壓力回灌技術(shù)在水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

趙建康,張 勇,崔 進

1 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

對于水源熱泵 (water source heat pump,簡稱WSHP)技術(shù),地面上熱泵系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟,而主要的技術(shù)“瓶頸”為地下水回路系統(tǒng)。很多地區(qū)的水源熱泵工程存在回灌困難的問題,一些單位將不能回灌的地下水偷偷排入河道或者下水管網(wǎng),不但造成了潔凈淡水資源的極大浪費,也使水源熱泵技術(shù)在很多地區(qū)遭到了人們的排斥。

但水源熱泵效率高、占地少的特點又是地源熱泵無法比擬的。因此,積極研究回灌技術(shù),對地下水水源熱泵技術(shù)的健康發(fā)展具有積極的意義。

國內(nèi)對水源熱泵回灌技術(shù)進行系統(tǒng)研究的不多,多數(shù)工程基本通過經(jīng)驗設(shè)計,這些工程里面采用壓力回灌的比例也極少。以北京為例,多數(shù)工程都是采用增加回灌井?dāng)?shù)量的方式來解決回灌困難問題的。根據(jù)施工經(jīng)驗,國內(nèi)學(xué)者和設(shè)計單位一般確定的水井常用布置形式及回灌量下降處理方式等如表1、2所示。

表1 不同地質(zhì)條件下的地下水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

表2 水井堵塞機理及處理方法

目前,國際上對于地下水回路和相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境問題研究主要由國際能源組織在儲能節(jié)能合作框架(ECES)下進行。歐洲在地下水回路方面一直處于技術(shù)領(lǐng)先地位。盡管如此,歐美的一些國家對地下水源熱泵地下部分的處理非常慎重,禁止地下水的低級使用,而荷蘭在水源熱泵應(yīng)用方面是個例外。

荷蘭一直以其水利、地質(zhì)方面的技術(shù)而著稱于世界,其地下含水層儲能和地下水源熱泵的地下水回路技術(shù)領(lǐng)先于西方其他國家。荷蘭的地質(zhì)條件比較適合地下儲能,但地下水的回灌難度較大,大多數(shù)地區(qū)的含水層為中細砂,甚至粉細砂,且有的地區(qū)的水為咸水,但荷蘭成功地在這些地區(qū)應(yīng)用了地下水源熱泵技術(shù)。在環(huán)境方面,十分注重地下含水層的可持續(xù)利用,在技術(shù)上成功地解決了地下水回灌過程中井的堵塞問題,荷蘭已成為世界上地下水源熱泵成功應(yīng)用的典范。

荷蘭著眼于從根本上解決地下水回灌的堵塞問題,其系統(tǒng)無需經(jīng)常回揚,一般來說,每年僅需回揚幾次,也無需對地下水進行化學(xué)處理。荷蘭采用的是壓力回灌方式,其原因是地下水回灌的地質(zhì)條件往往非?？量?回灌難度較大,另一方面維持系統(tǒng)一定的壓力可以避免外界空氣侵入而引起地下水氧化。文獻[1]還提到,荷蘭目前的做法是從地質(zhì)勘探、井的設(shè)計、成井、系統(tǒng)集成到系統(tǒng)的運行和監(jiān)控具有一套專用的技術(shù),從根本上解決了井的堵塞問題,灌抽比達到 100%。

2 壓力回灌的技術(shù)原理分析

研究井的回灌,應(yīng)從了解水在含水介質(zhì)中的運移規(guī)律入手。在滲透理論中,著名的達西定律就是描述水在飽和土中滲透的基本定律。1892～1895年,達西通過從均勻砂樣的大量滲水試驗中發(fā)現(xiàn),單位時間通過面積A的滲水量 Q與上下游水頭差 (h1-h2)成正比,而與滲樣長度 L成反比,即:

式中:(h1-h2)/L——水力比降,也稱水力坡度,常以 J表示。

若以單位面積的滲流量表示流速,則:

上式就是大家熟知的達西定律,式中 k是材料的一個基本性質(zhì),稱為滲透系數(shù)。它將滲流速度與滲透勢能聯(lián)系在一起,所以也稱水力傳導(dǎo)系數(shù)。達西定律首次確立了滲透水在土體中流動的速度、水力比降及土的性質(zhì)三者關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,揭示了滲流的本構(gòu)關(guān)系。

