地下水源热泵空调系统的设计.doc

第五章 地下水源热泵空调系统的设计5.1 概述地下水源热泵空调系统是我国应用较为普遍的一种地源热泵空调系统，也是国内较早的地源热泵之一。早在1965年，国内已研制成功首台水源热泵机组。1985年广州能源研究所首先在广东东莞游泳池开始应用地下水源热泵，用2540m深井中的24的地下水作为热源。但国内地下水源热泵的发展一直很缓慢，直到1996年，山东富尔达空调设备有限公司开发出水源热泵冷热水机组（水/水热泵机组），以井水为低位热源，通过阀门的启闭来改变水路中水的流动方向，实现机组的供冷工况与供热工况的转换。而后，井水源热泵冷热水机组很快就成为了国内空调界的热门产品，出现了大规模的地下水源热泵空调工程项目。到1999年底，全国大约有100套地下水源热泵空调系统1。进入21世纪，中国地下水源热泵的发展势头越来越好，越来越多的用户开始熟悉地下水源热泵，并在山东、河南、湖北、辽宁、河北、黑龙江和北京等地开始大量应用地下水源热泵空调系统。如同井回灌地下水源热泵自2001年首次在北京某工程上投入运行以来，其技术的推广与应用很快，到2003年底已完成160多个项目，总建筑面积超过200万m22。但是，根据调查3，近十年来，我国地下水源热泵空调系统运行情况并不能让人满意。这主要是由于设计、施工和运行管理还存在一些问题而造成的。因此，熟悉和掌握地下水源热泵空调系统的设计方法是十分重要的。地下水源热泵空调系统的设计包括建筑物内的空调系统的设计和水井系统的设计两大部分。前者，可参考常规空调系统设计规范、设计标准和设计手册等资料进行。而后者将是本章重点阐述的问题，主要包括：u 在选择和设计地下水源热泵空调系统之前，如何充分了解和掌握地下水可采用的价值和质量等水文资料以作为科学决策的依据和设计的原始资料。u 确定地下水换热系统的形式与组成。u 地下水量的确定。u 热源井的设计与施工。u 地下水源热泵机房的设计要点。u 地下水源热泵空调系统设计和运行中应注意的一些问题。5.2 工程场区调查与地下水水文地质勘察5.2.1工程场区调查与地下水水文地质勘察的目的和任务对工程场区调查与地下水水文地质勘察是为了获得资源条件，查明工程场区的地下水类型及其特征、分布和埋藏条件、水质、富水地段和富水程度、开采条件和工程场地状况等，为地下水源热泵空调项目的选择、规划和工程设计提供科学的依据，并为做出地下水源热泵空调项目的可行性评价提供依据。地下水源热泵空调项目可行性评价是决定其项目能否成功的关键。在以往的一些地下水源热泵工程实践过程中常常被忽略，由此造成系统失败，或出现运行状况并不理想等问题。这样的例子很多，如：u 已建成的地下水源热泵系统有相当一部分工程由于没有前期的勘察工作，或勘察工作有误，使得这部分工程的地下水不能100%的回灌到同一含水层中。众所周知，水是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。没有水，人类生活无法生存和发展。因此，保护水资源、合理地开发和利用水资源走可持续发展之路，使人类社会与自然环境协调发展，事在当代，功在千秋。正因为如此，地下水换热系统设计应根据地下水水文地质勘察结果，采用可靠的回灌等技术措施，使置换冷量或热量后的抽取水全部回灌到同一含水层，不得对地下水资源造成浪费与污染。不能有效回灌的地下水源热泵系统是典型的失败。u 宁波某地下水源空调系统的施工图设计完成后，发现水文资料出现严重的误解，将井水每天出水量误认为每小时出水量。因此，只好将原设计改为复式地源热泵系统，并将原计划采用地下水源热泵的其他13104m2建筑物改用其他空调方案3。湖南湘潭县某工程也因为水文地质资料错误，导致地下水源热泵系统失败3。u 一些工程项目在确定采用地下水源热泵空调系统之前，根本不做试验井，在不了解工程场地的地下水类型，分布范围，含水层厚度，地下水补给、径流、排泄特征，地下水质等情况下盲目上马，导致地下水源热泵工程出现地下水量不足，不能满足工程的需要；地下水温度过低，不能满足供热的需要；水质含沙量过大，运行不久就发生堵塞现象，如此等等。