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        水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取用水合理性分析

        2019-04-23 02:52:18敏,郭
        陜西水利 2019年3期
        關(guān)鍵詞:鎮(zhèn)安縣補(bǔ)給量滲透系數(shù)

        李 敏,郭 敏

        (1.陜西省鎮(zhèn)安縣水保工程隊(duì),陜西 鎮(zhèn)安 711500;2.陜西省鎮(zhèn)安縣水保物資站,陜西 鎮(zhèn)安 711500)

        0 前言

        水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統(tǒng)。地下水僅作為載體將地溫帶至機(jī)組,借助壓縮機(jī)系統(tǒng),完成制冷制熱,不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣,抽出的地下水全部回入地層中,反復(fù)循環(huán)使用,基本不消耗水資源。該技術(shù)的推廣應(yīng)用可有效緩解當(dāng)前住宅建筑能耗不斷增長、環(huán)境污染嚴(yán)重和能源短缺的現(xiàn)狀,對環(huán)境保護(hù)、節(jié)約水資源、推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

        鎮(zhèn)安縣醫(yī)院門診綜合樓建設(shè)項(xiàng)目屬新建,建設(shè)項(xiàng)目地點(diǎn)位于商洛市鎮(zhèn)安縣澇巷街與南新街十字西南角的鎮(zhèn)安縣醫(yī)院院內(nèi)。建設(shè)的門診、檢驗(yàn)中心、辦公樓供暖、制冷采用節(jié)能、環(huán)保、無污染的中央水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),面積16500 m2,設(shè)計(jì)系統(tǒng)井水口水溫14℃~17℃,設(shè)計(jì)最大循環(huán)水量161 m3/h,回灌量161 m3/h。項(xiàng)目取用水分兩部分,一部分為生活、綠化、餐飲用水,由市政管網(wǎng)提供;另一部分為水源熱泵空調(diào)用水,包括供冷、制熱循環(huán)用水,取自項(xiàng)目場地地下水。本文結(jié)合項(xiàng)目區(qū)基本情況,對鎮(zhèn)安縣醫(yī)院門診綜合樓建設(shè)項(xiàng)目水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取用水方案合理性進(jìn)行分析。

        1 建設(shè)項(xiàng)目取用水方案

        1.1 取水方案

        水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)用水取自擬建場地內(nèi)地下水,采用鑿井取水,通過機(jī)組管道將地下水輸送到熱泵機(jī)組,經(jīng)提取熱、冷能后再回灌至地層中。

        1.2 用水方案

        1.2.1 水量

        建筑面積17500 m2,其中設(shè)計(jì)水源熱泵空調(diào)使用面積16500 m2,設(shè)計(jì)安裝2 臺水源熱泵機(jī)組,最大冷負(fù)荷1400 kW,最大熱負(fù)荷1120 kW,提取地下水溫差冬季6℃,夏季8℃,水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建成后年正常運(yùn)行228 天,計(jì)算地下水最大循環(huán)利用水量56.07×104m3/a。

        1.2.2 水溫

        本項(xiàng)目水源熱泵機(jī)組運(yùn)行設(shè)計(jì)進(jìn)口水溫14℃~17℃。

        1.2.3 水質(zhì)

        從保證地下水安全回灌及水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行的角度,地下水盡可能不直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組。據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005),直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組的地下水水質(zhì)應(yīng)滿足以下要求:水源水質(zhì)要求pH 值6.5~8.5,氧化鈣含量小于200 mg/L,礦化度小于3000 mg/L,F(xiàn)e2+、Fe3+含量小于1.0 mg/L,Cl-離子含量小于100 mg/L,SO42-離子含量小于200 mg/L,含砂量小于1/20 萬。

        2 用水節(jié)水工藝分析

        水源熱泵機(jī)組工作原理是由電能驅(qū)動壓縮機(jī),制冷時(shí),井水為機(jī)組的排熱源,制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā),制取7℃~12℃冷水,制冷劑再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸汽,進(jìn)入冷凝器,由末端風(fēng)機(jī)供給用戶,同時(shí)由回水管道帶走井水排至井中;制熱時(shí),井水為機(jī)組的吸熱源,制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸取井水的熱量蒸發(fā),經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸汽,進(jìn)入蒸發(fā)器,加熱循環(huán)水,制取40℃~55℃的熱水經(jīng)末端風(fēng)機(jī)供給用戶,同時(shí)由回水管道帶走井水排至井中,用水工藝合理。

