鐵嶺城區(qū)水源熱泵可行性研究

孫 鵬，田一鵬，宋興治

(遼寧省水文水資源勘測(cè)局鐵嶺分局，遼寧鐵嶺112000)

水源熱泵是利用地表水、地下水、工業(yè)廢水的常溫資源，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，完成制冷或制熱。熱泵系統(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)。它無須任何人工資源，徹底取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，使人們遠(yuǎn)離粉塵、廢氣和霉菌，是一種理想綠色技術(shù)。

近20年來，地處北溫帶的東北地區(qū)以冬季取暖為主的水源熱泵系統(tǒng)開始推廣使用。近幾年，鐵嶺城區(qū)在經(jīng)過水資源論證基礎(chǔ)上，個(gè)別企業(yè)已有使用。

1 概況

鐵嶺市銀州區(qū)地處遼寧省北部，是鐵嶺市轄區(qū)之一，總面積77 km2，總?cè)丝?2萬。

2012年，銀州區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及各項(xiàng)社會(huì)事業(yè)保持了健康穩(wěn)步發(fā)展，地區(qū)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)85億元，同比增長(zhǎng)20%;財(cái)政預(yù)算收入1.68億元，同比增長(zhǎng)30%;固定資產(chǎn)投資額實(shí)現(xiàn)63億元，同比增長(zhǎng)29%;社會(huì)消費(fèi)品零售總額實(shí)現(xiàn)36億元，同比增長(zhǎng)19%;城鎮(zhèn)居民人均可支配收入1.6萬元。

2 區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)

銀州區(qū)某企業(yè)位置坐落城區(qū)中心偏北，使用水源熱泵已經(jīng)4年。根據(jù)這個(gè)企業(yè)水源熱泵工程水資源論證所進(jìn)行的勘探孔地質(zhì)資料分析，區(qū)域地質(zhì)屬于柴河古河道，地下水排泄方向與柴河流向相同為自東向西和自東向西南。根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算，地下水水面坡度1.2‰左右。

地質(zhì)采樣資料表明，0～2 m深度為市區(qū)建設(shè)回填土，透水性良好。2～4 m深度為亞沙土，均呈黑色，透水性較好。4～17 m深度為中粗粒沙、礫石，中粗粒沙粒徑在1～5 mm之間，礫石礫徑多在5～25 mm之間，中粗粒沙占70%以上，呈黃色，透水性好，此層厚度為13 m。17～18 m深度為粘土、可朔狀，呈灰黃色，透水性較差。18～46 m深度為中粗粒沙夾礫石，顆粒均勻、篩分良好，中粗粒沙占80%，礫石占20%，此層厚度為28 m，透水性好。含水層厚度為39 m，富水性好。地質(zhì)采樣的中粗粒沙和礫石無棱角，具有明顯的古河道沙質(zhì)特征。

3 區(qū)域氣候特征

銀州區(qū)域?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明。特點(diǎn)是雨熱同季、日照豐富、寒冷期長(zhǎng)。一年之中，四季變化明顯，冬季寒冷，夏季炎熱，秋季涼爽，春季溫暖。

根據(jù)近40年資料統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域最大年降水量為1994年的994.3 mm，最小年降水量為2001年的391.5 mm，多年平均降水量為595.0 mm，多年平均20 cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量1 361.2 mm。

4 水源熱泵工程地下水參數(shù)分析

4.1 抽水試驗(yàn)及參數(shù)計(jì)算

銀州區(qū)某企業(yè)水源熱泵供熱面積4.7萬m2，設(shè)計(jì)取水量為(3×120)360 m3/h，根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，單井每小時(shí)抽水120 m3，布設(shè)開采井3眼，回灌井6眼的方案。

取水區(qū)地下水水位埋深6 m，含水層厚度39 m。水井施工深度46 m，井徑0.516 m，降深2.5 m，抽水水量為120 m3;回灌井水位上升0.48 m，單井回灌量為60 m3/h，經(jīng)水資源論證可行。

