青岛清华新能源有限公司 山东省青岛市 266000
摘要：地下水源热泵通过“地下水抽出—能量交换—回灌”的循环过程，实现了夏季地下水温度升高，冬季地下水温度降低，以达到调节室内温度的目的。因此，在地下水源热泵系统中，除了需要抽取足够的地下水量外，还应该把同量的地下水回灌到原来的含水层中，以使水资源得到循环利用。在地下水源热泵的运行过程中，地下水的回灌是一个非常重要的环节，地下水回灌技术是地下水源热泵系统的关键技术。但在回灌过程中，常常出现抽出来的水不能全部回灌的现象。如果长期不能正常回灌就会导致承压含水层厚度减小，进而导致地下水储量的减少、地面沉降等问题。若沉降量较大或出现差异沉降过大，还可能造成地面建筑物变形或破坏。因此，进行地下水源热泵系统回灌理论和回灌条件及方法分析有着重要的意义和实用价值。
关键词：水源热泵 回灌 强制回灌方式
1 国内外研究应用现状
对于水源热泵(water source heat pump，简称WSHP)技术，地面上热泵系统的设备和技术都已经相当成熟，而主要的技术/瓶颈0为地下水回灌系统。很多地区的水源热泵工程存在回灌困难的问题，一些单位将不能回灌的地下水偷偷排入河道或者下水管网，不但造成了洁净淡水资源的极大浪费，也使水源热泵技术在很多地区遭到了人们的排斥。但水源热泵效率高、占地少的特点又是地源热泵无法比拟的。因此，积极研究回灌技术，对地下水水源热泵技术的健康发展具有积极的意义。国内对水源热泵回灌技术进行系统研究的不多，多数工程基本通过经验设计，这些工程里面采用压力回灌的比例也极少。以北京为例，多数工程都是采用增加回灌井数量的方式来解决回灌困难问题的。
2 地下水源热泵回灌率低机理分析
地下水源热泵回灌率低的原因主要有两个：①井的过滤器及井周围的堵塞问题；②抽水后水位下降带来的含水层骨架的压密问题。
2.1 堵塞机理分析
地下水源热泵回灌难的一个主要问题是井的过滤器及井周附近含水层的堵塞问题。通常根据成因将堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞 3 种类型。物理堵塞中主要是悬浮物堵塞，它是注水井和地表回灌系统发生堵塞的最常见情况。化学堵塞主要发生在含水层中，含水层自身构成一个物理、化学和生物环境，回灌水迅速而集中地进入地下含水层后，急剧地改变了原来水岩作用的平衡状态，新的溶解、沉淀等反应过程会改变含水介质的渗透性能。生物堵塞是由于回灌水中的藻类、细菌等微生物群落在适宜的条件下迅速繁殖，其生物体或代谢产物附着在介质颗粒上形成生物膜，从而导致生物堵塞，造成过滤器及含水层导水能力的降低。
2.2 含水层压密分析
地下水源热泵在运行过程中不断从承压含水层中抽取地下水，使其水位下降，含水层本身和含水层的顶底板所受的孔隙水压力降低。由有效应力原理，含水层上部覆盖层荷载引起的总应力是由含水层孔隙中的水(孔隙水压力)和土颗粒骨架(有效应力)共同承担的。假设抽水过程中覆盖层荷载产生的总应力不变，而由于抽取地下水使孔隙水压力减小，则由含水层土骨架承担的有效应力会增大，其结果是引起抽水含水层产生固结压缩，含水层土被压密后再进行回灌就会变得非常困难。土体固结压密是一个缓慢的过程，地下水源热泵运行过程中，应在抽水的同时就进行回灌，否则产生地面沉降后将很难再进行回灌。
3 地下水源热泵回灌条件分析
3.1 水文地质条件
水文地质条件对地下水源热泵回灌效率的影响主要表现在承压含水层的渗透系数上，含水层渗透系数的大小与回灌量成正比，一般渗透系数 K 值越大，含水层厚度越大，回灌越容易。以卵砾石等较大的颗粒为主且厚度较大的含水层，其回灌效率都较高，可达到 50%～100%。而如果含水层颗粒不大，且含黏性时，其渗透性一般，回灌效率就会很低。因此，要想有好的回灌率，应选择颗粒大、水层厚的含水层作为地下水源热泵的目标含水层。另外，地形起伏也会影响含水层的抽灌水效果，一般地形平坦会非常有利于地下水水源热泵的回灌。
3.2 井距条件
井距条件也是影响地下水源热泵回灌的重要条件。当抽水井与回灌井之间的间距比较小时，抽灌水井之间有可能会形成“热短路”现象，使地下水源热泵系统的效率降低。甚至会引起由于相邻井之间过大的水头压力差带来的地下细砂层的砂土液化现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，需保证抽水井和回灌井之间有足够的距离，理想条件下，抽灌井之间的距离达到回灌井的影响半径(一般为 100～200 m)时回灌量可达到最大值。在建筑场地条件允许的条件下，抽灌水井的间距宜取大值。实际地下水源热泵系统使用往往受到场地条件的限制，目前我国使用地下水源热泵地区抽灌水井之间的间距多设计为 30～70 m。
3.3 井管过滤器孔隙率、砾料规格条件