        3 項(xiàng)目用水量分析

        水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、供冷供暖兩用且無污染的新型能源系統(tǒng)。地下水僅作為載體將地溫帶至機(jī)組,借助壓縮機(jī)系統(tǒng),完成制冷制熱,不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣,抽出的地下水全部回入地層中,基本不消耗水資源(見圖 1)。

        圖1 建設(shè)項(xiàng)目取用水平衡圖

        3.1 地下水最大循環(huán)利用量

        根據(jù)主機(jī)冷、熱負(fù)荷和地下水利用溫差,計(jì)算該項(xiàng)目每小時(shí)單位地下水循環(huán)利用量,再通過機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間推算年利用水規(guī)模。

        根據(jù)建筑物冷、熱負(fù)荷參數(shù),采用《淺層地?zé)崮芸辈樵u價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0225-2009)中的公式A.10 計(jì)算地下水最大循環(huán)利用量,計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1。

        式中:Qh為主機(jī)房冷、熱負(fù)荷,單位:kW;qw為地下水循環(huán)利用量,單位:m3/d;ΔT 為制冷、采暖期地下水利用溫差,單位:℃;ρw為水密度,1×103kg/m3;Cw為水比熱容,4.18 kJ/kg·℃。

        表1 地下水最大循環(huán)利用量計(jì)算表

        由表1 可知,項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)夏季地下水最大循環(huán)量為151 m3/h、冬季地下水最大循環(huán)量為161 m3/h。

        3.2 年利用水規(guī)模確定

        鎮(zhèn)安地區(qū),夏季制冷期從6 月1 日~8 月31 日,3 個(gè)月共92 天;冬季采暖期從11 月15 日至翌年3 月15 日,4 個(gè)月共121 天。

        考慮門診綜合樓特點(diǎn),每天運(yùn)行時(shí)間取值24 小時(shí),其中每日8 時(shí)至20 時(shí),使用率為100%,20 時(shí)至次日8 時(shí),使用率為40%。

        計(jì)算得本項(xiàng)目年利用水規(guī)模為56.07 萬m3,其中制冷期利用水量為23.34 萬m3,采暖期利用水量為32.73 萬m3。

        4 水源方案合理性分析

        4.1 水源選擇

        建設(shè)項(xiàng)目位于縣河一級階地,論證范圍縣河由于受降水影響,水量不穩(wěn)定,且洪水期泥沙含量高,冬季水溫低,不宜做為水源熱泵用水。論證區(qū)潛水含水層厚度較大,顆粒粗,地下水循環(huán)積極,水資源較豐富,水溫相對穩(wěn)定,水質(zhì)好,確定建設(shè)項(xiàng)目水源熱泵取用地下水,取水井位于項(xiàng)目區(qū)場地空地,采用地下水源方案是合理的。

        4.2 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

        論證區(qū)松散巖類孔隙水的主要補(bǔ)給源為河水、降水入滲和上游地下徑流補(bǔ)給,河流側(cè)向滲漏是漫灘、一級階地區(qū)徑流補(bǔ)給的主要補(bǔ)給源,區(qū)內(nèi)含水層主要為砂礫石,滲透強(qiáng)。潛水的排泄主要以側(cè)向徑流及泉的形式排入河流。

        4.3 地下水補(bǔ)給量計(jì)算

        4.3.1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

        (1)滲透系數(shù)、影響半徑計(jì)算

        水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算主要根據(jù)抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),本次抽水試驗(yàn)抽1#,觀測2#,抽2#,觀測1#,采用潛水完整井有一個(gè)觀測孔穩(wěn)定流公式(1)計(jì)算含水層滲透系數(shù):