为了杜绝出现上述问题，设计的第一步，要首先在工程场区内做好调查与勘察工作。查明水文地质条件，对地下水资源做出可靠评价，提出地下水合理利用方案，为生产井和回灌井技术设计和施工图设计提供科学的依据。5.2.2 工程场区调查工程场区状况调查范围应大于拟定换热区100200m。通过调查和野外实际观测，查明和了解工程场区地貌、地下水分布和运动的基本规律等，是工程勘察工作的基础。其具体调查的内容为：u 场地规划面积、形状及坡度。工程场地可利用面积能否满足建地下水抽水井和回灌井的需要。u 场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布。u 场地内树木植被、池塘、排水沟及架空管线、输电线、电信电缆的分布。u 场地内地下管线和地下构筑物的分布及其埋深。u 场地内已有水井位置、井径、井类型、井的结构、井深度、井层剖面、井出水量、水位、水温和水质等。在完成上述的地质调查、地貌调查、水点调查、水质调查、建筑和管线工程调查等的基础上，写出调查报告。5.2.3 地下水水文地质勘察地下水水文地质勘察手段主要有地球物理勘探（物探）和钻探。物探是使用物探仪器测定地下岩土的物理参数，并以此推断出地下岩土的性质、构造、水文地质特性。物探方法很多，如磁法、重力法、电法、地震及放射性勘探等方法。在地下水勘察中，应以电法勘察为宜。电法又以直流电法中的电阻率法、自然电位法应用最广。常用电法勘探查明下述问题：u 含水层的分布及其深度、厚度等。u 地下水的矿化度和咸、淡水区的分布范围。u 钻孔的地层剖面和咸、淡水区的分界面。u 地下水水位、流向、渗流速度及其与地表水的水力联系。在调查和物探工作的基础上，应进行水文地质钻探。钻探是用钻机向地下钻孔，可从井孔内采取岩心，进行观测和试验，了解地下深部的地质、水文地质情况的一种勘察工作。通过钻井可以更直接而准确地了解到：u 地层岩性、层位。u 含水层的性质、埋藏深度、厚度和分布情况。u 含水层富水性和渗透性。u 地下水水温及其分布。u 地下水水质。u 地下水补给、径流、排泄特性等。钻探可以获得准确可靠的水文地质资料，是其他勘察工作不可替代的。部分钻探资料与物探结果互相校核。地源热泵系统工程技术规范中还明确指出：水文地质勘察应进行水文地质试验。试验的内容为：u 抽水试验，测定钻井的实际出水量。u 回灌试验。u 测量井水水温。u 取水样并化验分析水质。u 水流方向试验。u 渗透率计算。最后，要编写出水文地质勘察报告。它是水文地质勘察工作全部成果的集中表现，是综合性的技术文件。报告应明确指明地下是否有水、水量是否充足、水温是否合适、供水是否稳定、水质是否合格、场地是否合适打井和回灌等，并确定出地下水源热泵系统在此使用的适宜性和对设置生产井与回灌井的建议等。上述工程勘察工作是应用地下水源热泵空调系统的基础。因此，做好地下水源热泵的工程勘察工作是十分重要的。在地下水水文地质勘察中应注意下述问题：u 工程勘察可参照供水水文地质勘察规范GB50027和供水管井技术规范GB500296进行。u 当地下水系统供给的建筑物面积小于2800m2时，应当设一个勘测井。对于更大的建筑物则至少应设两个勘测井。u 设置勘测井时，应考虑到它能够作地下水源热泵的生产井使用。u 要由地质专家参与或监督钻孔工作和所有的取样与试验工作，撰写水文地质勘察报告。5.3 地下水源热泵系统的形式与组成地下水源热泵空调系统的形式，大致可分为分散式系统和集中式系统两种，如图5-1所示。集中式系统是选用大中型水/水热泵机组，集中安装在空调冷、热站内，集中制备热媒（或冷媒），然后由热媒（或冷媒）循环泵通过空调水管路系统，将热媒（或冷媒）输送到各个空调房间的末端装置内，以实现供暖（或供冷）；而分散式系统却是选用小型水/空气热泵机组，将小型水/空气热泵机组分别设置在各个空调房间内或各个区域内，由小型水/空气热泵机组直接向室内供暖（或供冷）。