地下水源热泵系统成井与回灌技术.pdf

2012 3 27 1 地下水源热泵地下水源热泵系统系统 成成井与回灌技术及案例分析井与回灌技术及案例分析 孙保卫 2012年3月30日 2 目录 一 地下水地源热泵系统的水源系统 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 三 水源系统抽水井和回灌井设计 四 案例分析 五 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 2 3 一 地下水地源热泵系统的水源系统 地下水地源热泵系统 ground water heat pumps GWHPs 也就是通常所说的深 井回灌式地下水源热泵系统 是一种利用地下浅层地热资源 地下水 的既可供热又可制 冷的高效节能空调系统 通过 输入少量的高品位能源 电能 实现低品位热能向高品位 热能的转移 地下水地源热泵系统通 过建造抽水井群将地下水抽出 经提取热量或释放热量后 由回灌井群回灌入地下 抽抽 水水 井井 回回 灌灌 井井 图1 1 地下水地源热泵系统示意图 4 一 地下水地源热泵系统的水源系统 地下水地源热泵系统是由地下水地源热泵机 房系统 地下水换热系统和建筑物内末端散热系 统组成的供热空调系统 图1 2 地下水地源热泵空调系统组成 2012 3 27 3 5 一 地下水地源热泵系统的水源系统 图1 3 水源热泵机组工作原理图 6 一 地下水地源热泵系统的水源系统 单井开式系统 双井开式系统 图1 4 水源系统类型 2012 3 27 4 7 对于地下水源热泵技术 用业内行家的话来说 所有的地面系统基本相同 所有的地下系统基本不 可见 可见 地面上热泵系统的设备和技术都已 经相当成熟了 而主要的技术瓶颈为地下水回路系 统 国内基本是沿用饮用水井的技术标准 对回灌也没 有相应的技术标准 从用户角度来讲 希望整个地下水系统单井出水流 量大 寿命长 系统可靠 回扬次数少 从技术上来讲 需确定以下一些指标 地质条件 回灌方式 地下水灌抽比 回扬次数 洗井次数 一 地下水地源热泵系统的水源系统 8 目录 一 地下水地源热泵系统的水源系统 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 三 水源系统抽水井和回灌井设计 四 案例分析 五 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 5 9 地下水回路技术的边界条件为水文地质条 件 地质条件不同 整个系统的经济性也不 同 它是一种客观条件 也是项目的先决条 件 基本的地质条件为所用的含水层深度 含 水层厚度 含水层砂层粒度 地下水埋深 水力坡度和水质情况 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 10 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 1 自然地理 气象条件 进行地下水地源热泵施工前需了解当地的自然 地理 气象条件 地下水温度和冬夏两季应用空调制冷和制热时 间对地下水地源热泵系统设计有很大影响 冬冷夏 热 冬季和夏季时间相差不大 地区是应用地下水 地源热泵的良好区域 2012 3 27 6 11 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 2 水文地质条件 应用地下水地源热泵系统 含水层必须具备抽 得出 灌得进等条件 含水层的水文地质条件应符合以下几点 A 含水层具备一定的渗透性 渗透系数较大 含水层厚度大 贮水容积大 B 含水层中无异常地温梯度现象 C 地下水抽水 回灌后对地下水的水质影响 应向好的方向发展 D 系统抽水 回灌后 不能引起其他不良的水 文地质和工程地质现象 如地面沉降 土地的沉 陷或土壤盐碱化等 E 含水层的上下隔水层要有良好的隔水性 较 小的隔水层渗透系数 以避免与邻近含水层短路 造成能量流失 形成良好的保温层 12 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 含水层 主要为含水层的岩性 埋深 厚度及分布 含水层太深 会影响整个地下系统的造价 一般来说 希望含水层的深度在150 m 以内 含水层的厚度太小 会影响单井出水量 从而影响系 统的经济性 含水层的砂层粒度大 含水层的渗透系数大 一方面 单井的出水量大 另一方面灌抽比大 地下水容易回 灌 所以地下水源热泵基本上都选择地下含水层 为砾石和中粗砂地域 而避免在中细砂区域设立项 目 2012 3 27 7 13 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 地下水位埋深与变化趋势 地下水位离地面有一定深度 最好大于10m 考虑地下水位埋深必需分析 预测场地及其 周边地区地下水位的未来变化 地下水流向与流速 一种是等值线法 另一种是实测法 可以用井下电视法 地下 水流速流向仪量测 地下水水力坡度对地下水源热泵的影响不大 但对 地下储能系统的储能效率影响很大 14 