從式 (1)中可以看出,回灌量的大小與滲透系數(shù)、壓差、過水面積、過水通道長度有關(guān)。即隨著回灌壓力的增大,回灌量增大;隨著壓差的增大,回灌量增大;隨著過水通道長度的增加,回灌量減小。對于特定地層,滲透系數(shù)是相對固定值。

通過上式還可以看出,在回灌過程中,以井為中心的“水丘”直徑會逐步增大,“水丘”半徑也就是過水通道的長度。隨著長度的增加,回灌量會逐步降低。如果井口密封,則回灌壓力會逐步提高。也就是說,即便含水層沒有堵塞,回灌量也是逐步降低的?！八稹毕?回灌量會恢復(fù),如果是堵塞造成的回灌量下降,那回灌量就不可恢復(fù)了。

含水層滲透系數(shù)、地下水水位是由地質(zhì)構(gòu)造及水文大環(huán)境決定的,不以人的意志為轉(zhuǎn)移,因此,提高回灌能力不能從這方面入手。

過水?dāng)嗝娣e及回灌壓力是可以控制的,實際工程中大家也都是這么做的。表 1中的內(nèi)容就是人們從工程實踐中總結(jié)出的規(guī)律,對于不同的地層采用不同的回灌井?dāng)?shù)量。調(diào)整回灌井?dāng)?shù)量實際上就是調(diào)整的過水?dāng)嗝娣e,當(dāng)然調(diào)整水井?dāng)?shù)量的同時,相應(yīng)也減小了“水丘”直徑,降低了水滲透的阻力。

除了調(diào)整過水?dāng)嗝娣e外,還有一個可以調(diào)節(jié)的參數(shù)就是回灌壓力,隨著壓力的提高,其它參數(shù)不變的情況下,回灌量也會提高。這也是此次壓力回灌試驗及應(yīng)用的理論依據(jù)。

3 壓力回灌試驗及工程應(yīng)用

3.1 試驗原理和依據(jù)

將井口及管線密封,利用水泵揚程產(chǎn)生的壓力增加回灌量。井的回灌能力一般隨回灌壓力的增加呈線性增長關(guān)系,至于具體增加的回灌量的多少,跟含水層構(gòu)造及地下水分布狀態(tài)有很大關(guān)系,只能通過試驗的方法確定。試驗裝置流程如圖 1所示。

3.2 壓力回灌試驗流程

首先根據(jù)圖 1將兩口井的管線連接,試驗階段可只將回灌井井口密封。連接管路及所需儀表如圖中標(biāo)注。

進行回灌試驗時,首先關(guān)閉閥門 1,打開閥門 2;然后啟動水泵,記錄壓力表、流量計 1、2的數(shù)據(jù);待壓力和流量穩(wěn)定后,首先打開排氣閥,然后逐步打開流量控制閥 1,注意觀察壓力表和兩個流量計的讀數(shù)變化,并做記錄;待流量控制閥 1完全打開后,觀察和記錄壓力表和各流量計的讀數(shù),壓力和流量穩(wěn)定時的回灌量即為無壓回灌時的回灌量。

圖1 壓力回灌實驗系統(tǒng)示意圖

關(guān)閉排氣孔,然后逐漸關(guān)閉流量控制閥 2,注意觀察壓力表和流量計的變化情況,一旦遇到壓力表急劇升高的情況,立即完全打開流量控制閥 2,并同時關(guān)閉水泵。然后調(diào)查了解壓力急劇升高的原因,以確定下一步方案如何進行。如無異常,壓力表讀數(shù)應(yīng)隨著流量控制閥 2的逐漸關(guān)閉而增高,此過程中嚴(yán)密監(jiān)視壓力表及各流量計的變化情況,并做記錄。待流量控制閥 2完全關(guān)閉后,此時壓力表讀數(shù)達到最大,注意此時的流量變化情況,此時的流量表1的讀數(shù)即為壓力回灌下的回灌量。

根據(jù)記錄的壓力與流量的變化情況,分析回灌量與回灌壓力的關(guān)系曲線,確定利用水泵揚程進行加壓的方案是否可行。

3.3 壓力回灌試驗情況

試驗水井井深 150 m,含水層主要為中細砂地層,抽水水量 80～100 m3/h,降深 4 m左右?；毓嘣囼灣掷m(xù)時間 2007年 4月 30日～5月 7日,回灌水量變化 47～40 m3/h。