若分散式系统的水/空气热泵机组是按建筑物分区（如内区与外区、朝南区与朝北区等）分别布置的，其系统还具有回收建筑物内余热的功能，则这样的分散式系统由于具有水环热泵空调系统的基本属性，可以将它看作地下水源热泵空调系统的一种特例，称之为井水源水环热泵空调系统4（详见第八章）。目前，国内应用最多的地下水源热泵空调系统是集中式系统。但是，文献4认为井水源水环热泵空调系统将会有光明的应用前景。图5-2给出典型的集中式地下水源热泵空调系统，其系统是由地下水换热系统、水源热泵机组、热媒（或冷媒）管路系统和空调末端系统组成。图5-1 地下水源热泵空调系统形式框图图5-2 典型的集中式地下水源热泵空调系统图示地下水换热系统；水源热泵机组；热媒（或冷媒）管路系统；空调末端系统1-生产井群；2-回灌井群；3-井泵（或潜水泵）；4-除砂设备；5-板式换热器；6-一次水（地下水）环路系统；7-二次水环路系统；8-二次水管路定压装置；9-二次水循环泵；10-二次水环路补水阀；11-生产井转换阀门组；12-回水井转换阀门组；13-排污与泄水阀；14-排污与回扬阀门；15-热媒（或冷媒）循环泵；16-热媒（或冷媒）管路系统定压装置；17-热媒（或冷媒）管路系统补水阀门；18-补给水泵；19-补给水箱；20-水处理设备；21-分水缸；22-集水缸；23-放气装置；24-风机盘管空调末端系统的功能是按建筑物各房间（或区域）冷热负荷的大小，合理地将冷量和热量分配到各个房间或区域，并组织空气合理的流动，以创造出舒适而健康的室内环境。地源热泵系统通常选用风机盘管系统，或地板辐射供暖（冷）系统，或冷吊顶供冷（热）系统作为空调末端系统。热媒（或冷冻水）管路系统是输送冷媒与热媒的大动脉，将热泵机组制备的冷、热媒按建筑物的需要输送给用户，即输配冷量或热量，以满足末端装置的负荷要求。地下水源热泵系统的冷、热媒管路系统是由冷、热媒的循环泵、补给水系统、定压装置、排气与泄水装置及管路与附件等组成。可采用同程系统或异程系统。水源热泵机组是地下水源热泵空调系统的核心装置，通常选用水/水热泵机组或水/空气热泵机组，其功能是冬季制备供采暖用的热媒，夏季制备供空调用的冷媒。图5-3 分散式地下水源热泵空调系统图示15-同图5-2；6-生产井群转换阀门组；7-回灌井群转换阀门组；8-排污与回扬阀门；9-水处理设备；10-补给水箱；11-补给水泵；12-建筑物的水环路循环泵；13-定压装置；14-水/空气热泵机组地下水换热系统是地下水源热泵空调系统所特有的系统，其功能是将地下水中的低位能（1025）输送给水源热泵机组，作为机组低位热源（或热汇）。地下水换热系统的形式很多。由图5-3可以看出：根据生产井和回灌井的位置不同，可分为同井回灌系统和异井回灌系统两种。每种系统又可根据地下水是否直接供给水源热泵机组，又分为直接供水系统和间接供水系统。所谓的直接供水系统是指由井泵将井水直接送到水/水热泵机组或水/空气热泵机组中经换热器后，再重新返回同一含水层中。其流程：地下水井泵水源热泵机组回灌井；而间接供水系统是指地下水作为一次水进入板式换热器，与二次水换热，换热后的地下水通过回灌井返回地下同一含水层内。板式换热器的另一侧的二次水，在二次水循环泵作用下，输送给水源热泵机组。由图5-2可看出：集中式地下水源热泵空调系统的地下水间接供水系统是由一次水环路和二次水环路组成。图5-3可看出，其地下水换热系统的流程为：生产井泵3阀门组6除砂装置4板式换热器5阀门组7回灌井2。这个环路就是分散式地下水源热泵空调系统的地下水换热系统。采用间接供水系统，可以保证水源热泵机组不受地下水质不好的影响，防止机组出现结垢、腐蚀、泥渣堵塞等现象，从而减少维修费用和延长使用寿命，尤其是采用分散式地下水源热泵空调系统时，必须采用间接供水系统5。当采用集中式地下水源热泵空调系统时，可视地下水水质的优劣确定选用何种地下水系统。如果水质符合标准5，不需要采取处理措施时，可采用直接供水系统。其水质，可参考下列要求56：u 含砂量应1/200000。u PH值为6.58.5。u CaO含量应200mg/L。u 矿化度3g/L。