地下水地源热泵回灌分析

【摘要】本文对地下水地源热泵回灌分析，介绍了该技术的发展现状与应用过程中的具体措施，同时说明了水井堵塞显著增加地下水地源热泵的灌压，回扬对于减小系统灌压大有益处，尤其是对于回灌困难的系统。

【关键词】地下水地源热泵回灌

中图分类号：TU991.11+2 文献标识码：A 文章编号：

一、地源热泵回灌技术的发展现状

1、回灌方式及适用范围

目前，地下水人工回灌类型一般有真空回灌、无压自流回灌和加压回灌。

(l)真空回灌又称负压回灌，利用真空虹吸作用，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，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，开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀，水就迅速进入井管中，并克服阻力向含水层中渗透。真空回灌适用于地卜水理层较深(静水位埋藏深度大于10m)，含水层渗透性好的含水层。由于回灌时，对井的滤水层冲击不强，冲浸适合老井。

(2)无压白流回灌(又称重力回灌)，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。适用于低水位且含水层渗透性好的情况。通过水分子同位素试验，一般地质条件下，回水层井壁截面积应为出水层截面积的四倍，方能保证井水全部自然回灌，即一出四回，因此这种回灌防范水井数量较多。这一回灌方式是目前国内外应用最多的方式。

(3)加压问灌既适用于渗透性较差，地下水位高的含水层，也适用于低水位和渗透性好的地下含水层。

但是，由于增大，对井的过滤层和含砂层的冲击力较强。目前加压回灌的方式一是通过回扬来增大回灌压力，另一方式是在井头安装加压装置来实现，后者在荷兰等欧美国家使用较多。

(4)同井回灌国内应用的同井回灌热泵系统是取水和回灌水在同一口井内进行，通过隔板把井分成两部分，一部分是低压(吸水)区，另一部分是高压(回水)区。当潜水泵运行时，地下水从低压区被抽至井口换热器中，与热泵低温水换热，地下水释放完热量，再由同井返回到回水区。在井中加装隔板来提高回灌压力，以改善回灌条件，使回灌水畅通返回地下含水层中。

2、回灌技术影响因素分析

地下水的回灌可以补充地下水源，调节水位，维持储水量平衡。既可以回灌蓄能提供冷热源，又可以保持水层水压力，防止地面沉降。地温热泵机组使用后的地下水，只是交换了热量，水温度发生了变化，但水质几乎没有受到丝毫污染，可以直接回灌，而不污染地下水资源。

地下水灌抽比虽然从理论上讲可以达到100%，但是，目前大多数国家的地下水回灌技术尚不成熟，特别在含水层砂粒较细的情况一民井极容易被堵，回灌的速度大大低于抽水的速度。回灌效果的好坏，一方面取决于回灌井回水层的渗透性与有效储集空间的大小，一方面取决于回灌水质情况，主要包括回灌地层水组分、水中的悬浮物、氧化物和回灌地层岩层的配伍情况。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。管井回灌量的大小与水文地质条件、管井质量、回灌方法等有关。中细砂含水层中，单位回灌量约为单位出水量的30―50%；粗砂含水层中，单位回灌量约为50―70%；在砾卵石含水层中，单位回灌量可达80%以上。抽灌量之比是确定抽灌井数的主要依据。

根据多年的研究及工程实际经验，总结影响回灌的因素主要有：

(l)在回灌过程中，由于井管内水位较高，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有：浮悬物的堵塞、气泡堵塞、微生物的生长、化学沉淀堵塞、粘粒膨胀和扩散、砂层压密等因素。

(3)腐蚀问题。地下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空隙，导致灌抽比减小。

(4)渗透系数大小是回灌难以程度的决定因素。无论哪种水井，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。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。

3、增加回灌量的措施分析

(l)回扬回扬对解决堵塞问题具有重要意义。对中、细砂的含水层，压力回灌每天需要2―3次，真空回灌每天需要回扬1次。回扬时间的确定，以每天抽完浑浊水后出清水为限，一般需要15―30min；在

停用期，20―30d回扬l次；对于轻度堵塞的回灌井，可采用连续回扬，直到井的单位开采量和动水位恢复，方可恢复回灌：对于严重堵塞的回灌井，可采用回扬与间歇停泵反冲的处理方法或用回扬与压力灌水相结合的处理方法。

