuò)散數(shù)值模擬研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2008，29(07):32 －36.

[7]楊紹胤.水源熱泵空調(diào)的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].上海節(jié)能，2005(04):70－74.

[8]張衛(wèi)江，龔建新，謝玉琴，王曉燕.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)的運(yùn)用[J].黑龍江水利科技，2010，38(05):3－4.