u Cl-100 mg/L，SO42+200 mg/L，Fe+21 mg/L，H2S90不小于105.5.3 过滤器的设计要点1. 过滤器的型式与选择过滤器的类型很多，概括起来，可分为不填砾和填砾两大类。常用的过滤器结构形式有：u 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的，即在管上按错开的梅花形钻孔眼或条孔。u 缠丝过滤器是以圆孔、条孔滤水管为骨架，在滤水管外壁铺设若干垫筋（68mm），然后在其外面用直径23mm的镀锌铁丝并排缠绕而成。u 包网过滤器也是以各种圆孔、条孔滤水管为骨架，在滤水管外壁铺设若干条垫筋，然后包裹铜网、或棕树皮、或尼龙箩底布，再用铁丝缠绕而成。在过滤器周围回填一定规格的砾石层，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。过滤器类型的选择原则为：u 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。u 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。u 在粉细砂，层中含铁质较多的地区，应尽量采用双层填砾过滤器。上述几种过滤器的适用范围见表5-7。表5-7 几种主要过滤器的适用范围过滤器的型式适用范围圆孔、条孔过滤器（不填砾过滤器）裂隙、溶隙含水层，砾石、卵石含水层缠丝过滤器粗砂含水层，砾石、卵石含水层包网过滤器各种砾层含水层2. 过滤器进水孔眼直径与孔隙率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，但进水性能差。进水孔眼或宽度可参考表5-8选取。表5-8 过滤器的进水孔眼直径或宽度12过滤器名称进水孔眼直径或宽度岩层不均匀系数（d60/d10）2圆孔过滤器(2.03.0) d50(3.04.0) d50条孔缠丝过滤器(1.251.5) d50(1.52.0) d50包网过滤器(1.52.0) d50(2.02.5) d50注： d60、d50、d10是指颗粒中按质量计算有60%、50%、10%粒径小于这一粒径。 较细砂层取小值，较粗砂层取大值。过滤器的孔隙率是指管壁圆孔或条孔的孔隙率。各种管材允许孔隙率为：钢管30%35%，铸铁管18%25%，钢筋混泥土管10%15%，塑料管10%。一般钢制圆孔、条孔过滤器的孔隙率要求在30%以上，铸铁过滤器要求在23%以上。3. 过滤器长度选用的估算(1) 当含水层厚度小于10m时，过滤器长度应与含水层厚度相等。(2) 当含水层很厚时，过滤器长度可按下式进行概略估算： （5-3）式中： 过滤器的长度，m； 热源井出水量，m3/h； 过滤器的外径，mm；不填砾过滤器按过滤器缠丝，或包网的外径计算；填砾过滤器按填砾层外径计算。 决定于含水层颗粒组成的经验系数，按表5-9确定。表5-9 不同含水层经验常数值13含水层渗透系数（m/d）经验常数2590515601530503070305.5.4 管井的施工必须十分重视管井施工质量问题，应由专业队伍施工，做好每一工艺环节，才能获得较大出水量和优质水。一口优质井可使用20多年。管井施工的程序应为：钻凿井孔物探测井冲孔换浆井管安装回填滤料粘土封闭洗井抽水和回灌试验管井验收。下面简要介绍工程的主要过程。1. 钻凿井孔钻凿井孔的方法主要有回转钻进和冲击钻进。回转钻进是用回转钻机带动钻头旋转对地层切削、挤压、研磨破碎而钻凿成井孔的。其过程是：钻机的动力（电动机或柴油机）通过传动装置使转盘旋转，转盘带动主钻杆，主钻杆接钻杆，钻杆接钻头，从而使钻头旋转并切削地层不断钻进。当钻进一个主钻杆深度后，由钻机的卷扬机提起钻具，将钻杆用卡盘卡在井口，取下主钻杆，接一根钻杆，再接主钻杆，继续钻进，如此反复进行，直至设计井深。冲击钻进主要靠钻头对地层的冲击作用来钻凿井孔。冲击钻进过程是：钻机的动力通过传动装置带动钻具钻头在井中做上下往复运动，冲击破碎地层。