陳建標(biāo) 陳亞楠

一、概述

江蘇省南通地區(qū)位于長(zhǎng)江入?？?，自20 世紀(jì)70年代開始開采地下水，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)深層地下水是居民生活用水和工業(yè)生產(chǎn)的主要供水水源，農(nóng)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(zhì)較差，不宜飲用，歷史上開發(fā)利用程度較低。

南通地區(qū)微咸水賦存于第Ⅰ承壓含水層中，水質(zhì)較差，不宜直接飲用，80年代以來，隨著工業(yè)企業(yè)的迅速發(fā)展，紡織、加工業(yè)等多取用該層水作為空調(diào)降溫用水或其他形式的工業(yè)企業(yè)冷卻用水。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著冬灌夏用、地下水源熱泵系統(tǒng)等開發(fā)利用地下水的技術(shù)越發(fā)成熟，由于利用形式高效節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在南通地區(qū)越來越受到鼓勵(lì)和推崇。

二、南通地區(qū)微咸水開發(fā)利用現(xiàn)狀

（一）南通市微咸水賦存條件

南通地區(qū)第四紀(jì)松散沉積物發(fā)育，分布范圍廣，厚度達(dá)300～400m，由西向東逐漸增大，垂向上多層砂層相互疊置，構(gòu)成錯(cuò)縱復(fù)雜的含水層系統(tǒng)。根據(jù)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(gè)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(fā)利用形式

南通地區(qū)第Ⅰ承壓水水質(zhì)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(yè)企業(yè)取用，南通市微咸水開發(fā)利用早在九十年代工業(yè)企業(yè)中就開始應(yīng)用，主要有傳統(tǒng)的車間廠房等的降溫空調(diào)和清洗用水等。2000年以來出現(xiàn)一種新的利用方式即冬灌夏用。

1.工業(yè)降溫及清洗利用

目前南通市開發(fā)利用微咸水用于降溫空調(diào)的多為紡織行業(yè)，取用微咸水常年恒溫約19℃的特征，抽取地下水，經(jīng)噴管噴成霧狀后，由風(fēng)機(jī)送入車間空調(diào)管道內(nèi)循環(huán)，以達(dá)到吸熱降溫的目的。水分在降溫過程中蒸發(fā)消耗。

用于清洗用水的企業(yè)對(duì)清洗水水質(zhì)要求不高，且年取水規(guī)模較大，取用微咸水即可滿足項(xiàng)目需求，例如印染企業(yè)，主要作為面料的水洗加工用水。

南通冬灌夏用的企業(yè)，主要在夏季氣溫較高時(shí)（6～9月），抽取地下水，經(jīng)噴管噴成霧狀后，由風(fēng)機(jī)送入管道內(nèi)循環(huán)，以達(dá)到吸熱降溫的目的。此類項(xiàng)目取用水作為降溫用水，需水量較大，但整個(gè)用水過程中僅水溫發(fā)生了變化，水質(zhì)無變化，水量除自然蒸發(fā)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?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、淺層地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建構(gòu)物內(nèi)系統(tǒng)組成的空調(diào)系統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。一般行業(yè)內(nèi)取用地下水源的利用形式被稱為地下水源熱泵系統(tǒng)。

地下水源熱泵需要有豐富和穩(wěn)定的地下水源，它是利用水與地能（特指地下水）進(jìn)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(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量釋放到地下水中，此時(shí)地能為“冷源”。

三、南通市地下水源熱泵形式開發(fā)微咸水工程實(shí)例分析

（一）工程實(shí)例概況

1.項(xiàng)目概況

以南通市某工程為例分析，項(xiàng)目建筑總面積37000m2，項(xiàng)目取用地下水作為水源熱泵機(jī)組用水，利用地下水進(jìn)行冷、熱交換，提供整個(gè)總部商務(wù)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(fù)荷。根據(jù)項(xiàng)目暖通設(shè)計(jì)分析，該綜合樓制冷制熱量如表1 所示。

表1 建設(shè)項(xiàng)目冷熱負(fù)荷與運(yùn)行時(shí)間一覽表

2.項(xiàng)目取用水量與井?dāng)?shù)計(jì)算

根據(jù)建筑物最大總冷負(fù)荷量選取地源熱泵空調(diào)機(jī)組型號(hào)、數(shù)量，然后根據(jù)選配機(jī)組情況利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地下水用量。

依據(jù)項(xiàng)目最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，根據(jù)熱力學(xué)定律，按夏季120 天，春秋季155 天，冬季90 天計(jì)算，則項(xiàng)目年總需水量為1476390.36m3，最大需水流量540.682m3/h。