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 地下水水质 对地下水水质的基 本要求是 澄清 水质 稳定 不腐蚀 不滋生 微生物或生物 不结垢 等 图3 2为某工程地 下水地源热泵系统在使 用2 5年后的泵管腐蚀 情况 可以看出 泵管 不仅腐蚀变黑 许多地 方已经腐蚀透成孔状 图3 2 某地下水地源热泵系统泵管腐蚀情况 2012 3 27 8 15 地下水温度 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 16 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 地下水温度 2012 3 27 9 17 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 3 工程地质条件 应用地下水地源热泵系统必须考虑地下水位降低造成地 面沉降的影响 4 周边环境 周边环境包括临近场地的建筑物情况 地下水地源热泵 系统使用情况 抽水 回灌井深度 出水量大小以及重要管 线等基础设施情况和场地所处是否为敏感地区如水源保护区 地下水污染区等 这些因素都是选择地下水地源热泵系统 的制约因素 5 场地大小 建筑面积 地下水地源热泵系统的抽水井和回灌井一般均必须布置 在有限的场地范围内 而要保障地下水地源热泵系统的正常 运行 抽水井 回灌井之间必须保持合理的井间距 而建筑 面积决定了地下水地源热泵系统的用水量 18 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 6 敏感区的确定 需调查场地是否处于敏感地区 如水源保护区 地下水污染区等 了解当地的政策是否允许采用 地下水地源热泵 以免工程盲目投资造成不必要的 浪费 2012 3 27 10 19 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 7 审批 采用地下水地源热泵系统前必须进行水资源论 证 并经过专家审查和水务部门审批 但水资源论 证工作中对水文地质条件的论述并不能完全满足地 下水地源热泵系统设计的需要 在进行地下水地源 热泵系统设计前仍应进行水文地质勘察工作 20 目录 一 地下水地源热泵系统的水源系统 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 三 水源系统抽水井和回灌井设计 四 案例分析 五 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 11 21 1 抽水 回灌井抽水 回灌井的的形式形式 抽水 回灌井的主要形式有管井 大口井 辐射井等 1 管井一般指用凿井机械开凿至含水层中 用井壁管保护井壁 垂 直地面的直井 又称机井 管井按含水层的类型划分 有潜水井和承 压井 按揭露含水层的程度划分 有完整井和非完整井 管井是目前 地下水源热泵空调系统中最常见的 2 一般井径大于1 5m 的井称之为大口井 大口井可以作为开采浅层 地下水的抽水 回灌井 它具有构造简单 取材容易 施工方便 使 用年限长 容积大 能兼起调节水量作用等优点 但大口井深度小 对潜水水位变化适应性差 3 辐射井是由集水井与若干呈辐射状铺设的水平集水管 辐射管 组合而成 集水井用来汇集从辐射管来的水 同时是辐射管施工的场 所 又是抽水设备安装的场所 辐射管是用来集取地下水的 辐射管 可以单层铺设 也可以多层铺设 辐射井有管理集中 占地少 便于 卫生防护等优点 但它的施工技术难度大 成本较高 三 水源系统抽水井和回灌井设计 22 抽水 回灌井是即可用于从含水层中抽取地下水 又 能把水注入含水层中的单井 抽水 回灌井的适用范围和 条件见下表 抽水 回灌井及其适用范围 表4 1 抽水 回灌井类型及适用范围 适 用 范 围 型式 尺寸 深度 地下水类型 地下水埋深 含水层 厚度 水文地质特征 出水量 回灌量 管井 井管直径300 1000mm 常用300 500mm 井深20 1000m 常 用在300m以内 潜水 承压水 裂隙水 岩溶水 200m以内 5m 以下 常用在 70m以内 大于5m或 多层含水层 适用于如何砂 卵 石 砾石地层及构造 岩溶裂隙地带 单井出水量500 6000m3 d 最大可达 2 3 万m3 d 单井回灌量为出水量 的1 3 1 岩溶裂隙水 可大于1 大口井 井管直径2 10m 常用4 8m 井深在20m以内 常用在6 15m 潜水 承压水 一般在10m以内 一般为5 15m 砂 卵石 砾石地层 渗透系数最好在 20m d 以上 单井出水量500 10000 m3 d 最大为 2 3 万m3 d 一般为单井出水量的 1 2 1 辐射井 集水井直径4 6m 辐射管直径50 300mm 常用75 150mm 集水井井深常用小 于12m 潜水 承压水 埋深12m以内 辐射管距含水层 底应大于1m 一般大于2m 补给良好的中粗砂 砾石层 但不可含漂 石 单井为5000 50000 万m3 d 最大为 310000m3 d 一般为单井出水量的 1 2 1 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 