当钻进一定深度（约0.5m）后，即提出钻具，放下取土筒，将井内岩土碎块取上来，然后再放下钻具，继续冲击钻井。如此重复钻进，直至设计井深。终孔直径应根据井管外径和主要含水层的种类确定：在砾石、粗砂层中，孔径应比井管外径大150mm；在中、细、粉砂层中，应大于200mm。但采用笼状填砾过滤器时，孔径应比井管外径大300mm。2. 物探测井井孔打成后，需马上进行物探测井，查明地层构造、含水层与隔水层的深度、厚度、地下水的水质等，以便为井管安装、填砾和粘土封闭提供可靠的资料。3. 冲孔、换浆为了在井管安装前将井孔中的泥浆及沉淀物排出井孔外，应进行冲孔、换浆。即用钻机将不带钻头的钻杆放入井底，用泥浆泵吸取清水打入井中，将泥浆换出，直至井孔全为清水为止。4. 井管安装换浆完毕后，应立即进行井管安装（简称下管）。下管的顺序一般为沉淀管、过滤管、井壁管。安装中应注意：u 下管前应根据凿井资料，确定过滤器的长度和安装位置（称排管）。u 可采用加扶正器的方法，保证井管在井孔中顺直居中。一般每隔3050m安装一个扶正器（如用长约20cm、宽510cm、厚度略小于井管外径与井壁之间的距离的三块木块，在井管外壁按120度放置，用铁丝缠牢。）5. 填砾和粘土封闭下管完毕后，应立即填砾和封闭。管井填砾和封闭质量的优劣，都直接影响管井的水量。为此，应注意下列问题：u 填砾时要平稳、均匀、连续、密实，应随时测量填砾深度，掌握砾料回填状况，以免出现中途堵塞现象。u 粘土封闭一般用粘土球，球径约为25mm。u 当填至井口时，应进行夯实。6. 洗井和抽水试验洗井就是用抽水的方法，使地下水产生强大的水流，冲刷泥皮和将杂质颗粒冲带到井中，再抽到地面上去，从而达到清洗含水层中的泥浆、细小颗粒和冲刷井壁上的泥皮的目的。其方法主要有：水泵洗井、压缩空气洗井和活塞洗井等多种方法。应根据井管的结构、施工状况、地层的水文地质条件以及设备条件加以选用。洗井的标准是彻底破坏泥浆壁，将含水层中残留的泥浆和岩土碎屑清除干净，当井水含砂量在1/500001/20000以下（1/50000以下适用粗砂地层，1/20000以下适用细砂地层）时，洗井为合格。抽水试验一般在洗井的同时进行，但要求稳定延续12小时。通过抽水试验对井的水质、水量、出水能力做出适当的评价。回灌试验应该稳定延续36小时以上，回灌量应大于设计回灌量。7. 管井的验收管井竣工后，应由设计单位、施工单位和使用单位根据供水管井设计、施工及验收规范共同验收。管井验收时，施工单位应提交下列资料：(1) 管井施工说明书。内容包括：u 管井的地质柱状图。u 井径、井深、过滤器规格和位置、填砾和封闭深度等。u 施工记录。u 井管安装资料、洗井资料、水质分析等资料。(2) 管井使用说明。内容包括：u 抽水设备的型号及规格。u 井的最大允许开采量。u 水井使用中可能发生的问题及使用维修的建议等。(3) 钻井中的岩样。5.5.5 管井的维护与管理目前，很多管井由于运行管理不当，出现了水量衰减、堵塞等现象，甚至导致早期报废。为此，必须加强管井的维护管理工作。在运行管理中应注意：(1) 保持井室内的环境，不得积水。(2) 建立和健全管井运行记录和维护管理档案。(3) 严格执行管井、机泵的操作规程和维修制度，按时进行日常维修和定期维修。(4) 如管井出现出水量减少，井水含砂量增大等情况，应请专家和工程技术人员进行仔细检查，找出原因和采取技术措施解决。(5) 在停泵期间，应隔一段时间进行一次维护性的抽水，以防止过滤器堵塞，并同时检查设备的完好情况。(6) 对机泵易损易磨零件，要有足够的备用件。5.6 地下水回灌技术众所周知，地下水是地源热泵的优良低位热源，但地下水又是宝贵的资源，是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。没有水，人类无法生存和发展。正因为地下水的双重性，决定了地下水源热泵只能通过地下水来采集浅层地能（热），而不得对地下水资源造成浪费和污染。因此，地下水回灌技术是地下水源热泵运行成败的关键技术。