新鄉(xiāng)市淺層地?zé)崮苜Y源開(kāi)發(fā)利用經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

郭全成，馮運(yùn)蘭

(新鄉(xiāng)市節(jié)約用水中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

新鄉(xiāng)市城區(qū)位于太行山南麓，屬山前傾斜平原與黃河沖積平原的交接帶，地形西高東低，北高南低。北部地面高程130 m～210 m，南部地面高程69 m～73 m，區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)鳳凰山標(biāo)高為292.7 m。縱觀全區(qū)地貌輪廓，大體可分為三部分，北部為丘陵崗地，中部為山前沖洪積傾斜平原，南部為黃河沖積平原。區(qū)內(nèi)全為第四系松散層所覆蓋，含水層由多層密實(shí)的粉細(xì)砂、砂礫石及中細(xì)砂和細(xì)砂巖組成。淺層地下水頂板埋深北部30 m～40 m，南部超過(guò)300 m。大部分埋深大于100 m。城區(qū)現(xiàn)有地源熱泵用戶85家，用戶面積總共約180萬(wàn)m2，用水量每年約300萬(wàn)m3，開(kāi)發(fā)深度80 m～100 m較多。地源熱泵換熱形式多采用一抽二回或一抽多回。地源熱泵地下水換熱形式隨著運(yùn)行時(shí)間的推移回灌能力逐漸降低，在夏季直排或偷排現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。由于地源熱泵地埋管形式建設(shè)成本較高，使得用戶使用較少。

新鄉(xiāng)市城區(qū)200 m以內(nèi)淺層地?zé)崮苄〔糠值貐^(qū)適宜地下水換熱方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，大部分地區(qū)適宜地埋管換熱方式開(kāi)發(fā)。通過(guò)測(cè)算，200 m以內(nèi)淺層地?zé)崮芸偣β蕿槎?.36×106kW，夏季3.79×106kW。在暫不考慮允許建設(shè)區(qū)土地面積的情況下，單位溫差淺層地?zé)崛萘繛?7.79×1012kJ/℃。

1 環(huán)境效益分析

淺層地?zé)崮苜Y源作為一中清潔環(huán)保的新型可再生能源，資源儲(chǔ)量大、分布廣，發(fā)展前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大。積極開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?duì)緩解能源資源壓力、實(shí)現(xiàn)非化石能源目標(biāo)、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)新鄉(xiāng)市生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。2013年，新鄉(xiāng)市就已獲得國(guó)家“可再生能源建筑應(yīng)用示范城市”稱號(hào)。在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，將巖土體和地下水中的低品位熱能轉(zhuǎn)化成可開(kāi)發(fā)利用的高品位熱能，減少了能量消耗，不排放二氧化碳等氣體及粉塵，對(duì)大氣環(huán)境影響很小，對(duì)節(jié)能減排起到了積極作用，符合國(guó)家制定的節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的政策。根據(jù)測(cè)算，新鄉(xiāng)市城區(qū)全年可利用淺層地?zé)崮苜Y源約為0.90×1013kJ/a，折合標(biāo)煤約3.06×105t/a，減少二氧化碳排放量約7.50×105t。見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境效益分析表

2 淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用環(huán)境影響分析

目前，新鄉(xiāng)市城區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)除可能造成地下水資源浪費(fèi)外，尚未發(fā)現(xiàn)有較大環(huán)境影響。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合新鄉(xiāng)地質(zhì)條件對(duì)不合理的淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)可能造成的的環(huán)境影響分析。

2.1 地下水源熱泵開(kāi)發(fā)造成地下水資源浪費(fèi)

新鄉(xiāng)市城區(qū)多數(shù)地方屬地下水源熱泵換熱不適宜區(qū)，新鄉(xiāng)市淺層地?zé)崮芾卯?dāng)中存在的問(wèn)題主要是：地下水換熱運(yùn)行后回灌能力隨著時(shí)間逐漸降低，特別是在夏季，直排或偷排現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，不利于地下水資源費(fèi)的節(jié)約、保護(hù)。即便在適宜采取地下水換熱的區(qū)域，長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)影響地下水水質(zhì)。造成地下水中鐵等金屬元素含量偏高。因此，建議在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)從嚴(yán)審批地下水源熱泵項(xiàng)目，并對(duì)已有項(xiàng)目加強(qiáng)監(jiān)督管理。

