地下水源热泵热源井设计及施工关键问题研究

陈阳，王智伟，刘炜，刘亚军，张明远

（1．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055；

2．宝汉高速汉中建设管理处，陕西汉中723000）

 [摘要]地下水源热泵系统是一种经济节能环保型中央空调系统，热源井作为系统取热或放热的源或汇是系统成败的关键。本文提出了热源井设计的方法及井结构、井数、井间距、井群布置对系统的影响，分析了热源井施工工艺流程中填砾、封井、洗井、潜水泵选择等过程的重要性，提出了地下水源热泵系统热源井设计、施工的关键问题及相互作用。最后以宝汉高速公路沿线某站点为实例，验证该研究在工程项目的可行性。

 [关键词]地下水源热泵；热源井；井间距；井群布置；填砾

0  引言

 地下水源热泵( groundwater heat pump，GWHP)是一种新型可再生能源利用技术，凭借其节能性和环保性的独特优势，在我国得到越来越多的关注。地下水源热泵利用地下水温不易受环境影响、常年稳定的特性，将地下水作为能量载体，通过“抽水一能量交换一回灌”的过程，夏季供冷、冬季供暖，具有良好的节能性。但是，由于地下水源热泵系统的推广具有很大的盲目性，而且我国地下水源热泵的发展呈现出“所有的地面系统基本相同，所有的地下系统基本不可见”的现状，因此加剧了回灌堵塞、“热贯通”等与热源井有关的问题的出现。

 国内外众多学者对地下水源热泵热源井的设计提出了自己的观点：Hatten总结某地下水源热泵系统43 a的运行经验，提出应根据含水层特性和负荷需要合理的设计井的尺寸；Snijder提出热源井之间应保持一定的距离以避免回灌水对抽水井的影响；王旭升等提出了地下水源热泵水文地质设计的方法；倪龙等提出了一套包含地下水动力学和热力学设计的热源井简化设计方法。

 热源井作为系统取热或放热的源或汇，其设计和施工问题已经成为当前地下水源热泵系统发展的瓶颈。以往的研究多集中于设计方法，没有考虑工程施工过程对设计的影响。本文以热源井为单元，提出了一种结合工程实际的设计方法，并对其设计及施工过程中的关键问题进行分析，提出了缓解回灌堵塞及“热贯通”问题的方法，最后以工程实例证明该方法的可行性。

1  热源井设计

1.1  热源井的设计方法

 热源井的设计应基于“需供合”的技术路线，首先通过建筑物的负荷需求得出系统的需水量，再根据建设地点的水文地质条件确定管井的形式、结构及取水位置，利用已有水文地质参数及井流量公式预测单井取水、回灌量。由于地质结构及含水层的复杂性，需通过试验井的抽水试验、回灌试验验证管井出水、回灌能力，从而获得需打井数量及抽灌比。而后根据现场建设条件及允许的“热贯通”程度设计抽水井、回灌井间距，根据得出的井间距及场地情况进行井群布置。最后校验各抽灌井的井群降深是否满足允许降深。

1.2  井结构

热源井的井结构设计主要包括井的形式、井径、井深、井室及井管的设计，而井管设计的关键是滤水管。过滤器的类型应根据含水层的性质按表1采用，由于地下水源热泵取水量一般较大，含水层多为碎石土类或砂土类，因此基岩含水层过滤器类型不再赘述。

 过滤器的长度与出水量在一定范围内存在正比的增长关系，相同条件下，出水量随过滤器长度的增加而增大，当过滤器长度增加到某一阈值，出水量增大的比例却很小，工程上无实际意义，据统计这个阈值为20~30 m。因此，在均质含水层中，含水层厚度小于30 m时，过滤器长度宜取含水层厚度或设计动水位以下含水层厚度；含水层厚度大于30 m时，宜根据含水层的富水性和设计水量确定。含水层渗透性的大小也是影响过滤器有效长度的主要因素之一。对较厚的均质含水层，渗透性能好，当需水量大时可考虑分段分层取水方案。对非均质含水层，其富水性较差时，应适当加长过滤器的长度，宜为30—50 m，且应安装在主要含水层部位。总之，过滤器的长度设计是含水层的水文地质条件和设计出水量共同决定的。