12 23 地下水地源热泵系统的地下水换热系统关键是 抽水井和回灌井 设计时应根据当地的水文地质条 件和建筑负荷的要求布置井位 井深和井结构 2 1 井位 井位布置应根据场地的大小和拟建和已有建 构 筑物的位置等综合考虑 2 2 井深 根据场地的水文地质条件和建筑负荷对水量的 要求综合确定井深 影响井深的重要因素是含水层 的埋深 厚度 岩性和富水性以及上部含水层的污 染状况 2 抽水 回灌井的设计 三 水源系统抽水井和回灌井设计 24 2 3 管井的构造管井的构造 管井的构造如图所示 它主要由井室 井壁管 过滤器 沉淀管等部分 组成 1 井室 井室的功能是安装井泵 电动机 井口阀门 压力表等 保护井口免 受污染和提供运行管理维修的场所 其形式 可分为地面式 地下式和半地下式 2 井壁管 井壁管不透水 它主要 安装在不需要进水的岩土层阶段 其功能是 加固井壁 隔离不良的含水层 3 过滤器 过滤器又俗称花管 它 是带有孔眼或缝隙的管段 与井壁管直接连 接 安装在含水层中 其功能是集取地下水 和阻挡含水层的砂粒进入井中 4 沉淀管 沉淀管位于管井的底 部 用于沉淀进入井内的细小泥沙颗粒和自 地下水析出的其他沉淀物 沉淀管的长度视 井深和井水沉砂可能性而定 一般为2 10m 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 13 25 2 4 井壁管 井壁管常称为井管 由于受到地层及人工 填砾的侧压力 则要求井管应有足够的强 度 并保持不弯曲 没有大的变形 且内 壁平滑 圆整 以利于安装抽水设备和井 的清洗 维修 用于抽水 回灌井的井管 常见的是铸铁管 钢板卷管 钢管 26 2 5 过滤器 常用过滤器主要有 填砾 过滤器 骨架过滤器 缠丝过 滤器 贴砾过滤器等 它的构 造 材质 施工安装质量对管 井的出水量 含砂量和工作年 限有很大影响 因此是管井工 作的核心 过滤器主要由过滤骨架和 过滤层组成 过滤骨架主要起 支撑作用 多为管状骨架 过 滤骨架孔眼的大小 排列 间 距与管材强度 含水层的孔隙 率及其粒径有关 三 水源系统抽水井和回灌井设计 图3 5 过滤器孔眼特征 2012 3 27 14 27 1 圆孔 条孔过滤器是由金属管材或非金属管材加工制造而 成 即在管上按错开的梅花形钻孔眼或条孔 2 缠丝过滤器是以圆孔 条孔滤水管为骨架 在虑水管外壁 铺设若干条垫筋 6 8 然后在其外面用直径2 3mm 的镀锌钢丝并排缠绕而成 3 包网过滤器也是一各种圆孔 条孔滤水管为骨架 在滤水 管外铺设若干条垫筋 然后包裹铜网 或棕树皮 或尼龙 罗底布 再用钢丝缠绕而成 在过滤器周围回填一定规格 的砾石 形成填砾过滤器 否则 过滤器直接下到井中含 水层部分 即为不填砾过滤器 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2 5 过滤器 28 2 5 过滤器 过滤器孔眼直径或宽度以其接触的含水层颗 粒粒径有关 孔眼大 进水通畅 但挡砂效果差 反之 孔眼小 则挡砂效果好 但进水能力差 下表为过滤器进水孔眼直径或宽度与含水层粒 径的关系数据 过滤器的进水孔眼直径或宽度 过滤器名称 进水孔眼直径或宽度 岩层不均匀系数 2 10 60 d d 岩层不均匀系数 2 10 60 d d 圆孔过滤器 2 5 3 0 50 d 3 0 4 0 50 d 条形和缠丝过滤器 1 25 1 5 50 d 1 5 2 0 50 d 包网过滤器 1 5 2 0 50 d 2 0 2 5 50 d 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 15 29 过滤器类型选择原则为 在各类砂 砾石和卵石含水层中选用填砾过滤器 以 防涌砂 保持含水层的稳定性 在保证强度要求的条件下 应尽量采用较大孔隙率的 过滤器 在粉细砂中 层中含铁质较多的地区 应尽量采用双 层填砾过滤器 下表为几种主要过滤器的适用范围 三 水源系统抽水井和回灌井设计 30 骨架的孔隙率应不小于含水层的孔隙率 各类含 水层的孔隙率见下表 同时 受管材强度的制约 各种管材的允许孔隙 率为 钢管30 35 铸铁管18 25 钢板卷管 10 15 三 水源系统抽水井和回灌井设计 细砂 中砂 均匀砂粒 中砂 粗砂 砾石及砂 卵石 30 35 30 40 35 40 20 35 30 40 2 5 过滤器 2012 3 27 16 31 图3 6 人工反滤层 过滤层的砾料应以圆形 卵 圆形为佳 禁止使用棱角状碎石 渣 采用的砾料成分宜采用石英 岩 石灰岩 卵砾石 不能使用 泥灰岩等软质岩石成分 砾料的粒径以及填埋厚度应 该根据含水层类型来确定 在砂类土含水层中尽量加大 填砾厚度 在砾石 卵石含水层 中 填砾厚度可以适当减小 一 般情况下 砾料厚度宜为75 150mm 三 水源系统抽水井和回灌井设计 32 砾料的粒径以及填埋厚度应该根据含水层类型来确定 一般情况下 在粉 细 中 粗砂地层中 填砾粒径与含水 层粒径正比为 式中 D50 填砾中粒径小于D50值的砂 砾石占总重量的50 d50 含水层中粒径小于d50值的砂 砾石占总重量的50 