城市浅部微咸水、咸水开发利用方式探讨

2022-08-16陈建标陈亚楠

治淮 2022年7期

陈建标陈亚楠

一、概述

江苏省南通地区位于长江入海口，自20 世纪70年代开始开采地下水，很长一段时间内深层地下水是居民生活用水和工业生产的主要供水水源，农村居民的生活用水几乎全部取自地下水，但是浅部的微咸水由于矿化度较高，水质较差，不宜饮用，历史上开发利用程度较低。

南通地区微咸水赋存于第Ⅰ承压含水层中，水质较差，不宜直接饮用，80年代以来，随着工业企业的迅速发展，纺织、加工业等多取用该层水作为空调降温用水或其他形式的工业企业冷却用水。进入21 世纪，随着冬灌夏用、地下水源热泵系统等开发利用地下水的技术越发成熟，由于利用形式高效节能环保等优势，在南通地区越来越受到鼓励和推崇。

二、南通地区微咸水开发利用现状

（一）南通市微咸水赋存条件

南通地区第四纪松散沉积物发育，分布范围广，厚度达300～400m，由西向东逐渐增大，垂向上多层砂层相互叠置，构成错纵复杂的含水层系统。根据含水层埋藏深度、沉积年代将其分为浅层水和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承压水五个含水层。其中第Ⅰ承压含水层地下水赋存于地表30～70m 以下，厚度一般40～60m，局部大于60m。

（二）南通市微咸水开发利用形式

南通地区第Ⅰ承压水水质较差，为矿化度大于1.0g/L 的微咸水～咸水，单井涌水量都在60m3/h 以上。适合工业企业取用，南通市微咸水开发利用早在九十年代工业企业中就开始应用，主要有传统的车间厂房等的降温空调和清洗用水等。2000年以来出现一种新的利用方式即冬灌夏用。

1.工业降温及清洗利用

目前南通市开发利用微咸水用于降温空调的多为纺织行业，取用微咸水常年恒温约19℃的特征，抽取地下水，经喷管喷成雾状后，由风机送入车间空调管道内循环，以达到吸热降温的目的。水分在降温过程中蒸发消耗。

用于清洗用水的企业对清洗水水质要求不高，且年取水规模较大，取用微咸水即可满足项目需求，例如印染企业，主要作为面料的水洗加工用水。

南通冬灌夏用的企业，主要在夏季气温较高时（6～9月），抽取地下水，经喷管喷成雾状后，由风机送入管道内循环，以达到吸热降温的目的。此类项目取用水作为降温用水，需水量较大，但整个用水过程中仅水温发生了变化，水质无变化，水量除自然蒸发损耗外，其变化也不大。

2.地下水源热泵形式利用

以岩土、地下水和地表水为地温热源，由水源热泵机组、浅层地热能交换系统、建构物内系统组成的空调系统称为地源热泵系统。一般行业内取用地下水源的利用形式被称为地下水源热泵系统。

地下水源热泵需要有丰富和稳定的地下水源，它是利用水与地能（特指地下水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量释放到地下水中，此时地能为“冷源”。

三、南通市地下水源热泵形式开发微咸水工程实例分析

（一）工程实例概况

1.项目概况

以南通市某工程为例分析，项目建筑总面积37000m2，项目取用地下水作为水源热泵机组用水，利用地下水进行冷、热交换，提供整个总部商务楼所需的夏天制冷、冬天制热的能量以及加热自来水的热负荷。根据项目暖通设计分析，该综合楼制冷制热量如表1 所示。

表1 建设项目冷热负荷与运行时间一览表

2.项目取用水量与井数计算

根据建筑物最大总冷负荷量选取地源热泵空调机组型号、数量，然后根据选配机组情况利用经验公式计算地下水用量。

依据项目最大负荷设计，根据热力学定律，按夏季120 天，春秋季155 天，冬季90 天计算，则项目年总需水量为1476390.36m3，最大需水流量540.682m3/h。