5.6.1 地下水回灌的意义目前，我国一些地区的水资源十分短缺，600多个城市中有300多个城市缺水。例如： 北京全市人均可利用水资源量仅为273 m3，不到世界人均占有量的10，远远低于国际公认的1000 m3的缺水线。目前，北京每年开采地下水26亿m3到27亿m3，全市超采区形成1000多平方公里的下降漏斗，漏斗区水位下降4m多，中心水位下降2030m，严重的地区达40m。据统计，北京市1998年较1980年地下水量减少28亿m3。据预测，2010年北京市缺水16.15亿m3，到2020年遇平水年缺水23.76亿m3，遇枯水年缺水30.90亿m3，水资源十分严重。 黄河沿岸黄河沿岸属于水资源极为短缺的地区。20世纪70年代，黄河下游多年持续断流，1972年1997年的26年间，有20年发生断流，90年代以来断流历史不断增长，1997年累计长达226天。据预测，2030年黄河流域和有关地区将缺水150亿m3左右。 沿海地区从西南的北海市到东北的大连市，特别是山东半岛、辽东半岛和渤海湾由于地下水超采造成不同程度的海水入侵。目前山东半岛海水入侵总面积已达643 km2。海水现在继续以每年几十至几百米的速度向陆地含水层推进。由于过度开采地下水使得部分城市出现了地面下沉。至今，我国已有50多座大中城市出现了区域性地面沉降，80%分布在沿海地区，较严重的是上海、天津、河北、苏州、宁波，详见表5-10。表5-10 中国沿海部分城市地面沉降统计表地区天津沧州上海常州苏州无锡南通宁波嘉兴湛江中心沉降（mm）27607442700110014501140300420750413沉降面积（km2）1300850200150100120600目前，地面沉降在杭嘉湖平原、苏锡常地区、环渤海地区、东南沿海地区继续大面积扩展，地面仍以1030mm/a的速度下沉。 辽宁省全省地下水超采面积达1500 km2，超采量4亿m3。沈阳地区形成了地下水位降深为28m，面积为280 km2的超采漏斗。辽阳地区形成了降深为23.5米，面积为320 km2的超采漏斗。大连、营口、锦州、葫芦岛的沿海地区海水入侵面积由20世纪80年代初的50 km2发展到90年代的766 km2。在面临地下水资源严重短缺的今天，如果地下水热泵的回灌技术有问题，不能将100%的井水回灌到含水层内，那将带来一系列的生态环境问题，地下水位下降、含水层疏干、地面下沉、河道断流等，会使现已不乐观的地下水资源状况雪上加霜。同时，也会由于无法长期地提供稳定的地下水而无法保证地下水源热泵空调系统的长期正常运行。为此，在地下水源热泵空调系统设计和运行中，应采取必要的回灌技术措施，进行地下水回灌，以不断地让地下水返回地下含水层，保持地下水的水位不变，维护储量平衡。5.6.2 地下水回灌方法与地下水灌抽比地下水源热泵空调系统的地下水回灌是指由抽水井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，而不同于地下水人工补给（俗称回灌，也称人工地下水回灌）。所谓的地下水人工补给是指将多余的地表水、暴雨径流水或再生污水通过地面渗滤，或回灌井注水，或者通过人工系统人为改变天然渗滤条件，将水从地面上输送到地下含水层中，随后同地下水一起作为新的水源开发利用。但二者的回灌井注水的方法却基本相同。目前，地下水源热泵空调系统的地下水回灌方法有三种：真空回灌、重力（自流）回灌和压力回灌。(1) 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5-9（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5-9（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。 （a） （b）图5-9 真空回灌(2) 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式。