水源热泵空调项目取用水合理性分析

陈 茜

(辽宁省水文水资源勘测局辽阳分局，辽宁辽阳 111000)

1 概述

辽阳市市政府对市健身大厦采用水源热泵供暧和制冷项目就行改造，项目总建筑面积12 659.07 m2，其中地下面积996.15 m2，地上建筑面积11 494.26 m2。在地上11 494.26 m2面积中:游泳馆和健身馆面积为8 604.46 m2，训练馆面积为2 234.42 m2，其他建筑面积为设备用房。

项目拟在所在地提取地下水做为地温空调机组水源，共拟建5眼抽水井、9眼回灌井。

该系统运行最大负荷时，游泳馆需水量为204 m3/h，项目年用水量90.79万m3;训练馆需水量为78.5 m3/h，项目年用水量31.89万 m3。

而辽阳市区多年平均地下水资源量21 939万 m3，地下水资源可开采量为18 540万m3。

2 取水合理性分析

在20世纪90年代以后，对于取暖方式开始有新的尝试和探讨，特别是随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国能源利用的结构正在转变，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。

但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵机组就是比较理想的一种设备[1]。

水源热泵中央空调取代了锅炉，没有燃烧、排烟以及燃料存放的污染，也不需要燃料场地，不会产生城市热岛效应，对环境非常有利，是理想的绿色环保产品。

水源热泵中央空调系统所利用的地下水是密封循环的，避免了冷却塔的水污染现象，并实现了水的零消耗[2]。

此外，水源热泵机组结构特殊，制冷剂充注量减少了25%，节能经济。

辽阳市区多年平均地下水资源量21 939万m3，地下水资源可开采量为18 540万m3。项目取水区处于太子河冲积扇上，该区地下水资源充沛，补给条件较好，能够满足项目用水要求。

项目建设符合国家产业政策，是节约能源、保护环境、实现可持续发展的需要。项目建设符合所在地区水资源条件，符合国家及地方有关产业政策，项目设计取水方案合理。

3 水源热泵技术分析

水源热泵机组是一种新型节能空调设备，它根据可逆卡诺循环原理，就是通过水井抽取地下水，经过换热程序将这些送回到原先的地下含水层，产生可供市民利用的热能和冷能，实现供暖和制冷[3]。

具体地说:即通过抽水井群将所需地下水取出，通过二次换热或直接将提取出的地下水送至地源热泵机组，在经过提取热量或释放热量后，由回灌井群将地下水送回原含水层中去。

由于循环过程中的地下水仅仅是能量的提取，且在提取能量过程中井水处于封闭状态，并未与空气及其他物质接触，在封闭的环境中将其完全送回原含水层中，故地下水在循环过程中不会遭受任何污染物的污染，不会对地下水环境带来负面影响[4]。水源热泵技术具有如下优点:

1)环保洁净。自由运用地下水水源，相对传统锅炉供暖方式，没有燃烧过程避免了排放任何废气、废水、废渣，使人们远离粉尘、废气和霉菌，是一种理想的“绿色技术”。

2)节水省地。以地下水为载体吸收和释放能量，既不消耗地下水源，也不会对其造成污染;省去锅炉、冷却塔、煤厂等占地面积。

3)节能经济。能源利用率是传统方式的3～4倍;初投资是其他中央空调的2/3。

4)灵活安全。真正做到“一机两用”，冬季供热、夏季供冷;机组灵活安置任何地方节约空间;无储煤、储油等安全隐患;自动化程度高，无需专业人员操控。

5)用途广泛。从寒冷地区至热带均适用，适用各种场所。

6)运行可靠。机组运行稳定一般不受环境温度变化的影响，机组维护简单，主机寿命可达15 a以上。

水源热泵空调系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用、运行灵活且无污染的新型中央空调系统。它间接利用地下水，借助压缩机系统，完成制冷和制热[5]。

它取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式，它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种理想的“绿色技术”。

在几种常用的供热方式中，水源热泵的能量利用系数最高，可达1.4，具体数据详见表1。

表1 不同供暖方式能量利用系数对比分析表

综上所述，水源热泵技术基本上不消耗地下水，对地下水污染轻微。水源热泵技术能量利用系数较高，运行费用较低，经济效益明显。故该建设项目用水过程是合理的。

4 节能与节水措施分析

水源热泵机组根据可逆卡诺循环原理，通过水井抽取地下水，经过换热程序后再将这些水送回到原先的地下含水层，产生可供利用的热能，实现供暖目的[6]。

其工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季则从水源中提取热量，由热泵通过水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中[3]。通常水源热泵消耗1 kW的能量，用户可以得到4 kW以上的热量冷量。水源热泵在用水的过程中只是利用循环水进行热冷交换，把地下水作为热(冷)源，并不消耗水资源(抽灌平衡)。

