地下水热泵系统
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发布时间：2022-04-23 23:14
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时间：2022-05-13 01:57
1.地下水热泵系统的原理、特点
地下水热泵系统工作原理是通过抽取地下水，利用地下水全年温度保持恒定的特点，与主机冷凝器或蒸发器进行热交换，或通过板式换热器与冷凝器产生的高温热水（夏季工作时）或蒸发器产生的低温冷水（冬季运行时）进行热交换，然后将置换冷量或热量的地下水全部回入同一含水层中，工作原理见图3-3。
地下水热泵系统具有最显著的特点是：
（1）在适合打井的地点，开凿一定数量的抽、灌井，通过循环利用地下水，从中吸取或排放热量。
（2）与地埋管换热系统相比，地下水换热系统主要通过热对流方式换热，出水温度稳定。
图3-3 地下水热泵系统工作原理图
2.地下水热泵系统的组成和基本情况介绍
地下水热泵系统由地下水换热系统、机房系统和末端系统三部分组成。从专业技术角度上讲，末端系统的设计和施工属于由暖通空调专业；机房系统主要由主机、电气自控系统和水流控制系统组成，其核心是热泵机组技术；地下水换热系统的设计和施工属于水文地质专业，必须由有地质勘察和凿井施工资质的专业部门来完成。因此，地下水地源热泵系统的核心实际上是以单独的暖通空调技术、热泵机组技术和地质勘察技术为支撑的、多学科相互配合和有机组成的综合新型、环保、节能技术。
在我国，暖通空调技术和热泵机组技术已经得到了长时间、广泛的应用，技术已非常成熟。在推广地下水地源热泵技术实践过程中，由于各地区地质和水文地质条件的复杂性和多变性，导致各地区岩（土）层的导热性和水文地质参数差异巨大，在一个地区能成功应用的地下换热系统，在另一地区往往并不适用，即使是在同一地区，也因项目地点位于河道冲洪积扇的上、中、下游的不同，导致项目设计的抽、灌井出水量、回灌量，抽灌井数量比例和深度、布井方案的不同。另外，地下地下水热泵的运行最重要的是不能对区域地质环境产生重要影响，也不能产生相关的次生地质灾害，如地下水交叉污染、地面沉降、地裂缝等。因此，地质勘察技术能否解决浅层地温能资源的提取与地下水资源（地下空间环境）的保护问题是地下水地源热泵技术的核心，也是浅层地温能开发利用工程能否成功应用于实践的关键。
地下水换热系统的设计和施工以地质勘察技术为基础，它是获取浅层地温能的途径，也是地下水地源热泵系统的核心。它由抽水井和回灌井、水泵、水处理设备和连接管线组成。
抽水井和回灌井：可以连续提取和回灌地下水的构（建）筑物。取水构（建）筑物类型包括：管井、筒井（大口径井）、水平集水工程、斜井等。在大多数情况下（除地下水埋藏深度接近于地表的南方部分地区外），取水构（建）筑物也可用做回灌构（建）筑物。
水泵和连接管线是地下水换热系统的运行的必备条件，水泵是地下水换热系统水循环的动能来源，连接管线是水循环的输送途径。
地下水地源热泵与地埋管地源热泵相比，在机房内增加有水处理设施，如旋流除砂器、电子水处理仪等。旋流除砂器是物理水处理设备，须安置在井水进入主机冷凝器或蒸发器之前，目的是滤除井水杂物和降低井水含砂量，其工作原理是根据流体中的固体颗粒在除砂器里旋转时的筛分原理制成，当水流在一定压力下从除砂器进水口以切向进入设备后，产生强烈的旋转运动，由于砂、水密度不同，在离心力的作用下，使密度低的水上升，由出水口排出，密度高的砂粒由设备底部的排污口排出，沿水流上浮的个别微小颗粒可以通过加过滤措施进行第二级过滤装置阻隔，从而达到除砂的目的。安装除砂器一方面是防止主机冷凝器或蒸发器铜管的过度磨损，另一方面是保护回灌井不会较快的被沉淀物堵塞，保证回灌井的长期运行。电子水处理仪是化学水处理设备，它通过释放紫外线杀灭水中微生物和藻类，降低因水温变化带来的微生物数量的增长，避免微生物等在主机冷凝器或蒸发器铜管上的附着，同时也可降低回灌井微生物生长堵塞的风险。
