地下水源热泵系统中回灌能力分析
第32卷第3期
2012年6月
水文
JOURNALOFCHINAHYDROL0GY
V0l-32No.3
Jun.,2012
地下水源热泵系统中回灌能力分析
赵宏亮
(河北省唐秦水文水资源勘测局,河北唐山063000)
摘要:近年,地下水源热泵技术在我国被广泛应用,并在节能,环保等方面取得了一定效益.但
是,回灌问题仍是困扰我国地下水源热泵发展的瓶颈.以唐山市丰润区乡居假日住宅区A4区地下水
源热泵系统的应用为例,从区域水文地质条件方面,对水源热泵系统中地下水回灌能力进行了分析.
指出开展地下水源热泵项目时,掌握热源井所在区域水文地质条件的重要性.探讨了影响地下水回灌
能力的关键因素,其中包括区域水文地质条件,热源井成井工艺,回灌井阻塞以及地下水回灌方式
关键词:地下水源热泵;热源井;水文地质条件;回灌试验;地下水回灌
中图分类号:P345文献标识码:A文章编号:1000—0852(2012)03—0060—06
1概况
地下水源热泵技术是地源热泵技术的一个重
要分支.这项技术起始于1912年,至20世纪90年
地源热泵技术在许多 代,热泵行业技术日趋成熟,
国家得到快速推广应用.目前地源热泵安装数量最
多的国家主要是欧美发达国家.美国已建成地下水
源热泵工程约5万余项.国内从1997年开始引进
欧洲地下水源热泵产品.据统计,1999年年底,我国
仅有约100套地下水源热泵空调系统,而到目前全
国的地下水源热泵工程数量已至少在1500项以
上,其中北京,河北,河南,山东,辽宁和天津等地的
工程数量居多….国内地下水源热泵工程服务对象
主要是办公楼,公共场所(宾馆,学校,医院等)及住
宅小区等.
唐山市丰润区乡居假日住宅区是河北唐山市新农
村建设科学发展示范项目,位于唐山市区与丰润区发
展带之间.距唐山市北外环7km,距丰润区8km.住宅小
区总占地面积181.37hm2,其中住宅用地面积94-79hm,公
共设施用地面积36.58hm.道路及绿化用地面积50hm,
绿化率40%t2~.
按住宅小区详细规划,小区的住宅用地和公共设
施用地划分为30个地块,其中A4地块建住宅楼.建
筑面积167746.7m2.利用地下水源热泵系统解决A4
区居民冬季供热和生活热水热源,小区居民冬季供热
时间为每年l1月15Et到次年3月15日,共120d.取
暖空调机组热负荷为4529kW,生活热水负荷1299kW.
总热负荷5828kWt3~.A4区住宅楼空调的热源和居民
生活用水热源由制热量2449kW,功率442.8kw的机
组2台,制热量1010kW,功率240kW机组2台提供.
根据区域水文地质条件.在住宅小区所在范围内凿井
取水,利用地下水作为水源热泵系统的冷热源,水源选
用第四系孔隙水【41.
2区域水文地质条件
2.1含水层分布特征
住宅小区所在的水文地质单元属还乡河冲洪积
扇顶部平原水文地质区.含水组在垂向上划分为四
个含水组,即I,?,?,?含水组.第1,?含水组属
潜水,第?,?含水组均属承压水,其中以第?,?含
水组的水文地质条件最佳.各含水层组特征:第1含
水组(Q,)含水组底板埋深一般在10,30ITI左右,含
收稿日期:2011-11-02
作者简介:赵宏亮(1977一),男,河北乐亭人,高级工程师,从事水文水资源分析与
评价
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工
作.E—mail:zhaohlwide@163.corn
第3期赵宏亮:地下水源热泵系统中回灌能力分析61
水层岩性以粗砂,细砂及黏质砂土,砂质黏土为主;
第?含水组(Q)底板埋深在4O,50m左右,含水层
岩性以卵石和粗砂为主,厚度20—30m,富水性极
好,根据抽水试验资料,单位涌水量65.141.33m3/h?m,
地下水水化学类型HCOFCa?Mg型水,矿化度小于
0.5g/L,水质较好;第?含水组(Q.):底板埋深在70,
90m左右.含水层岩性多由卵石和粗砂组成,中间夹
厚1.5,2m的砂或黏土层,厚度4O,50m,含水层密
实程度较高,富水性较好,单位涌水量61.69—101.11
m/h?m,地下水化学类型HCO,一Ca?Mg型水,矿化
度小于0.5gtL,水质较好;第?含水组(Q1)底板埋深在
90,140m左右.含水层岩性多由粗砂,细砂组成.厚度
30,40m,富水性中等,单位涌水量14.91,29.52m3/h?m,
地下水化学类型HCO3--Ca?Mg型水,矿化度小于
0.5g/L.