在碎石土类含水层中 填砾粒径与含水层粒径正比为 式中 d20 含水层中粒径小于d20值的砂 砾石占总重量的20 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2 5 过滤器 8 6 50 50 d D 8 6 20 50 d D 2012 3 27 17 33 三 水源系统抽水井和回灌井设计 34 3 抽水 回灌井的单井出水量 出水量的计算是管井设计的关键环节 其目的是确定管井在最大允许 水位降深时的出水量 或者在给定井的出水量条件下 计算井的最大水位 降低值 为供水设备选择和管井构造设计提供依据 管井出水量计算有理论公式 经验公式和抽水试验 1 理论公式 理论公式种类繁多 公式的选择与地下水运动状态 含水层水力性质 地下水补给条件与管井构造形式有关 2 经验公式 经验公式以规范方法为主 管井设计出水量应小于过滤管的进水能力 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 18 35 水 井 施 工 设 计 简 图 备 注 抽 水 试 验 封井 位置 米 优 质 粘 土 封 孔 地层名称 粘质粉土 黄色 粉细砂 黄色 粘质粉土 黄色 细砂 黄色 静 水 位 米 46 00 2 7 毫 米 砾 料 粉质粘土 黄色 含砾石 粉细砂 黄色 中细砂 黄色 含砾石 粗砂 黄色 砾石 杂色 砂质粉土 黄色 卵石 杂色 粘土 黄色 简 易 抽 水 试 验 粉质粘土 黄色 含砾石 水井结构 柱状图比例尺 1 500 本层 厚度 米 4 50 层底 深度 米 4 50 8 00 8 00 6 20 20 50 12 50 26 70 地层 地层 年代 10 30 8 70 12 40 37 00 45 70 58 10 6 90 4 00 11 20 69 00 65 00 80 20 6 00 6 50 93 50 100 00 87 507 30 水 井 施 工 设 计 简 图 40目 20目 编页 工程编号 水井施工设计简图 图名 校对绘图 简 易 抽 水 试 验 备 注 粘土 黄色 粉砂 黄色 粘土 黄色 含卵石 细砂 黄色 卵石 杂色 卵石 杂色 地层名称 封井 位置 m 静 水 位 m 抽水 试验 粘土 黄色 中细砂 含卵石 粘质粉土 黄色 卵石 杂色 中砂 含卵石 粘土 黄色 卵石 杂色 含漂石 粘性土 2 7 毫 米 砾 料 柱状图比例尺 1 500 水井结构 40目 11 00 1 50 8 20 6 20 6 10 3 80 地层 本层 厚度 m 地层 年代 111 00 层底 深度 m 112 50 116 30 124 50 130 70 136 80 20目 20目 3 50 1 80 3 70 4 30 4 70 5 50 142 00 143 80 148 50 152 20 156 50 162 00 138 501 70 水 井 施 工 设 计 简 图 三 水源系统抽水井和回灌井设计 36 井 深 162m左右 井孔直径 800 900mm 井管直径 500 530mm 出水量 4800m3 d 设计降深 8 12m 水 质 不超出该区地下水水质背景值 含砂量 小于一百万分之一 井管垂直度 每百米不大于1度 封井深度 0 46m用优质粘土或粘土球封孔 填料直径 2 4mm 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 19 37 4 抽水 回灌系统设计系统设计步骤步骤 1 确定本工程项目所需的地下水总水量 一项工程所需的水 量多少 由该工程负荷与水源热泵机组性能等确定 2 确定地下水井的数量和位置 根据试验井的出水量和当地 水文地质单位的意见 定出每口井的小时出水量 由项目 所需水的总量和每口井的出水量 确定井的数量 并布置 井群的位置 3 井或井群管路的设计 通过水力计算选择管路及计算其阻 力损失 另外 对于集中式间接供水系统 还有二次水回 路的设计 4 板式换热器的选择与计算 5 地下水的回灌方式的确定与计算 6 井泵等的选择 根据采用地下水泵的形式 以及井水系统 管路的阻力损失来选择合适的井泵 三 水源系统抽水井和回灌井设计 38 1 地下水量计算地下水量计算 根据在制冷和供热工况下 水环路的最大放热量 和最大吸热量来计算井水流量 工程项目在冬季 和夏季需要的地下水水量 实际上应与系统选择 的水源热泵性能 地下水温度 建筑物内循环水 温度 冷热水负荷 以及换热器的形式相关 一 些国外品牌的水源热泵机组可以提供专用电脑选 型软件 输入相关参数后 即可迅速得到相应的 水流量等数据 在初步估算流量时 可以采用下 面的两个公式进行计算 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 20 39 1 在夏季 热泵机组按制冷工况运行时 地下水总水量 为 式中 Qv c 夏季供冷所需地下水量 m 3 h Q 夏季建筑物设计最大冷负荷 kw 水的密度 kg m3 可取 1000 kg m 3 cp 水的比定压热容 可取4 19 kJ kg oc t1 进入换热器的地下水温度 t2 离开换热器的地下水温度 EER 