根据地下水是否直接与机组冷凝器或蒸发器直接接触，地下水热泵系统可分为直接换热方式和间接换热方式。其中，直接换热方式是指地下水经处理后直接流经热泵机组进行热交换；间接换热方式是指地下水只进入中间换热器，把热量传递给机组循环水，多用于水质较差或腐蚀性强的地下水分布区。间接地下水换热系统能够避免腐蚀昂贵的主机冷凝器或蒸发器，但同时也存在一定的温度损失。
根据地下水换热系统抽取和回灌地下水的方式不同，系统可以分为同井抽灌和异井抽灌两种模式，其中同井抽灌系统实现在同一眼井中既抽取地下水，又能将换热后的等量地下水全部回灌，这项技术对项目所在地的水文地质条件和成井工艺、施工工艺要求较高，系统工作原理见图3-4。
图3-4 同井抽灌系统工作原理图
异井抽灌技术实现抽、灌分离，按抽、灌井的数量不同，可分为一抽一灌、一抽二灌、二抽三灌等多种形式，这种技术适用范围较广，地下水热泵系统原理见图3-3。
地下水热泵系统的取水层绝大多数为第四系孔隙地下水，井深在100m以内，如北京市海淀区海兴大厦、海剑大厦、海淀区人民*、海淀区*办公楼、北京市地下水动态监测站及办公试验综合楼等项目。少量项目取水层为基岩地下水（岩溶地下水或裂隙地下水），如位于北京市昌平区南口山前的北京人民*学院地下水热泵项目，服务面积达到18×104tm2，取水井深度350m，取水层为蓟县系雾迷山组岩溶地下水。
3.地下水热泵系统核心技术——地下水换热技术
地下水热泵最显著的特点是：根据建筑物冷热负荷大小确定地下水循环量及当地水文地质条件开凿一定数量的抽、灌井以实现换热后的地下水全部、同层回灌。因此，地下地下水热泵项目能否运行的关键是在一定技术、经济条件下，项目所在区域水文地质条件能否满足项目所需的循环水量。首先就是能否“抽得出、灌得进”；其次是初投资及运行成本是否合理；最后，地下水水质能否满足系统对水质的要求，包括地下水化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。下面以第四系松散层水文地质条件为例，说明水文地质条件对地下水地源热泵项目的影响。
1）含水层的岩性、埋深、厚度
一般来讲，含水层岩性颗粒越大，含水层的渗透能力越强，在其他条件相同的情况下，单井出水量和回灌也越大，见表3-1。因此，相同规模的建筑物在冲洪积扇顶部与下部，抽灌井数量会差得很大。以北京地区为例，在永定河冲洪积扇顶部的石景山地区，含水层岩性以砂卵砾石层为主，渗透系数300～500m/d，单井出水能力超过200m3/h，而位于永定河冲洪积扇下部的通州地区，含水层以中砂、中粗砂为主，渗透系数不足20m/d，单井出水能力一般在60～80m3/h；回灌能力也差距巨大，在永定河冲洪积顶部区域单井回灌能力可以达到出水量的80%以上，甚至达到100%，而在下游地区单井回灌量往往只有出水量的30%左右。
表3-1 松散层岩性含水层渗透系数经验值
需要指出的是，尽管岩性颗粒较小的区域抽灌井数量多于岩性颗粒较大的区域，但在岩性颗粒较大地区成井，单井施工难度大，施工成本高于在岩性颗粒较小的地区。因此，整体上在水文地质条件较好的区域初投资小于水文地质条件较差的区域，但不与水井数量呈正比例关系。