2.2地下水动态
区域地下水补给主要有降水人渗补给,侧向迳流
补给,河道渗漏补给和井灌回归补给等.地下水总体
迳流方向是自北,东北向南,水力坡度一般为0.10%o,
0.55%0.排泄主要以人工开采为主,其次为向下游地区
的侧向径流排泄.
区域地下水动态主要受大气降水及人工开采的
影响.浅层水年内变化过程,一般是每年4,6月份水
位急剧下降,7—8月份降雨入渗补给充分,地下水位
开始上升,l1月份水位又缓慢下降,12月份冬灌停
止,水位缓慢上升.一般情况最低水位出现在5月底
或6月初,最高水位出现在1,2月份.根据河北省唐
秦水文水资源勘测和丰润区水务局2002,2007年长
期地下水动态资料分析.区域地下水位多年呈逐渐
下降趋势,平均下降速率0.16m/a『4】.
3水源热泵系统需水量
唐山市丰润区乡居假日住宅区A4区住宅楼取暖
空调机组和生活热水总热负荷5828kW,制热机组输
入功率l457kW,水源热泵系统冬季抽取14?左右的
地下水,通过热交换器温度降至4.5?左右后,回灌到
地下同一含水层.A4区水源热泵系统需地下水量
60.6x104m3/a.在水源热泵系统每天运行24h过程中,
最大循环水量396m3/h,运行时间为冬季每天l8:00
时,23:00时:最小循环水量99m3/h,运行时间为冬季
每天11:00时,18:00时;冬季每天6:00时,11:00时
和23:O0时,6:00时,所需水量均为198m3/ht41,详见
表l.
表1A4区地下水源热泵系统在不同运行时段需水量统计表
Table1Thewaterdemandstatisticsofthegroundwaterheatpump
systemindifferentoperationperiodsatA4area
4地下水回灌能力分析
4.1抽水与回灌试验
地下水源热泵系统热源井包括抽水井和回灌井.
A4区热源井成井深度在88.0—112m,井孔半径均为
O.28m.主要取水层岩性为卵石,平均厚度46.3m.抽
表2A4区热源井抽水试验成果表
Table2TheresultsofpumpingtestofheatsoureewellatA4area
62水文第32卷
水试验采用250QJ80—77型潜水泵,下泵深度49in,根
据8眼热源井的抽水试验资料结果,抽水井降深1.00m
时,涌水量为80.0m3/h,单位涌水量80.0m3/h.m嘲.抽
水试验观测资料见表2.经计算,单眼井涌水量为
8Om3/h时,影响半径为37.4m
2009年12月21日下午3时,5时,从23号井抽
水向24号井灌水做回灌试验,24号井作为观测井,抽
水量与回灌水量均为80m3/h,24号井无溢水现象,回
灌率100%,观测24号井静水位埋深仍为35m.与回
灌前一致.2009年12月2713下午2时10分,3时20
分,从5号井抽水向3号井灌水做回灌试验,24号井
为观测井,抽水量与回灌水量均为80m3/h,3号井无溢
水现象,回灌率100%,观测24号井静水位埋深仍为
35m,与回灌前一致嘲.根据抽水回灌试验结果,当回灌
量为80m时,观测井静水位埋深保持稳定,抽水井
与回灌井比例为1:1,单井回灌率100%.
4_2热源井布设
根据抽水试验结果,单井出水量按80m3/h
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
,
用5眼井作为供水水源井,总出水量达到400m,可
以满足地下水源热泵系统最大循环水量396m3/h的要
求.根据回灌试验结果.热源井平均回灌量80m,抽
水井与回灌井比例1:1,考虑回灌井回灌能力随时间衰
减问题,设计回灌井6眼,共布设11眼井来满足A4
区地下水源热泵系统抽水和回灌的需要.抽水井与回
灌井比例5:6.