1.3  井数量及抽灌比

 抽水井数量的确定应根据系统需水量、机组最大需水量及单井出水量三者共同作用确定。对于潜水、承压水完整井的单井出水量，现有的方法一般是根据裘布依( Dupuit)稳定井流公式预测，计算满足需水量的井数。但工程设计中，由于水文地质条件的限制，公式法往往会与实际出水量有较大偏差，因此对试验井进行抽水试验、回灌试验是非常必要的。通过最大允许降深确定抽水井单井出水量，再由回灌试验水位稳定升幅确定单井回灌能力，抽灌比=抽水井单井出水量／单井回灌量。同时考虑系统经济性及地下水的完全回灌，适宜的抽灌比为1：2或1：3，但通过采用新技术改进成井工艺，部分工程也能实现一抽一灌的换热方式。

1.4  井间距

 抽水井和回灌井的井间距是影响地下水源热泵“热贯通”现象发生的最大可控因素，也是引起井群各热源井水位变化的重要原因。井间距较小时，抽灌井之间可能发生“热短路”现象，抽水井可能出现水量减少的情况，严重时甚至可能因相邻井之间过大的水头压力差使地下细砂层的砂土液化。理想状态的井间距应大于各抽水、回灌井的影响半径。因此，合理的井间距设计是延长“热突破”发生时间，提高系统能效，增大抽水、回灌量的重要因素。

“热贯通”现象作为系统的“软故障”，它的发生不会对机组的正常运行造成即时的、严重的后果，但是它的存在会对机组能效产生持久的负面影响。基于稳定态纯对流双井条件下运移锋面到达抽水井的时间的解析解，热突破发生所需要的时间t。可以用式(1)表示：

式中：t。为热突破时间，h；d为含水层厚度，m；n为孔隙度，L为抽水井和回灌井之间的距离，m；Q为抽水流量，m3/h。考虑地下水源热泵一般为供暖季或供冷季持续运行，过渡季节停止运行，若持续运行时间为t。，则发生热突破的临界抽灌井距离L。可以用式(2)表不：

当L≥L。时，可以有效的避免热突破现象的出现。

抽灌井间距往往受建筑场地限制，本文提出一种适宜实际工程计算最大抽灌井间距的方法。在已知总建筑面积、规划建设用地面积、公共服务设施用地面积和平均楼层数时，可估计该项目可打井面积；已知平均楼间距和需打井数量，进而可求得最大抽灌井间距。可打井面积A。可以用式(3)表示：

式中：A为规划用地面积，m2；A。为总建筑面积，m2；N。为平均楼层数；A。为公共服务设施用地面积，m2。

热源井长期抽水会导致不同程度的地面沉降，因此热源井一般布置在两侧建筑物中心线，占用面积即为井间距与平均楼间距乘积，则最大抽灌井间距L。可以用式(4)表示：

式中：N为需打井数量；L。为平均楼间距，m,其他参数含义同前。应用该方法可以有效的计算工程最大抽灌井间距，从而对实际工程起指导作用。

1.5  井群布置

 上述设计完成后，应根据建设场地条件进行井群布置。首先应考虑场地水文地质条件，宏观上，水流的平均流动方向是从回灌井到抽水井的；微观上，由于多孔介质孔隙是弯曲的，热量不是严格按照平均流动方向运移。因此为增大回灌量，布井时应优先使用地下水流向平行于抽、灌井之间连线的方式，回灌井应布置在上游，抽水井布置在下游。其次应考虑热源井抽水对地面沉降造成的影响，使热源井与高层建筑保持一定的距离，防止由于抽水产生的降落漏斗对建筑物基础造成影响。

 井群布置产生的干扰效应也是影响回灌的最主

因素，计算各井的理论降深值是验证井群布置是否合理的重要指标。假设在渗流区中有m口任意排列的井相互发生干扰，各井抽水量Q，(j=1，2，…m)为常数。设s：代表位于（x。，y。）处的观测孔由于各井抽水引起的总降深，当边界条件为齐次时(如抽水前的初始水头和边界水头H。为常数，因而s=0)，根据叠加原理，对于承压水的稳定流动，总降深s。可用式(5)表示：