試驗結(jié)果表明,在無壓情況下,28.8 m3/h回灌,23 h井口溢水,在有壓力的情況下,回灌一個星期,回灌量仍在 40 m3/h左右,加壓回灌技術(shù)是可行的。試驗結(jié)果:壓力 0.2 MPa,平均回灌量 40 m3/h。

表3數(shù)據(jù)為該工程 2號井的壓力回灌試驗數(shù)據(jù),2號井是 8口井中抽水和回灌效果最差的一口,因此,試驗所取數(shù)據(jù)參考價值較高。

4 壓力回灌的井口裝置及工作原理

該小區(qū) 3萬m3公建采用水源熱泵進行供暖和制冷,夏季水源熱泵與生活熱水系統(tǒng)組成水環(huán)熱泵系統(tǒng),及利用公建部分排放的熱量加熱生活熱水。通過先期試驗確定了壓力回灌技術(shù)方案后,我們?yōu)樵撓到y(tǒng)設(shè)計了自加壓壓力回灌系統(tǒng),基本解決了回灌困難的問題。

表3 北京某小區(qū)水源熱泵壓力回灌試驗記錄表

壓力回灌系統(tǒng)工程示意圖如圖 2所示。

圖2 壓力回灌系統(tǒng)示意圖1—壓力表;2—逆止閥;3—柔性接頭;4—水表;5—閘閥;6—溫度計;7—Y形過濾器;8—常開型電磁閥;9—安全閥

水源熱泵系統(tǒng)地下水環(huán)路工作原理:

水井抽水時,不能作為回灌井,同樣,作為回灌井時也不能抽水。抽水時,地下水通過潛水泵泵送,通過泵管依次經(jīng)過壓力表 1、逆止閥 2、柔性接頭 3、水表 4、閘閥 5和溫度計 6,進入熱泵系統(tǒng)的供水管網(wǎng),經(jīng)過熱泵機組提取和注入熱量后,進入回水管網(wǎng),通過另外一口回灌井的閘閥 5、常開型電磁閥 8、水表 4、Y形過濾器 7、柔性接頭 3回灌到井內(nèi)。常開型電磁閥與井內(nèi)潛水泵并聯(lián),不通電時閥門常開,通電后關(guān)閉。當(dāng)回灌井轉(zhuǎn)換為抽水井用時,隨著潛水泵的啟動,常開型電磁閥通電后自動關(guān)閉,回灌水不能進入抽水井內(nèi)。當(dāng)抽水井轉(zhuǎn)換為回灌井用時,常開型電磁閥斷電自動打開,回灌水通過電磁閥進入回灌井內(nèi)。水井的抽灌功能隨著潛水泵的動作自動切換,免去了人力切換的麻煩。

回灌井隨著回灌量的衰減,水路系統(tǒng)壓力會逐漸提高,當(dāng)達到安全閥 9設(shè)定的壓力后,安全閥打開,部分地下水會進入雨水管道瀉壓,達到保護系統(tǒng)安全的目的。

5 結(jié)論及尚需研究的問題

試驗及工程應(yīng)用表明,利用潛水泵揚程形成的自加壓壓力回灌系統(tǒng)是可行的,一定范圍內(nèi)能延長“回揚”周期。

水井回灌量的衰減有其必然性,不完全是各種堵塞造成的。隨著“水丘”直徑擴大造成的回灌量衰減,當(dāng)“水丘”消除后,回灌量會恢復(fù)。各種堵塞造成的回灌量衰減是不可恢復(fù)的。

該技術(shù)只是初步應(yīng)用,尚有很多技術(shù)問題需要解決,主要有以下幾點:

(1)回灌井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計有別于抽水井,目前抽灌井都是一樣的;

(2)壓力回灌需要在理論上進行深入的研究,能做到對回灌量、壓力隨時間的變化預(yù)測或模擬,這樣有利于今后抽灌井的設(shè)計以及今后水源熱泵工程的操作和監(jiān)控;

(3)防結(jié)垢和防堵塞技術(shù)的研究。

[1] 鄔小波.地下含水層儲能和地下水源熱泵系統(tǒng)中地下水回路與回灌技術(shù)現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào),2004,34(1).

[2] 陳崇希,林敏.地下水動力學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1999.

[3] 薛禹群.地下水動力學(xué)原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

[4] 美國制冷空調(diào)工程師協(xié)會.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].徐偉,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.