(2)包气减压箱，在回灌井口安装包气减压箱，将包气压力降下来，进而消除包气阻力，加大回渗流量，并扩大回灌井径，从而减少回灌井的数量，实现充分、长期、稳定回灌。这一技术在首先由沈阳省推出，效果良好。

(3)辐射回灌井，北京某学院地源热泵采用的辐射回灌井，如图1所示，经热泵机组热交换后的回灌水先进入沉砂井沉砂，同时也是渗虑井，未被渗虑的回灌水再自流到回灌井群回灌至地下含水层中。当地下水位升高，回灌井群不能将井水完全回灌时，一部分回灌通过4溢流到溢流井内，溢流井采用辐射井，以保证回灌效果。

图1 地下水源热泵辐射井回灌系统示意图

1回灌水总水管2流量计3沉砂井4沉砂井溢流管

5粘土封闭6辐射渗水管7沉砂井回灌水管8回灌井群

二、堵塞时地下水地源热泵回灌分析

地下水井使用时，经常会发生不同程度的堵塞。堵塞会减小含水层的渗透系数，导致出水量减小和回灌困难。因此本文在分析中堵塞时地下水地源热泵回灌为分析对象。

1、考虑堵塞时渗透系数模型

堵塞时渗透系数会减小，一般来说渗透系数应是时间和空间的函数。但理论分析渗透系数减小模型很困难，一般是先给出衰减的指数模型(时间、空间或同时包含时间和空间的模型)，然后通过回灌试验来拟合模型中的参数。作为一般性的分析，本文采用某市地热单井回灌试验给出的渗透系数衰减模型，该模型只考虑了渗透系数变化的时间效应，且含水层各向同性。本文在该模型的基础上考虑回扬，对模型稍作改变。天津市地热单井回灌试验位于第三系馆陶组热储层中，该热储层为河流相碎屑沉积岩，呈粗―细―粗完整的沉积旋回，即底部为砂砾岩段，中部泥岩段和上部砂岩段。该热储层厚76 m，单位储水系数为9・81×10-5m-1，井半径为0.1 m。

2、堵塞的影响

堵塞导致抽水和回灌的困难，表现在对于相同流量的抽水或回灌，降深绝对值增加。图2给出了堵塞(无回扬)对同井回灌时含水层中某点降深的影响。

图2 堵塞对含水层中某点降深的影响

由图2可知水井堵塞对降深的影响很大。在水井运行96 h时，抽灌同井由于堵塞使其降深较无堵塞时增加了95%，完整井1和完整井2增加了74%，非完整井增加了120%。从计算点的降深值看，堵塞对于非完整井的影响更为显著，并且随着运行时间的加长，这种影响基本上是与时间成正比关系。

从无堵塞时4类井的比较可以看出，抽灌同井计算点的降深很快达到稳定，而其余3类井计算点降深却一直在上升，不可能达到稳定，尤其是对于较薄的含水层，这种趋势更为明显。因此，即使刚开始时，完整井1中计算点的降深比抽灌同井小39%，在运行16 h后其降深值基本相等，而在96 h后，完整井1降深反而较抽灌同井大26%。抽灌同井计算点的降深均小于非完整井和完整井2，由刚开始小3%和75%增加到96 h时的68%和260%。

从有堵塞时4类井的比较可以看出，抽灌同井计算点的降深较非完整井和完整井2要小，并且这种差别随着时间的延续而加大，由刚开始的37%和74%增加到96 h时的89%和220%，也即是说抽灌同井抗堵塞的能力要强于非完整井和完整井2。而完整井1计算点的降深由刚开始时较抽灌同井小39%，到20 h时基本相等，到96 h时反而较抽灌同井大12%。这充分说明，随着运行时间的推移，抽灌同井抗堵塞的能力要强于完整井1。再从96 h期间4类井的计算点降深变化率看，水井运行96 h后，抽灌同井降深增加了124%，而非完整井增加了208%，完整井1和完整井2均增加了311%。这也表明抽灌同井抗堵塞能力优于完整井和非完整井。

总结

本文在水井堵塞实例的基础上，考察了水井堵塞对异井回灌地下水地源热泵和同井回灌地下水地源热泵的影响。抽灌同井的抗堵塞能力优于完整井和非完整井。热源井堵塞显著增加地下水地源热泵的灌压，回扬对于减小系统灌压大有益处，尤其是对于回灌困难的系统。

参考文献

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