另外,热源井布设时,井孔中心距电话线至少10m,
距地埋电力线路及松散层旧井空边线的距离至少51TI.
距地下通信电缆,构筑物,通道及其他地下设施边线水
平距离至少2m,距高压线的距离一般为塔高的2倍;
与地面高层楼房及重要建筑物应保持足够的安全距
离,并遵守有关行业施工现场的规定昀.
4.3回灌能力分析
由A4区热源井回灌试验结果可知.热源井回灌
能力强,单井回灌率100%,分析其原因,主要是因为
区域水文地质条件好.热源井所在区域属还乡河冲洪
积扇顶部平原水文地质区,主要取水层岩性是卵石.卵
石是以圆形及亚圆形为主,粒径大于200mm的颗粒超
过总质量的50%的土类[71,卵石含水层颗粒粒径大.富
水性极好,渗透性强.丰润区第四系浅层水(第1,?含
水组)卵石含水层渗透系数平均为160m/d.最大可到
450m/d,第四系深层水(第?,?含水组)卵石含水层
渗透系数在20,50m/d之间嗍.热源井取水层选在第?,
?含水组卵石层,过滤器安装在相应的卵石层位置,卵
石层厚度厚,渗透系数大,地下水回灌能力强.
A4区抽水与回灌同时进行.在地下水源热泵系统
运行24h的过程中,详见表3,6:00时,11:00时和
23:00时,6:00时均需3眼井作为抽水井.其余8眼
井可作为回灌井,抽水井与回灌井的比例3:8;l1:00
时,18:00时需2眼井作为抽水井,其余9眼井可作为
回灌井,抽水井与回灌井的比例2:9;18:00时,23:o0
根据A4区建筑物布局.同时考虑热源井的热传导途
径和抽水影响半径,尽量加大热源井间距.将热源井间
距布置为55,80nl.在抽水井和回灌井轮换使用过程
中,尽量保证抽水井和回灌井本身及两者之间间距最
大.这样布设水井即避免井间抽水彼此影响,又使回灌
水在地层中有较长距离的热传导途径.减少了对抽水
井温度场的影响,以提高水源热泵的热功能效应,防止
产生”热短路”现象.
时需5眼井作为抽水井,其余6眼井可作为回灌
井,抽水井与回灌井的比例5:6.A4区热源井在24h
运行过程中,18:00时,23:00时抽水量与回灌量均最
大,抽水井与回灌井的比例也最大,为5:6.在此段时
间内,地下水回灌效果最差.但是,由于最不利的情况
每天只持续5h,并且抽水井与回灌井又可更换使用,
热源井单井回灌率100%,因此.A4区热源井回灌能力
完全有保证.
热源井所在区域水文地质条件,是决定地下水回
灌能力的最重要的客观因素.地下水源热泵工程运行
表3A4区热源井24h运行情况统计表
Table3TheoperatingstatisticsofheatsourcewellatA4areain24hours
第3期赵宏亮:地下水源热泵系统中回灌能力分析63
时,只有保证地下水完全回灌,不浪费地下水资源,才
能在高效节能,绿色环保等方面发挥更大效益.为确保
地下水完全回灌,开展地下水源热泵项目时,应对地下
水源热泵工程所在区域的水文地质条件进行充分勘
查.详细掌握地下水埋藏,分布,补给,径流,水质和水
量及其形成的地质条件,水文地质条件差或地质灾害
易发区严禁开展地下水源热泵项目.
5影响地下水回灌能力的因素
5.1水文地质条件
水文地质条件是影响水源热泵系统中地下水回灌
能力的最重要的客观因素,取水层岩性粒径越大,厚度
越厚,越有利于地下水的回灌,以卵石为主的取水层回
灌能力最强,以中粗砂为主的取水层回灌能力其次,以
细砂为主的取水层回灌能力最差.
A4区热源井所在的区域属还乡河冲洪积扇顶部
平原水文地质区.含水组在垂向上划分为四个含水组,
即I,?,?,?含水组,第?,?含水组的水文地质条
件最佳.A4区热源井取水层分布有卵石,砂砾石,粗
砂,细砂,粘土等.其中以第?,?含水组的卵石层厚度
最厚,其他岩性厚度很薄.据统计.热源井取水层中第
?,?含水组的卵石层平均厚度41.9In.占取水层厚度
的90.5%,5号,8号,24号和24号井的取水层全部是
第?,?含水组卵石层;砂砾石层平均厚度0.4m.占取
水层厚度0.9%;粗砂层平均厚度1.4in,占取水层总厚
度的3%;细砂层平均厚度1m,占取水层厚度2.2%,
详见表4.由此可见,A4区热源井取水层主要是第?,
?含水组的卵石层,卵石层富水条件极好,渗透性强,
所以A4区热源井单井回灌率100%.