水源热泵机组在制冷时冷凝器最大进液温度下的制冷性能系数 EER EER ttc Q q p c cv 1 3600 12 三 水源系统抽水井和回灌井设计 40 2 在冬季 热泵机组按制热工况运行时 地下水总水量 为 式中 qv h 冬季供热所需地下水量 m3 h Qh 冬季建筑物设计最大热负荷 kw COP 水源热泵机组在制冷时蒸发器最小进液温度下的制热性能系数 根据上述公式计算出水源热泵夏 冬季地下水流量 取较 大值为水源热泵机组所需的地下水流量 COP COP ttc Q q p h hv 1 3600 21 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 21 41 抽水 回灌井群的布置主要考虑以下因素 1 场地的水文地质条件 2 建筑物的面积 3 场地的大小 4 拟建和已建建 构 筑物的位置 5 管井施工条件 6 临近建筑物的地下水地源热泵系统使 用情况 2 确定地下水井的数量和位置 建筑容积率 建蔽率 三 水源系统抽水井和回灌井设计 井 总 q q n 42 抽水井之间 回灌井之间 抽水井与回灌井 之间都会相互作用 井间距的影响是明显的 抽水 回灌井的井间距 0 5 0 55 0 6 0 65 0 7 0 75 0 8 0 85 0 9 0 95 1 020406080100120140160180200220240260280300 井间距 m 出水量比率 单井出水量折减率与井间距的关系曲线 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 22 43 下图为井间距与影响半径的关系 可以看出 在一定的出水 量折减率下 随着影响半径的增加 井间距应增加 北京市平原区可用于地下水地源热泵工程的含水层平 均渗透系数一般在30m d以上 影响半径多在300m以上 则 从单井出水量的角度 在保持一定的出水量折减率的情况 下 在80 85 井间距最小不宜小于40m 最好在 80m以上 0 20 40 60 80 100 120 0100200300400500 影响半径 m 井间距 m 井间距与影响半径的关系曲线 三 水源系统抽水井和回灌井设计 44 建议 抽水井之间 回灌井之间 抽水井与回灌井 之间都会相互作用 井间距对出水量的影响非常明 显 从单井出水量的角度 井间距最小不宜小于 40m 最好在80m以上 三 水源系统抽水井和回灌井设计 2012 3 27 23 45 在抽水井工作的情况下 只要回灌井位于抽水影响范 围内 必将引起回灌井附近地下水位的降低 这相当于 增大回灌井中水位升高值 从而增加回灌量 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 020406080100120140160180200220240260280300 井间距 m Q Q 从上图回灌井增加的回灌量与回灌井离抽水井的间距关系看 影响 半径900m 井管直径500mm 回灌井增加的回灌量在抽水井影响范围内 随着离抽水井的距离增加而不断减少 当离开抽水井的影响范围后 回灌井不再受抽水井的影响 回灌井增加回灌量比率与井间距关系曲线 三 水源系统抽水井和回灌井设计 3 地下水的回灌方式的确定与计算 46 在抽水影响范围内 当井间距达到80m 回灌井的回灌量可增加30 左右 也就是 说 如果单从为了增加回灌量 回灌井应 离抽水井越近越好 若考虑由于回灌量增 大造成地下水温度增加 则需要控制回灌 井离开抽水井的距离 三 水源系统抽水井和回灌井设计 3 地下水的回灌方式的确定与计算 2012 3 27 24 47 采用夏季抽灌方案 抽水井出水量的44 9 51 9 来自回 灌水量 而采用冬季抽灌方案 抽水井出水量的43 8 55 2 来自回灌水量 抽水井抽取含水层水量与回灌水量统计表 抽灌 方案 抽水 井号 含水层水量 m3 d 回灌水量 m3 d 抽水井降 深 m 备注 夏季 方案 2 2310 2490 3 44 单井抽水量和 单井回灌量均 为4800 m3 d 临近工程 单井抽水量均 为3600 m3 d 3 2645 2155 3 59 冬季 方案 1 2150 2650 3 60 4 2700 2100 4 12 三 水源系统抽水井和回灌井设计 3 地下水的回灌方式的确定与计算 48 在作为地下水地源热泵所使用的抽水 回灌对井中 井 距必须控制在合适的距离 只有为抽水井提供适宜的水 温 才能保证热泵的合理运行 充分体现节能效果 如 井距过小 使回灌水在含水层中未能使温度得到恢复即 流动到抽水井 势必会影响抽水井正常的出水温度 抽水井出水温度表 抽灌方案 井号 地下水温度 回灌水温度 抽水井出水温 度 夏季方案 2 15 28 21 74 3 15 28 20 84 冬季方案 1 15 8 11 14 4 15 8 11 94 三 水源系统抽水井和回灌井设计 3 地下水的回灌方式的确定与计算 2012 3 27 25 49 目录 一 地下水地源热泵系统的水源系统 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 三 水源系统抽水井和回灌井设计 四 