（二）工程實(shí)例地下水源熱泵系統(tǒng)完整運(yùn)行周期地溫場(chǎng)模擬結(jié)果

1.抽、灌井正常運(yùn)行地溫場(chǎng)模擬結(jié)果

正常運(yùn)行指的是在一個(gè)完整的運(yùn)行周期中，抽、灌井不進(jìn)行互換。根據(jù)前期的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)單井抽水量為100m3/h，循環(huán)水量100%回灌，因此每個(gè)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(fù)荷為2400m3×8℃），夏季回灌水溫為28℃（日均熱負(fù)荷為2400m3×10℃）。地下水源熱泵系統(tǒng)的一個(gè)完整運(yùn)行周期為1年，劃分為“抽-灌運(yùn)行”和“停運(yùn)蓄存”兩個(gè)階段，共四個(gè)時(shí)期，依次為冬季抽-灌運(yùn)行期（12—3月）、春季停運(yùn)蓄存期（4—5月）、夏季抽-灌運(yùn)行期（6—9月）、秋季停運(yùn)蓄存期（10—11月）。

表2 抽灌井分配表

冬季運(yùn)行4 個(gè)月，即第一個(gè)抽-灌運(yùn)行階段，產(chǎn)生很明顯的“熱貫通”現(xiàn)象；該階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及抽灌水井處溫度變化呈典型的“對(duì)流-彌散”穿透曲線特征，距離回灌井越近，溫度下降越早，趨勢(shì)越明顯。春季停運(yùn)2 個(gè)月，即第一個(gè)停運(yùn)蓄存階段，熱量影響范圍變化很小，擴(kuò)散幅度也很小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及抽灌井處溫度呈緩慢上升趨勢(shì)。夏季仍采用冬季的抽灌井抽水-回灌運(yùn)行4 個(gè)月，即第二個(gè)抽灌運(yùn)行階段，冬季和春季形成的低溫場(chǎng)仍然繼續(xù)向外擴(kuò)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(yùn)行結(jié)束時(shí)，冷水體通過熱交換吸收熱水體的溫度后也達(dá)到較高溫度，和冬季類似的“熱貫通”現(xiàn)象也有發(fā)生，距離回灌井越近，溫度上升越早，升幅越大。秋季停運(yùn)2 個(gè)月，即第2 個(gè)停運(yùn)蓄存階段，原冷水體向外擴(kuò)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(yùn)行周期內(nèi)抽-灌井及監(jiān)測(cè)井溫度變化曲線圖

2.夏季抽、灌井互換運(yùn)行地溫場(chǎng)模擬結(jié)果

擬建地下水源熱泵系統(tǒng)在上述運(yùn)行模式下，含水層地下水熱量運(yùn)移規(guī)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(tǒng)的工作效率；而夏季運(yùn)行循環(huán)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(fèi)。所以在技術(shù)條件允許下，夏季運(yùn)行時(shí)可采用抽灌井互換的運(yùn)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(xiàn)在為2 抽1注，在抽水量上，由原來的單井100m3/h 轉(zhuǎn)變?yōu)?井100m3/h（單井50m3/h），回灌量由原來的2 井100m3/h（單井50m3/h）轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉?00m3/h，其余條件保持不變。

圖2 抽、灌井互換夏季運(yùn)行至秋季抽-灌井及監(jiān)測(cè)井溫度變化曲線圖

夏季交替抽、灌后，可以看到在運(yùn)行初期抽水井處的溫度較正常抽、灌運(yùn)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(kuò)散得很慢，回灌井處（原抽水井）溫度上升，同時(shí)也逐漸向抽水井運(yùn)移。通過對(duì)比兩種不同抽灌條件下抽水井處溫度可以發(fā)現(xiàn)，夏季抽、灌井互換運(yùn)行比正常運(yùn)行效果要好，但是并不能徹底解決“熱貫通”現(xiàn)象，主要原因是設(shè)計(jì)場(chǎng)地的熱負(fù)荷量比較大。

（三）項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

該項(xiàng)目運(yùn)行后夏季空調(diào)制冷所需釋放熱能約為38.024×109kJ，冬季空調(diào)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(fù)荷的取用均來自地下水和含水層骨架顆粒，充分利用了區(qū)內(nèi)的淺層地溫能資源。機(jī)組運(yùn)行過程中節(jié)約了電能，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和本項(xiàng)目運(yùn)行的情況分析，空調(diào)機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)，COP 約為4.2，即投入1kW 電能，可得到4kW 的熱能，夏季運(yùn)行時(shí)，COP 可達(dá)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(jié)約了項(xiàng)目運(yùn)行成本和經(jīng)費(fèi)投入。

四、結(jié)論與建議

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

（2）科學(xué)的抽灌比、合理的濾水管長(zhǎng)度和位置設(shè)計(jì)以及確保全部回灌成為地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）建議開展區(qū)域咸水-微咸水調(diào)查評(píng)價(jià)和淺層地?zé)崮苜Y源基礎(chǔ)調(diào)查工作，為微咸水-咸水的科學(xué)合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

（4）建議開展地下水源熱泵項(xiàng)目的運(yùn)行期監(jiān)管工作，包括地下水位、回灌量、地下水溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)一步開展運(yùn)行期地下水溫度場(chǎng)變化研究工作■