        式中:K 為含水層滲透系數(shù),m/d;Q 為抽水井出水量,m3/d;H 為含水層厚度,m;S1為觀測孔水位降深,m;r1為觀測孔距主孔距離,15 m;SW為抽水孔水位降深,m;rw為抽水孔半徑,0.1885 m。

        計(jì)算結(jié)果:1#井滲透系數(shù) 158.79 m/d,2#井滲透系數(shù)167.23 m/d,滲透系數(shù)平均值為163.01 m/d。

        (2)影響半徑計(jì)算

        當(dāng)抽水時(shí),出水量和水位降深如能達(dá)到穩(wěn)定,說明含水層的補(bǔ)給能滿足單井抽水的要求,此時(shí),以抽水井為中心的水位影響范圍即會出現(xiàn)一個(gè)邊界,它可隨出水量的增大而向周圍擴(kuò)展。這種反映含水層對點(diǎn)井的補(bǔ)給能力的參數(shù)稱為影響半徑。

        影響半徑采用潛水試驗(yàn)公式計(jì)算:

        式中:R 為影響半徑,m;H 為含水層厚度,m;S 為抽水井降深,m;K 為含水層滲透系數(shù),m/d。

        計(jì)算結(jié)果:1#井影響半徑為74.20 m,2#井影響半徑為74.60 m,影響半徑平均值為74.40 m。本項(xiàng)目為群孔抽水,含水層各向均質(zhì),位于河旁,根據(jù)水文地質(zhì)手冊,群孔抽水影響半徑為井群中心到河岸距離的兩倍,即300 m。

        4.3.2 地下水補(bǔ)給量計(jì)算

        據(jù)場地含水巖組水文地質(zhì)特征,場地地下水的補(bǔ)給源主要為地下徑流補(bǔ)給和大氣降水滲入補(bǔ)給。

        (1)地下徑流補(bǔ)給采用下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中:K 為含水層滲透系數(shù),取163.01 m/d;I 為水力坡度,自然條件下水力坡度取值為0.003;B 為補(bǔ)給帶寬度,按600 m 計(jì);H為含水層厚度,取13.00 m。

        計(jì)算結(jié)果,地下水徑流補(bǔ)給量為5085.91 m3/d。

        (2)降水入滲補(bǔ)給量

        采用下式進(jìn)行計(jì)算,參數(shù)參照《陜西秦巴山區(qū)東部區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》取值:

        式中:Q 為降水入滲補(bǔ)給量,m3/a;X 為年降水量,多年平均降水量0.752 m,有效降雨量按降水量72%計(jì)算為0.541 m;a 為降雨入滲系數(shù),取0.36;F 為降水滲入面積,因道路建筑物覆蓋,按論證區(qū)30%計(jì)算,84780 m2。

        計(jì)算結(jié)果,論證范圍內(nèi)降雨入滲補(bǔ)給量為45.24 m3/d。

        經(jīng)計(jì)算,論證區(qū)地下水徑流補(bǔ)給量為5085.91 m3/d,降雨入滲量45.24 m3/d(17539.2 m3/a),地下水總補(bǔ)給量為5131.15 m3/d。

        4.4 地下水可開采量計(jì)算

        4.4.1 論證區(qū)及外圍開采戶情況

        據(jù)調(diào)查,距鎮(zhèn)安縣醫(yī)院井群210 m,有鎮(zhèn)安縣縣城供水應(yīng)急水源井一口,井深22 m,井徑6 m,井管為現(xiàn)澆水泥管,供水井在遇縣城供水管網(wǎng)水質(zhì)變渾、色度超標(biāo)、供水水源不足情況下使用,出水量100 m3/h,2015 年~2017 年統(tǒng)計(jì)平均每年使用30 天~35 天,年開采量約8 萬m3。論證區(qū)周邊已有龍鼎國際、天坤都市、鎮(zhèn)安縣中醫(yī)醫(yī)院水源熱泵空調(diào)項(xiàng)目,與本項(xiàng)目區(qū)距離分別為310 m、430 m、1.1 km,均在論證范圍以外,各水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)自成一個(gè)抽灌平衡場,對論證區(qū)內(nèi)地下水基本不消耗。