案例分析 五 回灌及回灌井的堵塞 50 地下水回灌技术地下水回灌技术 地下水换热系统是整个水源热泵空调系统运行成败的关键 系统之一 为了保障系统的正常运作 对地下水进行回灌 以保持地下水量和地下水位的稳定 是非常有必要的 运用地下水回灌技术不但可以避免因抽取地下水带来的地 面沉降问题 而且还能保证系统能有足够的地下水以供系 统运行 水源热泵空调系统的地下水回灌是指由抽出的地下水经热 泵机组之后 再通过回灌井返回含水层中 目前 常用的地下水回灌方法有三种 真空回灌 重力回 灌和压力回灌 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 26 51 1 真空回灌真空回灌 真空回灌又称负压回灌 在具有密封装置的回灌井中 开泵扬水时 井管和管 路内充满地下水 图A 停泵 并立即关闭泵出口的控制阀门 此时 由于 重力作用 井管内水迅速下降 在管内的水面与控制阀之间造成真空度 图B 在这种真空状态下 开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀 靠真空虹吸 作用 水就迅速进入井管内 并克服阻力向含水层中渗透 真空回灌适用于地 下水位埋藏较深 静水位埋藏深度大于10m 渗透性良好的含水层 由于回 灌时 对井的滤水层冲击不强 所以很适宜老井 四 回灌及回灌井的堵塞 52 2 重力回灌重力回灌 重力回灌又称无压自流回灌 它是依靠自然重力进行回灌 即依靠井 中回灌水位和静水位之差 此法的优点是系统简单 它也适用于低水 位和渗透性良好的含水层 现在国内大多数系统都采用这种无压自流 回灌方法 四 回灌及回灌井的堵塞 a b c 2012 3 27 27 53 3 压力回灌压力回灌 通过提高回灌水压的方法将热泵系统用后的地下水灌回含水层内 压力回灌 适用于高位和低渗透性的含水层和承压含水层 它的优点是有利于避免回灌 的堵塞 也能维持稳定的回灌速率 维持系统一定压力可以避免外界空气侵 入而引起地下水氧化 但它的缺点是回灌时 对井的过滤层和含砂层的冲击 力强 压力回灌根据压力情况可分为正压回灌和加压回灌两种方法 1 正压回灌 水源可以是自来水 利用自来水管网压力 1 2 kg cm2 产生水头差进行回灌 适用回灌量不大的管井 这种回灌技术方法 上海 的深井管理工人称之为 正压回灌 正压回灌所产生的水头差实际在地面 之上 而真空回灌的回灌水位与静水位之间的水头差在地面以下 所以真空 回灌又称 负压回灌 2 加压回灌 使用机械动力设备 如离心泵 加压 一般加压到3 4 kg cm2 产生更大的水头差进行回灌 适用范围广可用于地下水位较高和透 水性差的含水层 以及滤网强度较大的深井 根据井的结构强度和回灌量确 定回灌压力 四 回灌及回灌井的堵塞 54 压力回灌有三种不同的 进水方式 即 一是泵管内进水 水从进 水管路 输入管路流入 泵管内 经过过滤管渗 入含水层里 二是泵管外进水 水从泵 管与井管之间进水 渗 入含水层里 三是泵管内和泵管外同时 进水 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 28 55 回灌井的堵塞回灌井的堵塞 回灌对于水源热泵空调系统有着至关重要的作用 回灌井 的质量 回灌比大小 都影响着地下水地源热泵系统的质 量 在实际操作中 回灌或多或少会出现一些问题 比如说有 一些回灌井 特别是利用旧有的抽水井经过简单改装而成 的抽灌两用井 在回灌过程中有时会出现堵塞 水质变坏 出砂等问题 在系统连续运行时 在过滤器周围及沉淀管内化学反应所 生成的沉淀物的淤积速度比较慢 在间歇期 化学沉淀反 应有足够时间 将加速井管堵塞 四 回灌及回灌井的堵塞 56 1 回灌井的回灌井的堵塞现象堵塞现象 在回灌过程中 当保持一定的回灌量时 随着回灌时间的增长井内回 灌水位往往逐渐地或迅速地上升 甚至水从井口大量溢出 当保持一 定的水头时 随着回灌时间的增长 回灌量就逐渐地或迅速地减少 甚至水灌不进去 在回灌过程中 若回灌水位突然上升或长期上升 回扬时的动水位突 然下降或长期下降 稳定不下来 说明回灌井的滤水管堵塞或含水层 水路不疏通 碰到此种情况就要停灌查明原因 以便采取适当的措施 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 29 57 堵塞原因及分类 1 物理堵塞 气相堵塞 悬浮物质堵塞 固体颗粒排列变化引起的堵塞 2 化学堵塞 氢氧化铁沉淀 碳酸钙沉淀 金属滤管和井管腐蚀生成铁质沉淀物 3 生物化学堵塞 生物化学堵塞与微生物活动有关 如回灌水中含有微生物或能助长 含水层内微生物繁殖的物质 当微生物死亡后其残骸会堵塞含水层的有效 空隙 2 抽水 回灌井回灌堵塞原因 四 回灌及回灌井的堵塞 若回灌水的浑浊度以1度计算 相当于1mg l悬浮物 回灌1000m3水时 就有1kg的悬浮物被带入井中 这些 被带入井中的悬浮物常聚积在过滤器及其附近的含水层 中 形成不透水膜 堵塞进水通道 灌水回弹 抽水压密 如此长期反复抽 灌 相当于对含水层反复加荷 卸荷 结 果使含水层颗粒和井外围填砾越来越紧密 空隙减少 渗水性能降低 58 悬浮物质堵塞 不论水质好坏 