城市淺部微咸水、咸水開發利用方式探討

陳建標 陳亞楠

一、概述

江蘇省南通地區位于長江入海口，自20 世紀70年代開始開采地下水，很長一段時間內深層地下水是居民生活用水和工業生產的主要供水水源，農村居民的生活用水幾乎全部取自地下水，但是淺部的微咸水由于礦化度較高，水質較差，不宜飲用，歷史上開發利用程度較低。

南通地區微咸水賦存于第Ⅰ承壓含水層中，水質較差，不宜直接飲用，80年代以來，隨著工業企業的迅速發展，紡織、加工業等多取用該層水作為空調降溫用水或其他形式的工業企業冷卻用水。進入21 世紀，隨著冬灌夏用、地下水源熱泵系統等開發利用地下水的技術越發成熟，由于利用形式高效節能環保等優勢，在南通地區越來越受到鼓勵和推崇。

二、南通地區微咸水開發利用現狀

（一）南通市微咸水賦存條件

南通地區第四紀松散沉積物發育，分布范圍廣，厚度達300～400m，由西向東逐漸增大，垂向上多層砂層相互疊置，構成錯縱復雜的含水層系統。根據含水層埋藏深度、沉積年代將其分為淺層水和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓水五個含水層。其中第Ⅰ承壓含水層地下水賦存于地表30～70m 以下，厚度一般40～60m，局部大于60m。

（二）南通市微咸水開發利用形式

南通地區第Ⅰ承壓水水質較差，為礦化度大于1.0g/L 的微咸水～咸水，單井涌水量都在60m3/h 以上。適合工業企業取用，南通市微咸水開發利用早在九十年代工業企業中就開始應用，主要有傳統的車間廠房等的降溫空調和清洗用水等。2000年以來出現一種新的利用方式即冬灌夏用。

1.工業降溫及清洗利用

目前南通市開發利用微咸水用于降溫空調的多為紡織行業，取用微咸水常年恒溫約19℃的特征，抽取地下水，經噴管噴成霧狀后，由風機送入車間空調管道內循環，以達到吸熱降溫的目的。水分在降溫過程中蒸發消耗。

用于清洗用水的企業對清洗水水質要求不高，且年取水規模較大，取用微咸水即可滿足項目需求，例如印染企業，主要作為面料的水洗加工用水。

南通冬灌夏用的企業，主要在夏季氣溫較高時（6～9月），抽取地下水，經噴管噴成霧狀后，由風機送入管道內循環，以達到吸熱降溫的目的。此類項目取用水作為降溫用水，需水量較大，但整個用水過程中僅水溫發生了變化，水質無變化，水量除自然蒸發損耗外，其變化也不大。

2.地下水源熱泵形式利用

以巖土、地下水和地表水為地溫熱源，由水源熱泵機組、淺層地熱能交換系統、建構物內系統組成的空調系統稱為地源熱泵系統。一般行業內取用地下水源的利用形式被稱為地下水源熱泵系統。

地下水源熱泵需要有豐富和穩定的地下水源，它是利用水與地能（特指地下水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量釋放到地下水中，此時地能為“冷源”。

三、南通市地下水源熱泵形式開發微咸水工程實例分析

（一）工程實例概況

1.項目概況

以南通市某工程為例分析，項目建筑總面積37000m2，項目取用地下水作為水源熱泵機組用水，利用地下水進行冷、熱交換，提供整個總部商務樓所需的夏天制冷、冬天制熱的能量以及加熱自來水的熱負荷。根據項目暖通設計分析，該綜合樓制冷制熱量如表1 所示。

表1 建設項目冷熱負荷與運行時間一覽表

2.項目取用水量與井數計算

根據建筑物最大總冷負荷量選取地源熱泵空調機組型號、數量，然后根據選配機組情況利用經驗公式計算地下水用量。

依據項目最大負荷設計，根據熱力學定律，按夏季120 天，春秋季155 天，冬季90 天計算，則項目年總需水量為1476390.36m3，最大需水流量540.682m3/h。

（二）工程實例地下水源熱泵系統完整運行周期地溫場模擬結果

1.抽、灌井正常運行地溫場模擬結果

正常運行指的是在一個完整的運行周期中，抽、灌井不進行互換。根據前期的試驗，發現含水層的給水能力和回灌能力是比較好的，因此本次模擬設計單井抽水量為100m3/h，循環水量100%回灌，因此每個回灌井的流量為50m3/h，采用4 抽8 注，抽灌井情況見表2。初始水溫為18℃，冬季回灌水溫為10℃（日均熱負荷為2400m3×8℃），夏季回灌水溫為28℃（日均熱負荷為2400m3×10℃）。地下水源熱泵系統的一個完整運行周期為1年，劃分為“抽-灌運行”和“停運蓄存”兩個階段，共四個時期，依次為冬季抽-灌運行期（12—3月）、春季停運蓄存期（4—5月）、夏季抽-灌運行期（6—9月）、秋季停運蓄存期（10—11月）。