        4.4.2 地下水可開采量計(jì)算

        大氣降水是分析區(qū)地表水、地下水的補(bǔ)給來源,降雨量與地表水徑流量密切相關(guān)且直接影響地下水補(bǔ)給量。在豐水年,地下水位上升,可開采量增大,在枯水年,地下水位下降,可開采量減少,論證區(qū)地下水可開采量采用多年連續(xù)降水量保證率比擬法估算。

        采用降水頻率年計(jì)算地下水允許開采量,將鎮(zhèn)安縣青泥灣水文站1997 年~2017 年降水量資料從大到小排列,用公式P=m/(n+1)(式中m 為序號,n 為序列長度)計(jì)算降水頻率年,25%頻率年降水量887.7 mm,50%頻率年降水量713.9 mm,75%頻率年降水量646.3 mm,據(jù)統(tǒng)計(jì)2017 年降水量995.2 mm,屬豐水年,本次試驗(yàn)井施工期據(jù)項(xiàng)目區(qū)周邊縣市降水量統(tǒng)計(jì),屬偏豐年。為估算項(xiàng)目區(qū)偏枯年地下水源保證程度,采用降水豐水年與偏枯年比值,推算論證區(qū)偏枯年地下水補(bǔ)給量。將75%頻率年降水量與2017 年降水量相比得64.94%,論證區(qū)地下水總補(bǔ)給量5131.15 m3/d,用計(jì)算豐水年補(bǔ)給量乘以64.94%為3332.17 m3/d,按照《地下水資源勘察規(guī)范》(SL454-2010)開采條件良好,單位涌水量大于10 m3/h·m,可開采系數(shù)一般為0.8~0.9,本次可開采系數(shù)取0.85,計(jì)算區(qū)內(nèi)枯水期可開采資源量2832.34 m3/d,正常情況可滿足水源熱泵2705 m3/d 用水量。

        5 對水環(huán)境及其他用戶的影響分析

        5.1 對水環(huán)境的影響分析

        本項(xiàng)目所取地下水為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)用水,只提取水中熱冷能,且水在封閉管道中運(yùn)行,水質(zhì)基本無變化,取水對水環(huán)境影響甚微。

        5.2 對其他用戶的影響分析

        據(jù)調(diào)查,取水影響論證范圍內(nèi)居民生活飲用水均為城區(qū)自來水管網(wǎng)提供,僅在項(xiàng)目區(qū)東部有一應(yīng)急備用水源井,年使用天數(shù)30 天~35 天,年用水量約8 萬m3,暫無其他地下水取水用戶,項(xiàng)目循環(huán)尾水回入地層中,地下水量抽灌一致,對其它用水戶取用水基本不產(chǎn)生影響。

        6 結(jié)論及建議

        6.1 結(jié)論

        1)水源熱泵機(jī)組工作原理是由電能驅(qū)動壓縮機(jī),用水工藝合理。

        2)系統(tǒng)為循環(huán)用水,基本無水資源消耗。經(jīng)計(jì)算,項(xiàng)目年利用水規(guī)模為56.07 萬m3。

        3)取水井位于項(xiàng)目區(qū)場地空地,采用地下水源方案是合理的;潛水的排泄主要以側(cè)向徑流及泉的形式排入河流;,計(jì)算區(qū)內(nèi)枯水期可開采資源量2832.34 m3/d,正常情況可滿足水源熱泵2705 m3/d 用水量。

        4)本項(xiàng)目所取地下水為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)用水,只提取水中熱冷能,且水在封閉管道中運(yùn)行,水質(zhì)基本無變化,取水對水環(huán)境影響甚微;對其它用水戶取用水基本不產(chǎn)生影響。

        6.2 建議

        1)水源熱泵項(xiàng)目用水關(guān)鍵環(huán)節(jié)是退水回灌,在水源熱泵機(jī)組運(yùn)行期間,應(yīng)加強(qiáng)管理,調(diào)整好單井回灌量,抽、回水井輪換使用,防止回水溢出井口浪費(fèi)水資源。

        2)水源熱泵運(yùn)行時(shí)建筑商應(yīng)進(jìn)行地面沉降觀測,確保運(yùn)行期間建筑物安全。

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