该系统采用气水分离技术实行封闭式等量取水还水，实现最大程度的节水[7]。

另外采用微机调频供水技术，根据所需温度控制水量。井孔中的潜水泵采用变频控制，变频部分同机组联接，使机组的负荷同水泵的取水量通过机组实行自动控制。使潜水泵提取出的水量与机组所需相一致，这样，不仅可减少潜水泵的过剩消耗，节约电能，还可避免提取过多的水量造成水资源浪费，以便尽可能地保护地下水资源环境，减少对区域水环境的影响[8]。

5 项目的合理用水量分析

项目设计用4台机组进行:空调机组1制热量为1 100 kW、制冷量为1 079 kW，机组制热输入功率为229 kW、制冷输入功率为153 kW;空调机组2制热量为464 kW、制冷量为468 kW，机组制热输入功率为138 kW、制冷输入功率为80 kW。游泳馆蓄能机组3制热量1 703 kW，功率为517 kW;训练馆蓄能机组4制热量531 kW，功率为165 kW。分别计算冬季取暖、夏季制冷的需水量和蓄能需水量。

1)冬季:按提取地下水温差5℃计算机组需水量，计算公式为:

式中:M1为空调机组1需水量，m3/h;Q1为机组1最大制热负荷，kW;P1为机组1输入功率，kW;△t为温差，℃。

式中:M2为空调机组2需水量，m3/h;Q2为机组2最大制热负荷，kW;P2为机组2输入功率，kW;△t为温差，℃。

经计算求得空调机组1冬季制热最大需水量为149.8 m3/h;空调机组2冬季制热最大需水量为56.0 m3/h。

2)夏季:按提取地下水温差6℃计算机组需水量，计算公式为:

M3=(Q3－P3)×0.86÷△t (3)式中:M3为机组1需水量，m3/h;Q3为机组1最大制冷负荷，kW;P3为机组1输入功率，kW;△t为温差，℃。

式中:M4为机组2需水量，m3/h;Q4为机组2最大制冷负荷，kW;P4为机组2输入功率，kW;△t为温差，℃。

经计算求得项目机组1空调制冷最大需水量为176.6 m3/h;机组2空调制冷最大需水量为78.5 m3/h。

3)蓄能:按提取地下水温差5℃计算机组需水量，计算公式为:

式中:M5为机组3需水量，m3/h;Q5为机组3最大制热负荷，kW;P5为机组3输入功率，kW;△t为温差，℃。

式中:M6为机组4需水量，m3/h;Q6为机组4最大制热负荷，kW;P6为机组4输入功率，kW;△t为温差，℃。

经计算求得机组3蓄能最大需水量为204 m3/h;机组4蓄能最大需水量为63 m3/h。

地温空调机组冬季运行系数为0.636，夏季运行系数为 0.802。因此，游泳馆的取水量为每年90.79万m3，小时最大取水量为204 m3;训练馆的取水量为每年31.89万m3，小时最大取水量为78.5 m3。

本项目游泳馆和训练馆用水量分别为90.79万m3和31.89万m3，占多年平均可开采量的0.49%和0.17%，占未开采地下水资源量的5.70%和1.98%。水源热泵中央空调系统在整体循环运转过程中基本不产生水量消耗，同时，由于只是能量的转换，水质变化轻微。经过循环后的地下水会全部回注到含水层中去，对区域地下水资源量不会产生影响。

因此，项目取水不会对水功能区的资源使用产生大的影响。本区水文地质条件较好，水井满负荷运转时最大水位降深为3.46 m，附近又进行了及时等量的回灌，因此不会造成地面沉降，不会危及周边建筑物的安全。

6 结语

项目建设符合国家产业政策，是节约能源、保护环境、实现可持续发展的需要。项目实施不会影响太子河流域水功能区的使用功能和水质目标，符合所在区域水资源配置规划和用水管理要求。

[1]李兵，冯谦诚，刘向华，李红亮.造纸项目水资源论证取用水合理性分析[J].南水北调与水利科技，2009(05):117－119.

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[3]郭贺洁.建设项目取用水合理性分析研究[J].水利建设与管理，2010(11):83－85.

[4]范思源.水源热泵空调应用对地下水系统影响及对策[J].河南水利与南水北调，2013(22):19 －20.

[5]喻李葵，刘婷婷，彭建国，张国强.地表水源热泵空调系统供暖 模 式 优 化 方 法[J].制 冷 与 空 调，2004，4(04):47－51.

[6]端木琳，李震，蒋爽，等.大连星海湾海水源热泵空调系统热扩散数值模拟研究[J].太阳能学报，2008，29(07):32 －36.

[7]杨绍胤.水源热泵空调的特点和应用[J].上海节能，2005(04):70－74.

[8]张卫江，龚建新，谢玉琴，王晓燕.污水源热泵空调系统在乌鲁木齐地区的运用[J].黑龙江水利科技，2010，38(05):3－4.