(3) 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，压力回灌适用于高水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。文献14介绍，荷兰地下水源热泵的地下水回路技术领先于其他西方国家，在技术上成功地解决了地下水回灌过程中井的堵塞问题。荷兰采用的回灌方式就是压力回灌。地下水灌抽比在理论上可以达到100%，但是，往往由于水文地质条件的不同，常常影响到回灌量大小的不同。特别在细砂含水层中，回灌的速度大大低于抽水速度。对于砂粒较粗的含水层，由于孔隙较大，相对而言，回灌比较容易。表5-11列出了国内针对于不同地下含水层情况，典型的灌抽比、井的布置和单井出水量情况14。表5-11 不同地质条件下的地下水系统设计参数含水层类型灌抽比（%）井的布置井的流量（t/h）砾石80一抽一灌200中粗砂5070一抽二灌100细砂3050一抽三灌505.6.3 地下水源热泵空调系统地下水回灌困难的原因目前，地下水源热泵空调系统运行中常出现灌抽比逐渐降低，甚至出现灌抽比小于30%的现象。其主要的原因是11415：1. 在回灌过程中，由于井管内水位最高，使地下水的运动是发散的径流向。同时，含水层常出现水丘现象，地下水丘对地下水回灌有一定影响，使静水位线局部升高，或要求提高灌压。而在原灌压的情况下，回灌水量将会下降。2. 回灌井堵塞。回灌井堵塞的原因大致可归纳为六种情况415，详见表5-12。表5-12 回灌井堵塞机理及处理方法堵塞情况成因处理方法浮悬物的堵塞浑浊物被带入含水层，堵塞砂层的孔隙 控制回灌水中悬浮物的含量 运行中采用回扬技术措施气泡堵塞空气被带入含水层。空气的来源有： 回灌井水中可能夹带气泡 水中的溶解性气体由于浓度、压力的变化而释放出来。 因生化反应而生成的气体。回扬微生物的生长回灌水中的微生物在适宜的条件下，在回灌井的周围迅速繁殖形成生物膜，堵塞过滤器孔隙。 去除水中的有机物 进行预消毒杀死微生物化学沉淀堵塞水中的Fe、Mn、Ca、Mg离子与空气相接触所产生的化合物沉淀，堵塞滤网和砂层孔隙。 回扬 酸化（HCl）处理 水质监测粘粒膨胀和扩散水中的离子和含水层中粘土颗粒上的阳离子发生交换，导致粘性颗粒膨胀与扩散。 注入CaCl2砂层压密砂层扰动压密、孔隙度减小、渗透能力降低。打新井3. 腐蚀问题腐蚀和生锈是早期地下水源热泵遇到的普遍性问题之一。地下水水质是引起腐蚀的根本原因。管道和过滤器因受电化学腐蚀，水中铁质增加，堵塞了滤网或砂层的孔隙，导致灌抽比减小。4. 渗透系数的大小是回灌难易程度的决定因素文献16通过理论降深解分析了无堵塞时，几种不同渗透系数时的灌压的变化，如图5-10所示。由图5-10可以看出，无论哪种井，回灌的灌压随着水平渗透系数的减小而增加，并且变化剧烈。灌压基本与水平渗透系数呈双对数分布，即。当水平渗透系数较小时，灌压对水平渗透系数的变化更为敏感。对于沙岩含水层（水平渗透系数0.1210-4m/s），四类热泵的灌压分别是95mH2O、100mH2O、43mH2O和123mH2O，这对于回灌来说是困难的。因此渗透系数是回灌难易程度的决定因素。对于渗透性能不好的含水层中的回灌井，更应该注意回水不能对含水层渗透系数产生影响。也即是，这种情况下更要注意避免回灌井的堵塞，否则会显著增加系统的灌压，加大井水循环泵能耗，甚至会使回灌井失效。图5-10 不同渗透系数时灌压和增加百分比SW-同井回灌地下水源热泵；PS-非完整井异井回灌地下水源热泵，与SW相比具有相同的含水层厚度，相同的过滤器长度和位置；FWFT-完整井异井回灌地下水源热泵，与SW相比具有相同含水层厚度；FWSS-完整井异井回灌地下水源热泵，与SW相比具有相同的过滤器长度5.6.4 防止回灌井堵塞的技术措施1. 回扬回扬清洗方法是预防和处理回灌井堵塞有效方法之一。目前在国内，通常采用回扬清洗的方法来维持地下水源热泵系统的地下水回灌。为了验证此方法的有效性，文献16通过理论计算，给出图5-11的回扬对地下水源热泵灌压的影响。由图5-11