該供水水源井為潛水完整井，可按如下公式進(jìn)行計(jì)算。

求得 K=31.64 m/d

經(jīng)計(jì)算，本區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，滲透系數(shù)K=31.64 m/d，與區(qū)域水文地質(zhì)特征相比屬于正常狀態(tài)，可以采用。

4.2 回灌試驗(yàn)及參數(shù)計(jì)算

回灌試驗(yàn)是通過對(duì)回灌井直接注水進(jìn)行的，回灌前測(cè)得靜止水位埋深5.98 m，單井回灌水量81m3/h。根據(jù)回灌試驗(yàn)結(jié)果，采用如下公式進(jìn)行回灌滲透系數(shù)及回灌影響半徑的計(jì)算:

求得 K'=65.7 m/d，R'=68.8 m

4.3 回灌井單井干擾回水量的計(jì)算

回灌試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)是地下水處于枯水期，需計(jì)算干擾時(shí)的單井回灌量。按照水源熱泵應(yīng)用原理，盡可能使回灌井遠(yuǎn)離取水井，計(jì)算時(shí)采用單排方案計(jì)算單井干擾回水量，公式如下:

根據(jù)工程項(xiàng)目，1眼取水井和兩眼回灌水井設(shè)計(jì)方案，即單井抽水120 m3/h，分別以60 m3/h回灌到兩眼回灌井中，并且按回灌井最近26.5m進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)水位上升0.80m時(shí)，回灌井單井干擾回水量為1 725 m3/d，合71.9 m3/h，是滿足回灌要求的。

5 取水退水合理性及其水環(huán)境影響分析

5.1 用水過程合理性分析

根據(jù)地下水水源熱泵工作原理:通過抽水井群將所需地下水取出，進(jìn)入二次換熱或直接將提取出的地下水送至水源熱泵機(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至原含水層中。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)接觸而在封閉的環(huán)境中將其完全送回原含水層中，因此，用水過程和退水過程都是合理的。

5.2 取水水質(zhì)合理性分析

根據(jù)地下水水質(zhì)化驗(yàn)成果，地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及管道有弱腐蝕性，只要在水源熱泵空調(diào)用水過程中，注意其鋼管道和鋼結(jié)構(gòu)的弱腐蝕作用，以避免其對(duì)供水管道造成破壞，是可以作為水源熱泵的供水水源。

5.3 退水影響分析

水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在整體循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)過程不會(huì)產(chǎn)生水量消耗，同時(shí)，由于只是能量的置換，也不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生任何變化。因此，經(jīng)過循環(huán)后的地下水全部注回原含水層中去，對(duì)區(qū)域地下水資源不會(huì)產(chǎn)生影響。但由于冬季抽取地下水會(huì)提取其熱量，這樣一般會(huì)導(dǎo)致回注后的地下水較原抽取出的地下水水溫下降3～6℃，回注地下水水溫多在8℃左右。夏季主要用于制冷，經(jīng)過能量置換后的地下水一般會(huì)比原來取出的地下水溫上升3～6℃，一般回注到含水層的地下水溫大約在15℃左右。經(jīng)過這種能量置換后的地下水由于只是通過物理方式并未對(duì)地下水產(chǎn)生化學(xué)作用，一般認(rèn)為對(duì)區(qū)域地下水質(zhì)不會(huì)造成影響。當(dāng)然，由于水源熱泵在我國(guó)的應(yīng)用尚處在起步階段，這種觀點(diǎn)還只是在理論上的理解，具體還需實(shí)踐的驗(yàn)證，建議加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)語

通過以上分析研究，銀州城區(qū)使用水源熱泵是可行的。銀州城區(qū)現(xiàn)有95%以上的居民和企業(yè)冬季取暖或中央空調(diào)目前都使用集中燃料燃燒和電力供應(yīng)，只有極少數(shù)使用水源熱泵，發(fā)展水源熱泵綠色技術(shù)潛力很大，應(yīng)予得到擴(kuò)大使用。

［1］鐵嶺市人民政府地方志辦公室.鐵嶺年鑒.沈陽:遼寧民族出版社.2012.12.

［2］薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)原理.北京:地質(zhì)出版社.1986.

［3］劉正峰.水文地質(zhì)手冊(cè).北京:銀聲音像出版社.2005.