5.2热源井成井工艺
热源井设计必须保证持续出水量需求及长期可靠
回灌.热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质,设
计时热源井井口应严格封闭并采取减少空气侵入的措
施也是保障可靠回灌的必要措施.抽水井和回灌井
位置应避开有污染的地面或地层;热源井施工应根据
区域水文地质条件,热源井取水层岩性,采用不同的泥
浆,钻进系数,钻井口径,成井口径,冲孔换浆,砾料规
格,滤水管的缠丝结构,外滤水网的选用,投料高度以
及洗井等:热源井在成井后应及时洗井.洗井结束后应
进行抽水试验和回灌试验.
地下水源热泵系统足由水泵抽取地下水,完成供
暖和制冷过程后.经过热交换的地下水再次排人或泵
入地下同一含水层中.为防止回灌水污染地下水,应
定期对回灌水水质进行检测.保证回灌水的水质条件
要等于甚至高于原地下水水质条件.回灌井处的地质
结构要有良好的覆盖层和止水层,防止回灌后各个含
水层相互贯通,引起水质污染l1ol.另外,应加强管理,
组织相关部门制定地下水源热泵回灌水污染地下水
应急预案.
A4区热源井施工单位为丰润区水务局机械钻井
队.热源井井深在88,112m之间(90In,112m见基
岩),使用CZ一22,CC一6冲击钻施工,开孔直径大于
560.0mm,终孔直径560.0mm.井管类型采用钢筋混凝
土管,管材外径分别为325mm和219mm,过滤器(滤
表4A4区热源井取水层岩性统计表
Table4TheaquiferlithologystatisticsofheatsouI~cewellatA4aYea
47.3
712.7
平均
69
&
724
5
?????
8l819811
甜甜
““?
甜
35689
64水文第32卷
水管)绕丝,过滤器的安装位置以取水层中的卵石层位
置而定.过滤器滤料为井砂,直径3,5mm,厚度大于
100mm.加大管道与井孔间填充滤料的粒径,可保证
回灌通道畅通.钻机冲击次数40次/min,钻具长度不
低于8m,泥浆相对密度1.05,1.10,黏度22秒,泥浆配
比适宜阁.钻进过程中,钻机稳固,操作技术达标,井孔
倾斜低于1度.洗井采用水泵抽水方法,洗井抽水时间
大于48h.A4区热源井成井工艺符合设计要求.
5.3回灌井阻塞
回灌井堵塞是大多数地下水源热泵都会出现的问
题.回灌水在物理,化学作用条件下会产生悬浮物,结
垢和沉淀物.微生物可能在适宜的条件下在回灌井周
围迅速繁殖形成生物膜.悬浮物,结垢,沉淀物和生物
膜的形成将使得回灌井回灌量衰减.为避免回灌井阻
塞,须对回灌水进行预处理,减少回灌水中悬浮物的含
量,防止悬浮物阻塞回灌井;抽水井和回灌井间须设置
排气设置.防止氧气和水井内存在的低价铁离子反应
形成氧化物和气体黏合物;加大回灌井管道与井孔间
填充滤料的粒径使其回灌通道更顺畅,避免引起回灌
井阻塞:另外,去除回灌水中的有机质或者进行预消毒
杀死微生物,防止生物膜的形成.
A4区热源井在运行过程中,抽水井与回灌井交换
使用.在满足水源热泵系统用水量的前提下,其他热源
井都可用作回灌井,抽水井与回灌井换用可防止回灌
井阻塞.为了减缓回灌量的衰减,回灌过程中定期进行
回扬.为预防和处理管井堵塞一般采用回扬的方法,回
扬即在回灌井中抽排水井中的堵塞物.每眼回灌井回
扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透
性而定.A4区热源井抽取的是第四系孔隙水,并采用
同层回灌,回扬时间和频次可根据实际回灌情况确定,
保证回灌井正常工作.回扬持续时间以浑水出完,见到
清水为止.