 当R，和ri已知时，可由一组已知的Q，值求出s。值。此时，当所有热源井总降深s；均满足允许降深值，则井群布置合理，否则应重新规划。

2  热源井施工

热源井的成井质量是系统能否正常运行的关键，现今国内基本是套用供水管井的施工方法，但热源井与供水管井有显著的不同，不仅需要考虑回灌问题，还需注意含水层储能问题，因此其井管安装、填砾、洗井等过程更为复杂严格。热源井施工工艺流程如图1，施工工艺为直线型流程，除止水封井和下泵洗井两道工序可互换顺序外，其他步骤均需进行完上一道工序才能进入下一道工序的施工，因此严重制约了管井构筑速度，导致施工方为缩短工期而随意偷工减料，如滤料规格不达标等。

2.1  回灌管安装

 回灌管的安装有两种传统方式：一种是将回灌水从井口直接灌下，这样直灌会加速水的氧化过程，使井内低价铁离子反应形成铁的氧化物，产生气体粘合物，引起回灌井堵塞，严重氧化形成的弱酸性水还会对井管、泵管、含水层等造成破坏。另一种是在泵管周围安装回灌管，插入动水位以下大于等于2m的位置，为防止回灌管中形成气塞产生阻力影响回灌能力，顶部需设排气阀。其不足是成本大，且有时井管太细，泵管及法兰过大，回灌管无法安装。

 为弥补传统回灌管安装的不足，可采用回灌新工艺，如采用井用潜水泵专用回灌回扬阀门。该阀门安装在水井泵管中，能完成不同时段地下水的回扬或回灌工作，并在停泵时较好的降低水锤对水泵和泵管的破坏作用，从而延长系统使用寿命，降低工程投资成本。其原理为：在阀门侧壁设置旁通口，潜水泵抽水时由于水压作用顶起阀片封闭侧壁旁通，水流从阀门通过，进入泵管；回灌时水流通过阀体，将阀片压下，封闭下部出口，使水流从侧壁旁通流出，从而达到回扬、回灌两用的功能。

2.2填砾

 滤料的选择应根据钻进过程地层样本的筛分结果，满足GB 50296-1999《供水管井技术规范》要求，以保证粒径均匀且同含水层颗粒粒径匹配，这样可以增大滤料孔隙率，减小水流阻力，减轻分选作用，得到最大的回灌效率。填砾时，滤料应沿井管四周均匀连续填入，随填随测，考虑到洗井和抽水过程中滤料将密实下沉，因此填砾高度应超过滤水管上端。填砾的厚度宜为75—150 mm，起到挡砂和增大管井出水量的作用。

2.3洗井及止水封井

 下泵洗井和止水封井两道工序需根据实际工程项目调整顺序，若封井位置位于管井中段且具有严格限制，为防止洗井后砾料的下沉，需先洗井后封井；若封井位置位于管井顶端，则可在留有余量的情况下先封井后洗井。

 洗井的目的是去除粘在井壁上的泥浆皮和渗透到井壁附近含水层的泥浆，从而恢复过滤管原孔隙率，提高含水层渗透性以利于回灌。应采用多种方式联合洗井且不断调节降深，使水反复流入、流出过滤管，直至水清砂净且两次试抽的单位涌水量误差小于10%。封井应选用优质粘土做成球（块）状，大小宜为20~ 30 mm，并应在半干（硬塑或可塑）状态下缓慢填入。

2.4抽回灌试验

 抽回灌试验是热源井成井质量的检验方式，也是验证设计合理性的重要指标。规范规定：抽水试验应稳定延续12 h，出水量不应小于设计出水量，降深不应大于5 m;回灌试验应稳定延续36 h以上，回灌量应大于设计回灌量。实际工程中，抽回灌试验一般是根据GB 50027-2001《供水水文地质勘查规范》规定进行，且持续时间往往不满足规范要求，因此造成对热源井抽回灌能力错误的预测，最终导致水源侧故障的发生。

2.5潜水泵选择

潜水泵的选择应考虑水质、流量、扬程等问题，同时需考虑其下潜深度。潜水泵的流量应与抽水试验定降深的井流量以及机组需水量匹配，根据规范降深值一般选5m，为避免水资源的浪费潜水泵流量不宜过大。由于空调大部分时间是部分负荷运行，因此宜采用变频驱动潜水泵，达到供需匹配，最大限度的降低回灌压力。潜水泵下潜位置应在过滤器上部的井壁管内，以减少进水不均匀带来的含砂量变化。潜水泵扬程H的选择可以根据式(7)确定：

