德丰香格里拉住宅小区地热水源热泵取水探析

2018-08-04杨永康

陕西水利 2018年4期

杨永康

（喀什水文勘测局，新疆喀什 844000）

1 概况

德丰香格里拉住宅小区位于新疆喀什市西二环路东侧。工程规划总用地88030 m2，其中住宅用地126240.97 m2，商业用地11470.58 m2。本工程建楼27座，入户数1566户。为响应国家提倡的绿色建筑理念，节约能源，德丰房地产开发有限责任公司决定对香格里拉住宅小区新建项目采用以地下水作为能源的水源热泵空调系统，进行冬季采暖。本次地源热泵供水总面积为16万m2，地下水源热泵空调系统需抽水井5眼，回水井10眼。

2 项目区水资源状况及取水方案分析

2.1 项目区水资源开发利用分析

喀什市属暖温带大陆性干旱气候，气候干燥，雨量稀少，多年平均降水量76.7 mm，平均蒸发量为1405.8 mm，为平均降水量的22.6倍。可利用的地表水资源量主要来自克孜勒河、吐曼河、恰克马克河三大河流，可用地表水资源总量为2.54×108m3。地下水的补给主要有降水、河道入渗和渠系、田间灌溉入渗、井灌回归入渗及侧向补给等。经计算，喀什市多年平均地下水补给量约0.96亿m3，地下水可开采量约0.45亿m3。能够运行的机电井为166眼，现状年提取地下水量为0.2294×108m3。根据对项目区附近开采井的水温观测，冬季地下水水温在12.0℃左右。冬季和夏季略有变化，夏季地下水温度在16℃左右。

2.2 建设项目业主提出的取用水方案

根据当地水源条件，建设项目业主提出取水水源拟选用第四系浅层地下水，设计井深不大于110 m，取水地点为建设项目区内的安全地带，取水井5眼，回灌井10眼。水质要求以不堵塞、不腐蚀机组为原则。退水方案为：通过水源热泵交换热量后的地下水通过回灌井回灌到相同地下含水层，回灌量与取水量基本相同（输送过程中的损失小于2‰）。回灌方式拟采用重力回灌。

3 建设项目取用水合理性分析

3.1 取水合理性分析

地温空调系统以地能为主要能源，以电能为辅助能源，开发利用地下取之不竭但不易利用的低位能源，通过水源热泵机组变为可利用的高位能。并且循环使用地下水，只在机组水源循环系统提取时释放热能，而后再把水回灌到地下，该系统基本不消耗水量(输送过程中的损失约为2‰)。属于环保、节能项目，符合国家相关产业政策，因此项目取水是合理的。

3.2 用水合理性分析

本项目总采暖面积16万m2。地下水供、回水温度为12℃、7℃；供暖热水供、回水温度为50℃、40℃，因此求出项目供热总需井水量。

总需井水量=（需热量-Q）×0.86/△t=（需热量-Q）×0.86/(12-7)=780m3/h

根据自然气候特点和建筑结构设计情况，日平均工作时间按12 h，则循环系统最大日需水量（制热）为9360 m3／d。拟建项目制冷、供暖负荷按《民用建筑节能设计规程》（DB 1 3（J）24-2000），并参照有关规范及水源热泵工程的设计经验确定，供热时的设计循环用水量是基本合理的。根据喀什市供热时间要求，年供热时间为151 d（11月1日至次年3月31日）。平均每天12小时抽水，则计算出冬季用水量为141.34万m3。由此设计的年循环用水量是基本合理的。

4 建设项目取退水分析

4.1 水源选择

水源热泵对水源系统的要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。地表水、地下水，或是处理后的中水等均可作为水源。

地表水热泵系统的热源是池塘、水库、湖泊或河溪中的地表水，资源丰富，用作热泵热源极具潜力，但实际应用尚不广泛。这主要是受喀什自然条件限制，另外热泵的换热对水体中生态环境会有一定负面影响，本项目周围就没有可供利用的地表水资源。而且本项目距污水水源较远，用中水做水源也难以实现。

地下水无论其水质、水温都是适宜的。地下水在向热泵供给或吸收热量之后，返回地下相同含水层，如此往复循环，并无损耗，地下水水源热泵运行的关键是地下水的正常供给和回灌，这方面技术经验已日益完善。喀什市区第四系地下水丰富，水质良好。因此，建设项目取水水源确定为第四系浅层地下水。根据区域地下水资源开发利用现状及取水点位置，确定本建设项目水资源论证地下水分析范围为吐曼河与克孜勒河流域出山口以后平原区部分，即该项目区红线范围为中心向外扩500～1000 m区域作为地下水水源论证范围。

4.2 水源水文地质条件及试验参数分析

喀什市德丰香格里拉住宅小区位于喀什市夏玛勒巴格乡境内。工程区地下水主要为孔隙潜水。克孜河是流经该区的最大河流，是该区地下水的主要补给源，地下水位一般在地面以下5.0～8.0 m。据本次的实地勘探，项目区地下水埋深较小，一般是5.0～8.0 m，最多不超过10.0 m，开采方便，含水层岩性以粉土，砂卵砾石为主，含水层的透水性能好，径流通畅，含水层的贮水性也好，单位涌水量大于5.0 L/s·m，矿化度＞1 g/L。因此，本区地下水的开采条件良好。