对于回灌井的井管直径和孔眼间距的要求要比抽水井的更高些，因为即使抽水井的井壁孔隙率较低，也可以通过加大降深来达到抽水量的要求。但对于回灌井而言，由于回灌的压力和水头是固定的，低孔隙率的井管是达不到回灌量要求的。所以选择井径大、高孔隙率的井径更有利于回灌。另对于抽灌水井的井壁和钢管之间所填滤料的选择应根据实际勘察结果，选择和含水层的颗粒粒径匹配的滤料粒径，这样可以减小水流动的阻力，得到更大的回灌效率。
3.4 洗井与成井工艺条件
地下水源热泵的抽灌水井的成井工艺主要的两种分别为冲击钻成井和回转转进成井。冲击钻井功效高，成井容易，洗井工序简单，也经济；回转钻进法成井功效低，成井工序复杂，洗井工序复杂。对于回灌而言，应选择成井和洗井时对含水层扰动小、洗井充分、井壁的泥皮剥落充分的成井和洗井工艺。建议选择反循环液压回转钻进工艺成井方法，此法对回灌是有利的。
3.5 回灌管道
对于地下水源热泵抽灌水井的输水管网，为达到最大回灌量要求，要从设计和安装施工两个方面着手。一方面施工安装时使输水管网的走向、长度、管径、弯头尽量与理论计算一致，使整个管网的水力达到平衡；另一方面要使输水管道的排气孔、排气阀等装置安装到位，以免管道中形成气塞产生阻力降低回灌压力，从而导致回灌量降低。满足上述两个方面的设计和安装条件就能从管道方保证达到回灌达到最大。
4强制回灌技术的探索
介于以上分析，地下水的回灌量与地质情况、水井的钻井方式、水井的数量及间距等因素有关，这些都属于常压回灌的考虑因素，实际在很多具备水源热泵使用条件的地区，地面以下一定深度内为回填土或其他非蓄水层的土壤，不具备回灌条件，真正具有回灌条件的为井深度范围内的透水层，由1段或多段组成。
地下水经过利用后，在回灌井内呈现一定斜角度的向下流向，回灌水进入透水层后的流量及流向随着回水井的动水位与土壤层内的静水位的压差不同而不同，并呈现线性正比例关系，即随着压差越大，回水流量越大，回水角越小，甚至接近0度水平角。
在项目的实际实施过程中，由于土地使用范围的局限性，为增加回灌水量，往往采用增加回水水井管径、水井的数量的方式，不但增加了投资，而且收效甚微。
强制回灌是通过增加回水压力的方式达到回灌量增加的目的，小管径多管道网点强制回水，回水采用小管径塑料管道，在管道的中下部位侧壁开多个出水孔，开孔的高度及长度根据地下透水层深度和长度确定。水管的底部采用临时密封塞，防止下管的时候被堵上底部的出水孔。
在抽水井内，抽水泵选择的扬程根据水的提升高度H、机组及管道系统的阻力R等条件确定，回水井的水位与机组水源侧管道高点的水位高差为Hc，由于水泵的压头已经考虑Hc的高度，而在正常运行的情况下，水泵实际需要克服的扬程比水泵的初始运行扬程小，其减少的部分即为Hc的高度。所以抽水泵实际都是在比设计值高流量、低扬程、高转速的情况下工作，水井的实际出水量高于设定值，对水井的长期使用和水泵的寿命都是不利的。
使用小管径多管道网点强制回水的方式，恰好可以利用水泵设计多考虑的Hc的压差值，使得回水管道内带压回水，网点分布，有效回水面积大大多于大口径回水的面积，回水量有显著的提升。
小管径多管道网点施工的方式非常方便简单，施工速度快，成本低，对缩短施工工期、降低初始投入有显著的积极意义。
小管径多管道网点强制回水的方式提高了回水的辐射范围，可充分利用有限的场地资源，有效提高了项目的适用性。
结语：地下水源热泵回灌技术是一个重要的研究课题，从地下水动力学渗流理论出发，建立了承压含水层中定流量异井回灌和同井回灌的地下水源热泵回灌的理论模型；系统分析了地下水源热泵在回灌中遇到的堵塞问题和含水层压密问题，并对二者进行了机理分析；在水文地质、井径和井距、井管过滤器孔隙率、砾料规格、洗井与成井工艺及回灌管道等方面分析了地下水源热泵的回灌的条件。通过本文分析可知，要想获得更高的回灌率，应在避免“热短路”的情况下，尽早对取水点进行回灌，这样不但能最大限度进行回灌，也可以使地下水源热泵系统形成一个水循环系统，不断得到重复利用，也大大增加了地下水源热泵系统的服务年限。
相信通过对回灌水技术的不断探索，在充分保护地下水资源的情况下，能不断的提高水源热泵项目的适用性，对有效利用地热/冷资源有积极的意义。
参考文献：
[1]邬小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状[J].暖通空调， 2016， 34(1).
[2]陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉:中国地质大学出版社， 2016.
[3]薛禹群.地下水动力学原理[M].北京:地质出版社， 2017.
论文作者:孙飞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/25
标签：地下水论文; 含水层论文; 回水论文; 源热泵论文; 孔隙论文; 条件论文; 水井论文; 《防护工程》2018年第24期论文;