式中：H1为含水层井水位深度，m；H2为抽水时水位降深取值，按抽水试验确定，最大值为5 m;P。为阀门管道阻力，kPa; Pj为机组阻力，kPa;P。为出口余压，通常取20~ 50 kPa。

3  工程实例

 以宝汉高速公路沿线某站点为例，说明热源井的设计、施工过程。该项目规划占地面积38 366. 93rri2，设计总建筑面积15 651. 47m2，设计容积率0. 26，建筑密度11. 0%，绿地率51%。项目设计使用水源热泵空调系统供暖供冷，包括综合楼、宿舍楼和餐厅，总建筑面积5 345. 02m2，水源热泵空调系统使用面积约4 920. 16 mz，夏季空调设计冷负荷571 kW，冬季设计供暖负荷461 kW。

  建设项目地处汉江北岸，褒河东岸，地貌属褒河二级阶地，地下水资源丰富，取水井形式为管井，开采目的层为松散岩类空隙潜水与承压水含水层组，以承压水为主。因此采用裘布依稳定承压水井流公式计算渗透系数，见式(8)。由于井损的存在影响抽水试验数据所计算的渗透系数准确性，根据汉中地区勘探井井损历史数据，本工程井损选用孔内降深40 %，渗透系数计算时为消除井损的降深值。

式中：K为含水层渗透系数，m/d；Q’为抽水井涌水量，m3/d; ri为抽水井与观测井距离，m;r。为抽水井井管半径，m；s．为观测井水位降深，m；s。为抽水井水位降深，m；M为含水层厚度，m。

项目成井后采用电阻率测井方法确定孔隙度，孔隙度西的计算根据式(9)确定：

式中：咖为孔隙度；m为胶结指数，随岩石胶结程度而变化；a为比例系数，不同岩石有不同的数值；R。为孔隙水电阻率，f．m；R。为地层电阻率，n．m。

根据DeST负荷模拟及水文地质参数计算，热源井设计参数如表2。

本项目设计井深200 m，过滤器采用桥式滤水管，滤水管长度为42 m，排布在较大含水层对应位置。利用表2及成井报告数据，供冷期最大循环用水量为38.78 m3/h，供暖期最大循环用水量为27. 66 m3/h，在允许降深范围内，单井出水量均能满足需求。单井回灌量25 m3/h，因此设计抽灌比为1:2。项目冬季供暖共运行121 d（1 1月15日—3月15日），夏季供冷共运行92 d（6月15日—9月15日），水源热泵连续运行，因此发生热突破临界井间距为32.6 m，场地允许最大井间距345 m。为降低抽回灌沿程损失，井群布置如图2，1号井距2号井58. 52 m，距3号井101. 24 m，2号井距3号井152. 06 m。总降深1号井为5m，2号井- 3.6 m，3号井-3.69 m，降深满足GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》降深不大于5m的要求。

 热源井施工采用22-5A冲击式桩孔钻机钻进，成井后物探测井并进行井管排布。抽水试验采用250QJ80-77/7-30型潜水泵，额定流量80rri3／h，额定扬程77 m，转速2 850 r/min，电机功率30 kW，输水管口径100 mm。抽水试验进行了大、中、小3个落程，持续稳定时间大于12 h。回灌方式采用新工艺，在泵管安装井用潜水泵专用回灌回扬阀门，回灌实验采用自然密封回灌方式进行，3号试验井抽水1号试验井回灌，1号试验井抽水2号、3号试验井回灌，回灌流量采用阀门控制，回灌实验持续时间36h，水位稳定，未出现溢井情况。

4  结论

 本文结合工程实际提出了1套地下水源热泵系统热源井的设计方法，并对热源井施工过程进行分析，指出施工关键步骤对热源井成井质量的影响，最后通过热源井的设计施工提出了缓解回灌堵塞及“热贯通”的相关措施。

 1)井间距的确定是整个设计过程的核心，将热力学知识中“热突破”发生的临界距离与场地限制允许的最大距离有机结合，并通过井群布置形成回灌对各井降深的影响验证，能得出科学合理的井间距。

 2)回灌管安装在动水位以下或采用潜水泵回灌回扬阀等新工艺能够有效增大回灌量，延长系统使用寿命。选择与含水层颗粒匹配的滤料粒径，做到彻底洗井，科学进行抽回灌试验及潜水泵的选择能够提高回灌效率，延缓回灌堵塞的发生。