本次实地勘探中，根据项目区的实际地质情况，新打了2眼机井，分布在项目区左右侧，根据机井进行了抽水试验。从试验结果看：机井抽水一般在 10～16h，抽水量 236～268.4 m3/h，平均为 252.2 m3/h；单位涌水量 5.0～7.5 L/m·s，平均为 6.2 L/m·s；含水层渗透系数为8.47～9.03 m/d。水文地质抽水试验表明：项目区机井抽水流量较大，地下水补给条件较好，是开发利用地下水较好的地区（见抽水试验成果表1）。

表1 抽水试验成果表

国内的地下水回灌基本上采用人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。本项目采用自然压力回灌试验，泵型为20040潜水泵,功率37 kW,扬程40 m，使用变频器控制流量，22 Hz、26 Hz、24 Hz。相应不同流量 100 m3/h、87 m3/h 与74m3/h，单井回水量80m3/h，水位上升2m，单位涌水量26.6 m3/h·m。水位观测要求与抽水试验相同。含水层回灌渗透系数为K=18.49 m/d，回灌影响半径R=33.41 m。

4.3 抽水井布设的合理性分析

为了满足水源热泵用水量780 m3/h要求，考虑实际生产井采用钢筋骨架缠丝的结构类型，抽水井抽水量不宜过大，参考喀什市附近的实际开采井的情况，为安全起见，因此本次推荐抽水井数布设5眼，单井出水量250 m3/h左右。根据抽水井影响半径250 m，结合现场实际情况，合理井间距应在260 m左右为宜。考虑地形、地下水流向及以后供水水头等原因，建议将5眼抽水井布设在场区东部。原因主要有该区域位于项目区冲洪积扇的下游，潜水埋深浅；打井成本低；上游设回灌井后回灌的水量可以补充抽水井。

4.4 回灌井回水量及布设的合理性分析

由于冲洪积扇中上部，离地面越深的地层卵砾石粒径越大，往上的地层颗粒在减小，同时夹杂着一些少量的土和砂等，使其透水性越来越小。由《喀什市地下水开发建设实施方案》可知该区域单井涌水量在3000～5000 m3/d甚至以上，因此综合考虑该计算中，偏于安全考虑，取渗透系数K为32 m/d进行计算。项目区水源热泵冷暖空调系统通过抽水井群将地下水抽出经过二次换热后，同层回灌地下。通过回灌试验可知，单井设计回灌量取80 m3/h基本可行。要保证最大用水量780 m3/h全部回灌回去，需井数n=780/80=9.8（眼）约10眼，考虑到水源热泵工程使用的可能性，因此回水井数可考虑与抽水井1∶2的关系，及1眼抽水井对应2眼回灌井。根据项目区水文地质条件，将回水井布置为10眼，为防止长期使用形成低温区井间距为L≥260 m为宜，设计涌水高度为2.5～3.0 m。

4.5 取水影响分析

该区域含水层颗粒较粗，渗透能力较大，地下水资源丰富，浅层地温资源非常丰富。水源热泵系统通过抽水井群将地下水抽出经过二次换热后，由回灌井群灌回地下。而该项目水源热泵设计用水的工艺特点：取水后不消耗、无污染，全部同层回灌，加之取水深度在地球浅层恒温带，所以对区域水资源不会产生不利影响。虽然水源热泵抽水井群造成地下水位下降，但由于回灌的作用，其影响范围不大，并且每天用水时间不连续，地下水位有恢复的时间，因此该项目取水是比较合理的，对区域水资源不产生影响。经调查，影响半径的范围内没有其他的取水用户，所以也就不会对其他用户造成不利影响。

4.6 退水影响分析

建设项目退水主要是通过回灌井将水自然回灌至含水层中，根据计算水源热泵系统制热抽取的地下水，可以通过10眼回灌井（包括1眼备用）全部回灌地下，该退水方式提高水循环效率，补充地下水源，保持水温，维持水量平衡，因此退水采用回灌方式是合理的。

根据抽水井与回灌井布设及通过场区附近地下水位变化趋势的初步分析，水源热泵系统运行后，抽水井在确保不抽取含水层中细小颗粒或产生颗粒运移时，抽水对周边环境不会产生影响。对水质也不会有影响，但由于回灌水的水温变化可能引起地下水水中某些菌类发生变化，这需要对水源运行后进一步监测，因此回灌水的水温不宜过高或过低,尽量控制在4℃～18℃。由于水源热泵制热和制冷时回灌水的水温为5℃和18℃，尤其是冬季制热回灌水的水温以及地下水受河水水温的影响，地下水温度场可能会受到影响，因此要求回灌井与抽水井距离应尽量远些。

5 结论与建议

5.1 结论

经过分析和抽水试验资料论证，德丰香格里拉住宅小区采用抽取地下水进行水源热泵供暖，方法可行，水质水量有保障，取水量为780 m3/h，最大单井出水量可以达到250 m3/h以上。考虑安全起见，设计5眼抽水井和10眼回灌井，完全可以满足水源热泵系统用水要求。项目方提出的取水方案和用水方式科学可行，退水对周围环境也没有影响。