含水层埋藏深度越大，会增加抽灌井设计深度，导致项目初投资加大，同时也增大了施工风险和难度。
含水层厚度是影响含水层出水能力的又一重要因素，含水层越薄，甚至被疏干，单井出水量将降低直到水井干涸，导致项目无法运行或影响项目运行的稳定性。以北京地区为例，位于永定河冲洪扇顶部的丰台地区，第四系厚度在30～50m左右，岩性以砂卵砾石层为主，但地下水位埋深在27～28m左右，局部地区含水层厚度不足3m，导致出水能力大幅度下降，部分项目运行稳定性受到影响。
含水层分布范围是也就是地下水地源热泵项目可以分布的范围，如果拟建场地无含水层分布或地下水资源匮乏，不能满足项目的需水要求，则只能寻求采用地埋管地源热泵系统或其他方案。
为了更好的说明区域水文地质条件对地下地下水热泵项目的决定性影响，以北京地区地下水地源热泵项目的分布为例进行说明，从图3-5可以看出，北京地区地下水地源热泵两个密集开发区均位于永定河冲洪积扇中上部，一是海淀区四季青、中关村一带；二是丰台区大红门一带，项目密度达到5个/km2，按每个项目服务面积2×104m2计算，每平方公里地下水地源热泵项目服务面积达10×104m2。另外，平谷盆地、顺义牛栏山、昌平以西、北小营地区、延庆盆地、房山窦店地区等水文地质条件同样优越，但项目数量较少，主要原因是这些地区位于远郊区县、需求不足，是今后重点的潜在开发区。
2）地下水位埋深
地下水位埋深与地下水地源热泵系统能否运行和运行成本密切相关。地下水埋藏较深，一方面增大了打井成本，另一方面也增加了抽水成本，有利的是增加了重力回灌时的水柱压力，有利于地下水回灌；地下水埋藏较浅，可减小抽水井深度，节约抽水成本，但回灌井的回灌效果将大大降低。仍以北京地区永定河冲洪积扇顶部的石景山区某项目为例，该区地下水位埋深在2008年1月已达到53m，较项目设计时下降了18m，这样不仅增大了抽水成本，单井出水量也有所衰减，但回灌能力却大大增强，原设计1抽2灌方案，现实际上1抽1灌就可以满足要求。
图3-5 北京市平原区地下水富水性分区图
3）地下水径流条件和抽灌井布置
地下水径流条件包括地下水的流速和流向。地下水径流越强烈越有利于带走热泵机组产生的热量与冷量，越不易产生“热突破”现象，系统运行的COP和EER系数越高，运行成本也越经济。
地下地下水热泵运行时，必然改变地下水的原始流场，在抽水井的周围形成地下水位的降落“漏斗”，在回灌井周围形成水位上升“锥体”。由于“锥体”区水位明显高于“漏斗”区水位，地下水改变原始流向，从“锥体”区流向于“漏斗”区，因此地下水热泵项目运行时，在其影响范围内，增强地下水径流强度，改变了地下水流向。如果地下地下水热泵项目实现了抽、灌水量的等量、同层回灌，其影响范围是有限的，一般不会超过1000m。图3-6、图3-7和图3-8是根据北京海淀某地下水热泵项目原始流场、夏季运行和冬季运行时等水位线图。
地下水温度场也会随着地下水流场的改变而改变。具体地说，随着回灌水在含水层中的缓慢流动，回灌水的温度会逐步与地下水常温趋一致，也就是回灌水在地下含水层中会有一个“温度影响半径”，其大小受到回灌量、回灌温度与地下常温的差值大小、含水层的渗透性和热传导率等因素控制，图3-9、图3-10是根据北京海淀区某地下地下水热泵项目的高峰需水量及项目场区的水文地质参数，如原始地下水流场、渗透系数、导水系数、孔隙度、含水层厚度等，计算出来的项目运行时地下水流“温度影响半径”。