（二）工程实例地下水源热泵系统完整运行周期地温场模拟结果

1.抽、灌井正常运行地温场模拟结果

正常运行指的是在一个完整的运行周期中，抽、灌井不进行互换。根据前期的试验，发现含水层的给水能力和回灌能力是比较好的，因此本次模拟设计单井抽水量为100m3/h，循环水量100%回灌，因此每个回灌井的流量为50m3/h，采用4 抽8 注，抽灌井情况见表2。初始水温为18℃，冬季回灌水温为10℃（日均热负荷为2400m3×8℃），夏季回灌水温为28℃（日均热负荷为2400m3×10℃）。地下水源热泵系统的一个完整运行周期为1年，划分为“抽-灌运行”和“停运蓄存”两个阶段，共四个时期，依次为冬季抽-灌运行期（12—3月）、春季停运蓄存期（4—5月）、夏季抽-灌运行期（6—9月）、秋季停运蓄存期（10—11月）。

表2 抽灌井分配表

冬季运行4 个月，即第一个抽-灌运行阶段，产生很明显的“热贯通”现象；该阶段各监测点及抽灌水井处温度变化呈典型的“对流-弥散”穿透曲线特征，距离回灌井越近，温度下降越早，趋势越明显。春季停运2 个月，即第一个停运蓄存阶段，热量影响范围变化很小，扩散幅度也很小，各监测点及抽灌井处温度呈缓慢上升趋势。夏季仍采用冬季的抽灌井抽水-回灌运行4 个月，即第二个抽灌运行阶段，冬季和春季形成的低温场仍然继续向外扩散，但在回灌井附近、原冷水中心处形成高温体，到夏季抽灌运行结束时，冷水体通过热交换吸收热水体的温度后也达到较高温度，和冬季类似的“热贯通”现象也有发生，距离回灌井越近，温度上升越早，升幅越大。秋季停运2 个月，即第2 个停运蓄存阶段，原冷水体向外扩散微弱，但在回灌井附近受冷热水温度梯度较大（图1），热量交换显著。

图1 运行周期内抽-灌井及监测井温度变化曲线图

2.夏季抽、灌井互换运行地温场模拟结果

拟建地下水源热泵系统在上述运行模式下，含水层地下水热量运移规律呈“阶段性”特征，使得冬季末抽水井出水温度受到回灌井冷水影响，降低了热泵系统的工作效率；而夏季运行循环热水仍通过冬季回灌井来回灌，与冬季回灌后的冷水体交换热量，造成热能和“冷能”的双重浪费。所以在技术条件允许下，夏季运行时可采用抽灌井互换的运行方式，即冬季的抽水井换为夏季的回灌井，冬季的回灌井换为夏季的抽水井，即现在为2 抽1注，在抽水量上，由原来的单井100m3/h 转变为2井100m3/h（单井50m3/h），回灌量由原来的2 井100m3/h（单井50m3/h）转变为单井100m3/h，其余条件保持不变。

图2 抽、灌井互换夏季运行至秋季抽-灌井及监测井温度变化曲线图

夏季交替抽、灌后，可以看到在运行初期抽水井处的温度较正常抽、灌运行方式抽水井低，这主要是原回灌井温度低，低温水逐渐被抽水井（原回灌井）抽出，冷源被充分的利用，且低温水向外扩散得很慢，回灌井处（原抽水井）温度上升，同时也逐渐向抽水井运移。通过对比两种不同抽灌条件下抽水井处温度可以发现，夏季抽、灌井互换运行比正常运行效果要好，但是并不能彻底解决“热贯通”现象，主要原因是设计场地的热负荷量比较大。

（三）项目经济社会效益分析

该项目运行后夏季空调制冷所需释放热能约为38.024×109kJ，冬季空调供暖吸收热能量约为20.344×109kJ，全年洗浴水加热需吸收热量约为3.44×109kJ，冬夏季冷热负荷的取用均来自地下水和含水层骨架颗粒，充分利用了区内的浅层地温能资源。机组运行过程中节约了电能，根据经验数据和本项目运行的情况分析，空调机组冬季运行时，COP 约为4.2，即投入1kW 电能，可得到4kW 的热能，夏季运行时，COP 可达5.3，投入1kW 电能，可得到5kW 的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3～4倍，大大节约了项目运行成本和经费投入。