地下水中都存在一定的悬浮物质 在水 流作用下 悬浮物质可在过滤管上或人工填砾层中沉淀 造 成过滤管过水面积减少或人工填砾层渗透系数降低 从而降 低回灌井的回灌效率 在抽水 回灌井的回灌量不变的情况 下 将造成管井内水头不断升高 存在悬浮物质多的地下水或高矿化度的地下水 在温度 升高或接触空气后 易产生絮状悬浮物质 会严重堵塞回灌 井的缠丝间隙和包网孔隙 使回灌井的回灌能力急剧下降 悬浮物质含量越高 堵塞越明显 井中水头达到最大允许值 的时间越短 则回灌井的回扬洗井间隔越短 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 30 59 从沉淀管内沉淀物的组成推测 过滤器的堵塞物 可能有三种 1 从含水层带入的石英 长石等细 的矿物岩石颗粒 2 从井筒壁剥落的腐蚀产物 以硫化铁和碳酸亚铁为主 3 在过滤管附近由于 压力的变化导致水中 H2S的逸出 使水中的平 衡条件改变 引起 FeS等的沉淀 四 回灌及回灌井的堵塞 3 CaCO 3 FeCO 60 化学堵塞 化学沉淀物的沉淀范围并不局限于沉淀管 它可在过 滤管附近的含水层中出现 它对含水层颗粒物 过滤器 滤网缝隙及沉淀管的其它类沉淀物起胶结和固结作用 会使堵塞严重化 五 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 31 61 在松散地层中进行的回灌 回灌量往往小于含水层的 出水量 回灌井单位回灌量难以达到单位出水量并不是含水 层造成的 而是由回灌井结构造成的 影响抽水 回灌井的回灌能力的回灌井结构主要为过 滤管 在成井过程中的人工回填层以及洗井效果也是影响抽 水井 回灌井工作效率的主要原因 1 人工回填层 如果人工回填层的渗透系数大于含水层的渗透系数 则在人工回填层中的水头损失可以忽略不计 但如果人工回 填层的渗透系数小于含水层的渗透系数甚至很多 必须考虑 人工回填层的水头损失 3 影响抽水 回灌井回灌能力的因素 四 回灌及回灌井的堵塞 62 2 泥浆堵塞 一旦存在泥浆堵塞现象 人工回填层的渗透系数就可 能远小于含水层的渗透系数 则会造成井水面的额外降低或 升高 井周泥浆堵塞而造成的降深或升幅是与Q的一次方成 正比 也与泥浆堵塞层的半径的对数成正比 而与被堵塞层 的渗透系数成反比 3 过滤管的水头损失 水流通过管壁圆孔的水头损失 水流通过缠丝间隙的水头损失 过滤管摩阻引起的水头损失 3 影响抽水 回灌井回灌能力的因素 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 32 63 1 水动力条件改变对地下水水质的影响 随着系统抽水 回灌的进行 含水层水动力条件变化 地下水从压力较高地带进入压力较低地带时 溶解气体 从水中逸出 使水溶解碳酸盐类的能力降低 而析出CaCO3 2 包气带氧化环境的影响 地下水地源热泵系统的持续运行 可能导致局部含水 层被疏干 饱水带变为包气带 使非氧化环境转变为氧化 环境 氧化作用加强 而硫化物的氧化作用则能使金属转 变为较易溶解的状态 从而具有迁移能力 结果使不溶解 的化合物变为可溶 所生成的化合物随后被水溶滤 4 地下水地源热泵系统对地下水水质的影响 四 回灌及回灌井的堵塞 64 3 地下水混层的影响 地下水混层的影响主要有两种模式 上部含水层已经污染 而下部含水层水质较好 由 于抽水 回灌井设计和施工问题 井结构连通上 下含水层 使已污染的上部含水层的水进入下部含水层中 使污染进 一步扩散 单井抽灌或异层抽灌 造成已污染的含水层中水进 入优质地下水中 扩大地下水水质恶化的范围 或将优质的 地下水回灌入已污染含水层中 造成优质地下水的损失 4 地下水地源热泵系统对地下水水质的影响 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 33 65 4 温度对地下水水质的影响 地下水地源热泵系统运行可以引起地下水正常温度 的变化 而温度的变化将可能影响地下水中微生物的生长 与繁殖 即影响微生物对进入地下水中污染物的降解 也 就会影响地下水的水质 温度对氧化 还原过程中微生物的影响 温度对氮细菌的影响 温度对降解有机物细菌的影响 温度对水质的影响 4 地下水地源热泵系统对地下水水质的影响 四 回灌及回灌井的堵塞 66 5 系统抽灌管路影响 依据水质检测结果 地下水地源热泵系统运行前后 地下水中PH值 硫酸盐 重碳酸盐以及铁 锰的含量均没有产生明显的变化 系统停机后采取抽水回灌管路 回灌井中滞留的地下水的水样总体 呈现红色 且悬浮物较多 对地下水样进行化学分析 该水样富含 Fe3 表明系统抽水 回灌井在静置过程中 其氧化还原环境变化比 较明显 水中Fe2 被氧化成Fe3 水变成 红色 这种影响只是局 限在井周范围内 在洗井 回扬或抽水 回灌井轮换时 这类地下 水将被清除 不会对地下水环境产生影响 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 34 67 5 抽水 回灌井造成堵塞后 可以使用如下方法 进行处理 1 用回扬处理堵塞 2 洗井方法处理堵塞 3 用化学方法处理堵塞 4 修井方法处理堵塞 四 