5.4地下水回灌方式
水源热泵系统中地下水回灌方法有三种:真空回
灌,重力回灌和压力回灌【”】.真空回灌又称负压回灌,
适用于地下水位埋深较深.含水层渗透性好的地下水
含水层,由于回灌时对井的滤水层冲击不强,适宜老
井.重力回灌又称无压自流回灌,即依靠井中回灌水位
和静水位之差进行回灌地下水,适用于低水位和渗透
性良好的含水层.压力回灌是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,适用于高
水位和低渗透含水层,优点是有利于避免回灌井的堵
塞,维持稳定的回灌速率.避免外界空气侵人而引起地
下水氧化,缺点是回灌时,对井的过滤层和含砂层的冲
击力强.
由于A4区热源井水位低.取水层岩性主要为卵
石,渗透性好,渗透系数平均为160m/d,最大可到
450m/d,A4区水源热源系统采用重力回灌法回灌地
下水.目前大部分水源热泵系统均采用重力回灌地下
水.在地水源热泵可研编制阶段.应根据热源井地下水
埋深,取水层岩性等资料,确定最适合水源热泵工程的
地下水回灌方法
6结语
虽然国内大部分地下水源热泵系统运行的经济,
社会和环境效益显着,节能减排的效果明显,但是,回
灌问题仍是困扰我国地下水源热泵发展的瓶颈.应加
强对地下水源热泵回灌能力的研究力度.积极寻求易
于回灌的地下水源热泵形式与回灌技术.政府和水行
政主管部门对地下水源热泵的回灌问题应进行长期有
效的管理与监督.水源热泵系统运行后,应严格按当地
水行政主管部门批复的允许开采量进行开采,并实现
在无污染的前提下100%回灌;同时,应对抽水量,回
灌量及其水位,水温,水质进行定期监测,防止地下水
被污染,保护地下水资源.
由于地下水源热泵系统在冬季运行时回灌水水
温下降,在夏季运行时回灌水水温上升,长期开采地下
水易引发局部地面沉降和地质灾害,应加强对地面及
周围建筑物的观测,如发现地下水位大幅下降,或水量
锐减等异常情况,应停止运转,查明原因,并采用有效
的冶理措施.确保居民和建构物的安全.
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benefitsinenergysavingandenvironmentalprotection.However,groundwaterrechargeisstillthemaindifficulty.This
paperstudiedontherechargeofgroundwaterheatpumpaccordingtothelocalhydrogeologicconditionsatA4areain
theFengruncountrysideholidayblockinTangshanCity,pointedoutthatthelocalhydrogeologicalconditionisvery
important,anddiscussedthekeyfactorsimpactingtherechargeabilityofgroundwaterheatpump,includinglocal
hydrogeologicconditions,heatsourcewellcompletiontechnology,cloggingproblemofdisposalwellandgroundwater
rechargemode.
Keywords:groundwaterheatpump;heatsourcewell;hydrogeologicalcondition;waterrechargeexperiment;
groundwaterrecharge
„,????,,?,,?????l,??,?????,??,l???,,??,???,,,?,?,?l?l???,,,,?,???,,,,?l??,?,?,,lll,,,,llll,ll
(上接第74页)
ResearchonRainwaterStorageandUtilizationinQiannanyuEcologicalDemonstrationArea
QIAOGuangjian,FENGZhixue
(XingtaiHydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofHebeiProvince,Xingtai054000,China)
Abstracts:TheQiannanyuecologicaldemonstrationarea,locatedintheTaihangMountaininthesouthofHebeiProvince
covers376hm,whereprecipitationistheonlysourceofwatersupply.Inordertosecurethewatersupplyinthisarea,the
waterstructuressuchaswaterkilns,pondsandpumpstationshavebeenbuih,withthewatersavingsystemsofmicro-
sprayirrigation,dripirrigationandtubeirrigation,torealizefloodcontrolanddroughtrelief.Withthisecologicalman-
agementmode.theirrigationratecanreach91.7%intheQiannanyuecologicaldemonstrationarea.Thecombinationof
rainwaterresourceutilizationandsoilandwaterconservationtechnologyhasproducedremarkableeconomicandenvi-
ronmentalbenefits.
Keywords:rainwaterresources;catchmentengineering;ecologicalmanagementmode;watersavingirrigationtechnolo-
gY;Qiannanyuecologicaldemonstrationarea