图3-6 项目地下水原始流场等水位线图
图3-7 项目夏季运行时地下水等水位线图
图3-8 项目冬季运行时地下水等水位线图
图3-9 项目夏季运行时等温线示意图
如果抽、灌井之间的距离小于“温度影响半径”，将发生“热突破”现象，导致在夏季制冷期，抽水井处的温度将升高，而在冬季供暖期，抽水井处的地下水温度降低，其最终结果会导致地下地下水热泵空调系统的运行效率降低。因此，合理的抽、灌井间距是地下水热泵空调系统高效运行的重要因素。
图3-10 项目冬季运行时等温线示意图
抽水井、回灌井的布设原则应是在充分了解当地水文地质条件的基础上结合以下因素共同确定：
（1）工程的开采（回灌）水量；
（2）地下水开采时温度和回灌温度（能量提取大小）；
（3）地下含水层的渗透性和空隙率；
（4）地下含水层厚度、地下静、动水位及地下水流场；
（5）地下水及含水层介质的热物理性参数。
目前，利用计算机软件，如HST3D,FEFLOW,MODFLOW,GMS6.0等地下水数值模拟软件，不但可以模拟地下地下水热泵项目运行时的地下水流场，还可以模拟地下水温度场。因此，在项目进行水资源论证阶段，利用地下水数值模拟软件预测项目运行后对现有水源地和现有开采用户的影响，指导项目抽、灌井的合理布局，避免引起“热突破”现象，将可以在一定程度上规避项目上马的技术、经济风险。
4）地下水抽、灌工艺分析
根据地下水换热系统抽取和回灌地下水的方式不同，系统可以分为单井抽灌和异井抽灌两种模式。单井抽灌系统实现在同一眼井中既抽取地下水，又能将换热后的等量地下水全部回灌，系统工作原理见图3-4。异井抽灌技术实现抽、灌分离，按抽、灌井的数量不同，可分为一抽一灌、一抽二灌、二抽三灌等多种形式，工作系统原理图见图3-3。
地下水回灌方式一般采用两种形式：一是重力回灌，通过井内一定的水头高度向含水层内注水；另一种是压力回灌，当井内水满后，通过加大井内压力来增加含水层的注入量。重力回灌必须在井内水位埋深与地表存在一定差异后才可进行，一般情况下近年井内最高水位埋深小于5m时，就不宜考虑采用重力回灌，这种现象容易出现在地下水丰富的南方地区或地下水溢出带上，如成都平原地下水位埋深也就3～5m，在该区采用地下地下水热泵项目回灌方式应因地制宜的采取措施。压力回灌也是有前提条件的，当含水层没有上覆盖层或盖层较薄时，就不能采用压力回灌，否则容易造成地表溢水等次生灾害的发生。
4.地下水换热系统设计和施工技术要求
从地下水取水角度上讲，地下水换热系统设计也就是地下水源地的勘察与评价。需要指出的是，在进行地下水换热系统设计前应根据系统对水量、水温和水质的要求，对工程场区的水文地质条件进行勘察，勘察内容包括：
（1）地下水类型；
（2）含水层岩性、分布、埋深和厚度；
（3）含水层的富水性和渗透性；
（4）地下水径流方向、速度和水力坡度；
（5）地下水水温及其分布；
（6）地下水水质；
（7）地下水位动态变化。
地下水换热系统勘察应进行水文地质试验。试验包括下列内容：
（1）抽水试验；
（2）回灌试验；
（3）测量出水温度；
（4）取分层水样并化验分析分层水质；
（5）水流方向试验；
（6）渗透系数计算。
抽、灌井设计和施工应由专业部门完成。成井技术参数（孔径、井径、滤水管位置、井管材质、滤料粒径、抽水试验等）应由应根据工程所在区域水文地质条件和项目需水量来确定。
为保护地下水换热系统使用寿命，建议抽水井和回灌井最好交叉使用，定期对抽水井和回灌井进行捞砂洗井，定期观测抽水井和回灌井水位，定期采取抽灌井水样进行水质监测，保证地下水环境不受人为污染。