回灌及回灌井的堵塞 68 井堵塞机理及处理方法井堵塞机理及处理方法 四 回灌及回灌井的堵塞 2012 3 27 35 69 目录 一 地下水地源热泵系统的水源系统 二 水源系统抽水井和回灌井设计中考虑的因素 三 水源系统抽水井和回灌井设计 四 案例分析 五 回灌及回灌井的堵塞 70 五 案例分析 根据本次水文地质勘探结果 场区自然地面以下至钻探深度 46 60m 内地层分布统计如表 该深度范围内揭露3层地下水 地下水类型分别为潜水和承压水 2层 典型地层分布见图 1 场地水文地质条件 场地典型地层剖面图 钻孔距离 m 西东 G1 36 67 A1 36 7936 69 I1 36 69 D1 36 67 B1 36 6636 64 C1 36 70 E1 36 76 注 图中的地下水位为2006年7月24日各观测孔统测水位标高 Z1 Z2 潜水含水层潜水含水层 第第1承压水含水层承压水含水层 第第2承压水含水层承压水含水层 成因 年代 地层岩性 层顶标 高 m 含水层 隔水层 层厚 m 地下水位 标高 m 人工 堆积 层 粘质粉土填土 36 62 36 84 自然 地面 0 70 1 50m 第四 纪 沉积 层 以粘质粉土 粉质粘土为主 35 22 35 99 9 50 10 70m 以细砂为主 25 09 25 87 潜水赋存 层位 3 10 4 00m 24 861 以粉质粘土 重粉质粘土为主 21 44 22 36 相对隔水 层 13 30 15 50m 以卵石 圆砾为主 6 06 8 46 第1承压 水 含水层 3 20 5 60m 23 54 23 62 粉质粘土 粘质粉土为主 1 76 3 84 相对隔水 层 3 50 6 80m 以卵石 粉砂为主 1 60 3 66 第2承压 水 含水层 0 90 2 70m 23 54 23 75 以粉质粘土 粘质粉土为主 5 26 4 03 相对隔水 层 2012 3 27 36 71 地下水补 径 排条件及水位动态 场地潜水动态类型为渗入 蒸发 径流型 试验场承压水天然动态类型属渗入 径流型 受人为因素影响 该 层地下水水位变化较大 自九十年代以来 地下水水位出现下降趋势 利用场地第1层 第2层承压水水位监测数据 2007年5月初的监测 资料 绘制水位标高等值线图分别见图3 6和图3 7 由图可见 场地 内第1层承压水总体自西南向东北方向流动 平均水力坡度在1 左右 第2层承压水总体自北向南流动 平均水力坡度在1 5 左右 0102030405060 30 20 10 Z1z2A2B2 C2D2 E2 F2 G2 H2 I2 J2 K2 图3 6 试验场第1层承压水等水位线图 0102030405060 30 20 10 Z1z2 A1 B1 C1D1 E1 F1 G1 H1 I1 J1 K1 图3 7 试验场第2层承压水等水位线图 五 案例分析 72 抽水 回灌井井间距30m左右 井深46m左右 为混合井 主要抽取 回灌第1 第2承压水含水层中的地下水 抽水 回灌井成井资料具体见 图3 9和3 10 粉质粘土 褐黄 色 湿 姜石 卵石 杂 色 饱和 D大6cm 一般2 4cm D长8cm 未风 化 含砂量约25 圆形 亚圆形 级配较好 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 卵石 杂 色 饱和 D大8cm 一般3 5cm D长10cm 未 风化 含砂量约25 圆形 亚圆形 级配较好 粉质粘土 褐黄 暗 色 湿 砂质粉土 褐黄 色 湿 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 23 90 24 10m为砂质粉土轻 含粗颗粒 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 粘土 棕 色 湿 姜石 粉质粘土 褐黄 色 湿 砂质粉土 褐黄 色 湿 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 细砂 褐黄 色 饱和 粗砂 褐黄 色 饱和 细砂 褐黄 色 饱和 细砂 褐黄 色 湿 砂质粉土 褐黄 色 湿 重粉质粘土 褐黄 色 湿 粗颗粒 粉质粘土 褐黄 色 湿 贝壳 重粉质粘土 灰 色 湿 贝壳 粉质粘土 灰黄 色 湿 贝壳 粉质粘土 黄灰 色 湿 粉质粘土 褐黄 暗 色 湿 粘质粉土 褐黄 色 湿 粉质粘土 褐黄 色 湿 土质不均 粘质粉土 褐黄 色 湿 第 四 纪 沉 积 层 粘质粉土填土 黄褐 色 湿 植物根 人工堆积层 1 200 断 面 描 述 m 深 度 m 柱状图 成 因 年 代 含 水 层 层 次 水井结构 内外径 300 320 毫米 井管结构 间距 1 5 左右 间距 1 5 左右 30 13m 41 27m 38 32m 优 质 粘 土 封 孔 24 00m 8 15 毫 米 滤 料 33 27m 缠 丝 规 格 毫米 和 间 距 砾 料 规 格 45 70m 标 高 图3 9 Z1井资料卡片 粉质粘土 褐黄 色 湿 卵石 杂 色 饱和 D大7cm 一般2 4cm D长9cm 未风 化 含砂量约20 亚圆形 级配较好 粉砂 褐黄 色 饱和 粉