2.2 冷熱不平衡造成土壤生態(tài)環(huán)境破壞

地源熱泵地埋管換熱方式會(huì)向巖土體中釋放熱量或是從巖土體中吸收熱能，從而會(huì)造成局部巖土體溫度改變，通過(guò)地埋管換熱模擬及實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地埋管換熱方式長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，通常巖土體溫度都會(huì)有一定的升高。隨著巖土體溫度升高會(huì)造成一定風(fēng)險(xiǎn)：(1)近地表巖土體溫度的升高，越冬類昆蟲(chóng)的繁殖能力會(huì)有所增強(qiáng)，進(jìn)而增加病蟲(chóng)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)性；(2)近地表巖土體升溫會(huì)加快土壤的干燥過(guò)程，而土壤中的微生物和菌類的繁殖和生存都需要在較高的濕度下才能進(jìn)行，土壤的干燥會(huì)使微生物和菌類失去生存的環(huán)境，進(jìn)而引發(fā)局部區(qū)域生態(tài)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性。

新鄉(xiāng)地區(qū)冬季供熱、夏季供冷基本平衡，合理開(kāi)發(fā)不會(huì)造成以上問(wèn)題，但如果僅僅用于單向制冷或制熱，則可能造成土壤溫度變化，帶來(lái)各種生態(tài)環(huán)境變化。

3 經(jīng)濟(jì)成本評(píng)估

因地下水換熱方式建設(shè)成本較低從經(jīng)濟(jì)角度效益較好，本次僅以地埋管換熱方式為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本評(píng)估。

同樣以20000 m2建筑面積，以表冷熱負(fù)荷參數(shù)為依據(jù)，分別對(duì)地埋管熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)的初期投資、年運(yùn)行費(fèi)用和總費(fèi)用進(jìn)行比較。

3.1 初期投資成本比較

土壤源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)兩種方案的建筑物內(nèi)熱交換系統(tǒng)，循環(huán)水泵及管路，空調(diào)用戶控制及末端設(shè)備均基本相同，按一致估算；對(duì)于初投資主要比較系統(tǒng)的建筑物外側(cè)部分，各方案的初投資概算見(jiàn)表2。

表2 初期投資概算表

如表2所示，土壤源熱泵系統(tǒng)初期需布設(shè)大量的換熱試驗(yàn)孔，因此初期投資成本相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)要高出70萬(wàn)元。

3.2 長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用比較

首先對(duì)兩項(xiàng)方案的年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，按設(shè)計(jì)冷負(fù)荷90 W/m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷75 W/m2，則總體冷負(fù)荷為1800 kW，熱負(fù)荷為1500 kW。夏季供冷期按100天運(yùn)行，冬季供暖期按110天運(yùn)行，系統(tǒng)按每天平均10小時(shí)運(yùn)行。

土壤源熱泵系統(tǒng)中的循環(huán)熱水，可以用作生活熱水被用戶再次使用，而傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，需要另外加裝電鍋爐系統(tǒng)才能為用戶提供生活熱水。中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)主要由和維護(hù)管理費(fèi)兩大塊構(gòu)成，其中能耗費(fèi)包括水費(fèi)和電費(fèi)；維護(hù)管理費(fèi)包括維修費(fèi)和人員工資福利費(fèi)等。綜合分析年運(yùn)行費(fèi)用組成見(jiàn)表3。

表3 年運(yùn)行費(fèi)用比較表

續(xù)表3

由表3可知，土壤源熱泵方案增加的初期投資能在3年～5年內(nèi)收回。雖然土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資回收期相對(duì)較長(zhǎng)，但是該系統(tǒng)運(yùn)行能耗較低，并且只消耗電能，正常運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成直接污染，也不會(huì)將余熱排放到室外大氣環(huán)境中，有著顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，因此具有較強(qiáng)的推廣開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

新鄉(xiāng)市的淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用，通過(guò)近二十年的實(shí)踐，已初步摸索出一套適合本地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的淺層地?zé)崮芄芾砟Ｊ健Ｔ诮窈蟮膶?shí)踐中，通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、查找不足，向先進(jìn)地市學(xué)習(xí)，按照技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的總體要求，全面促進(jìn)淺層地?zé)崮苜Y源的合理有效利用，推動(dòng)新鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的更好更快更強(qiáng)發(fā)展。