表2 抽灌井分配表

冬季運行4 個月，即第一個抽-灌運行階段，產生很明顯的“熱貫通”現象；該階段各監測點及抽灌水井處溫度變化呈典型的“對流-彌散”穿透曲線特征，距離回灌井越近，溫度下降越早，趨勢越明顯。春季停運2 個月，即第一個停運蓄存階段，熱量影響范圍變化很小，擴散幅度也很小，各監測點及抽灌井處溫度呈緩慢上升趨勢。夏季仍采用冬季的抽灌井抽水-回灌運行4 個月，即第二個抽灌運行階段，冬季和春季形成的低溫場仍然繼續向外擴散，但在回灌井附近、原冷水中心處形成高溫體，到夏季抽灌運行結束時，冷水體通過熱交換吸收熱水體的溫度后也達到較高溫度，和冬季類似的“熱貫通”現象也有發生，距離回灌井越近，溫度上升越早，升幅越大。秋季停運2 個月，即第2 個停運蓄存階段，原冷水體向外擴散微弱，但在回灌井附近受冷熱水溫度梯度較大（圖1），熱量交換顯著。

圖1 運行周期內抽-灌井及監測井溫度變化曲線圖

2.夏季抽、灌井互換運行地溫場模擬結果

擬建地下水源熱泵系統在上述運行模式下，含水層地下水熱量運移規律呈“階段性”特征，使得冬季末抽水井出水溫度受到回灌井冷水影響，降低了熱泵系統的工作效率；而夏季運行循環熱水仍通過冬季回灌井來回灌，與冬季回灌后的冷水體交換熱量，造成熱能和“冷能”的雙重浪費。所以在技術條件允許下，夏季運行時可采用抽灌井互換的運行方式，即冬季的抽水井換為夏季的回灌井，冬季的回灌井換為夏季的抽水井，即現在為2 抽1注，在抽水量上，由原來的單井100m3/h 轉變為2井100m3/h（單井50m3/h），回灌量由原來的2 井100m3/h（單井50m3/h）轉變為單井100m3/h，其余條件保持不變。

圖2 抽、灌井互換夏季運行至秋季抽-灌井及監測井溫度變化曲線圖

夏季交替抽、灌后，可以看到在運行初期抽水井處的溫度較正常抽、灌運行方式抽水井低，這主要是原回灌井溫度低，低溫水逐漸被抽水井（原回灌井）抽出，冷源被充分的利用，且低溫水向外擴散得很慢，回灌井處（原抽水井）溫度上升，同時也逐漸向抽水井運移。通過對比兩種不同抽灌條件下抽水井處溫度可以發現，夏季抽、灌井互換運行比正常運行效果要好，但是并不能徹底解決“熱貫通”現象，主要原因是設計場地的熱負荷量比較大。

（三）項目經濟社會效益分析

該項目運行后夏季空調制冷所需釋放熱能約為38.024×109kJ，冬季空調供暖吸收熱能量約為20.344×109kJ，全年洗浴水加熱需吸收熱量約為3.44×109kJ，冬夏季冷熱負荷的取用均來自地下水和含水層骨架顆粒，充分利用了區內的淺層地溫能資源。機組運行過程中節約了電能，根據經驗數據和本項目運行的情況分析，空調機組冬季運行時，COP 約為4.2，即投入1kW 電能，可得到4kW 的熱能，夏季運行時，COP 可達5.3，投入1kW 電能，可得到5kW 的冷量，能源利用效率為電采暖方式的3～4倍，大大節約了項目運行成本和經費投入。

四、結論與建議

（1）南通地區屬于“夏熱冬冷”地區，淺層第Ⅰ承壓地下水資源量很大但總體水質較差，利用率很低，特別適合推廣地下水源熱泵技術，從而充分開發利用微咸水資源，同時發揮地下蓄能的作用。

（2）科學的抽灌比、合理的濾水管長度和位置設計以及確保全部回灌成為地下水源熱泵系統應用的關鍵技術。

（3）建議開展區域咸水-微咸水調查評價和淺層地熱能資源基礎調查工作，為微咸水-咸水的科學合理開發利用提供基礎依據。

（4）建議開展地下水源熱泵項目的運行期監管工作，包括地下水位、回灌量、地下水溫度場監測，并進一步開展運行期地下水溫度場變化研究工作■