地下水換熱系統(tǒng)水源勘察與熱源井設(shè)計(jì)工程實(shí)例研究＊

譚長偉，王繼軻，董太穩(wěn)，常季青，劉紅軍

（1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島266032；2中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

21世紀(jì)以來，隨著國際環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)憑借其環(huán)保性和節(jié)能性的優(yōu)勢，逐漸成為近年來可再生能源利用及建筑節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一［1－2］。按換熱介質(zhì)及地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)可分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。作為1種新型清潔能源利用工程，地下水源熱泵利用地下水溫不易受環(huán)境影響、常年穩(wěn)定的特性，將地下水作為能量載體，夏季制冷、冬季采暖，開發(fā)利用淺層地下水熱能資源。孫恒虎等［3］探討了地埋管地源熱泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，宋胡偉等［4］以4個(gè)典型城市為例，綜合考慮各種因素影響，對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析，陳友明等［5］對傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)和新型混合地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬對比。

但是，地源熱泵同時(shí)也出現(xiàn)了一些問題，如回灌困難［6］、熱貫通［7－8］等，熱源井的合理設(shè)計(jì)是克服或緩解這些問題的必要條件。倪龍等［9］給出了一套包含地下水動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)設(shè)計(jì)的熱源井簡化設(shè)計(jì)方法。本文通過工程實(shí)例，介紹地下水水源的勘探方法、利用數(shù)值模擬求取水文地質(zhì)參數(shù)、熱源井設(shè)計(jì)和預(yù)測運(yùn)營水位變化幅度的方法，可為類似中小型地下水換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

青島某工程位于張村河下游，由住宅項(xiàng)目和商業(yè)項(xiàng)目組成，其中商業(yè)項(xiàng)目為一幢14層（局部3～4層）的商業(yè)辦公樓，基礎(chǔ)形式為樁基，總建筑面積約12 000m2，中央空調(diào)擬采用地下水換熱系統(tǒng)，地下水總需水量200m3／h。

該工程充分利用場地獨(dú)特的自然條件，在青島市首次采用淺層地下水換熱系統(tǒng)成功地解決了商業(yè)樓的供暖、制冷問題。3a運(yùn)行實(shí)踐證明，該系統(tǒng)比采用地埋管換熱系統(tǒng)節(jié)省造價(jià)2／3，比中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能50%以上，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 自然地理及地質(zhì)概況

工作區(qū)面積約4.05km2，場區(qū)面積約1.6萬m2，位置詳見圖1。工作區(qū)內(nèi)地形總體較平緩，總的趨勢是西高東低。地面標(biāo)高4.2～53.2m。地貌成因類型主要有剝蝕、堆積準(zhǔn)平原、沖洪積平原。

圖1 工作區(qū)位置圖Fig.1 Location map of work area

青島屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，同時(shí)由于瀕臨黃海，明顯受海洋的調(diào)節(jié)作用。多年平均氣溫12.1℃，多年平均相對濕度72%，平均日照2 515.5h／a。全區(qū)年平均降水量755.6mm。多年平均蒸發(fā)量為1 461.1mm，最大凍土深度43cm。

該區(qū)域河流多為獨(dú)立入膠州灣的山溪性小河。所有河流流量明顯受降水控制，季節(jié)性變化明顯。臨近區(qū)域主要河流有白沙河、張村河、李村河。屬季節(jié)性泄洪的小型河流，無水文監(jiān)測站。

青島主要構(gòu)造形跡為韌性剪切帶及脆性斷裂構(gòu)造，其主體方位為NE向，次為NW向和EW向。區(qū)內(nèi)脆性斷裂構(gòu)造具控水作用，斷裂中NNE及NE向力學(xué)性質(zhì)多屬壓扭性，與之對應(yīng)的共軛斷裂多呈張性。壓扭性斷裂的影響帶和張性斷裂帶通常地下水豐富。

青島地區(qū)出露的地層除第四系松散地層以外，主要由中生代白堊系萊陽群、青山群、王氏群和古元古代變質(zhì)巖系地層組成。

青島地區(qū)的侵入巖分布廣泛，主要發(fā)育有新元古代晉寧期、震旦期和中生代燕山晚期的侵入巖。巖性以酸性花崗巖類為主，基性中細(xì)粒變輝長巖和中性閃長巖類分布局限。通常震旦期以前的侵入巖風(fēng)化帶厚度較大，風(fēng)化裂隙水較豐富，燕山期以后的侵入巖，風(fēng)化裂隙水一般較貧。燕山晚期脈巖發(fā)育，一般為隔水構(gòu)造。

3 場區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地下水類型及賦存特征

區(qū)內(nèi)地下水類型分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，水力性質(zhì)均屬潛水。

第四系松散巖類孔隙水含水巖組是工作區(qū)內(nèi)供水開采的主要目的含水層。主要巖性為沖洪積砂礫石層、砂層，主要分布在河床兩岸、河漫灘及河流階地上，呈條帶狀展布，寬度300～500m。含水層厚度6～9m，滲透系數(shù)20～50m／d，單井涌水量500～1 000m3／d。富水性和透水性良好?；鶐r裂隙水含水巖組可分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水2種類型，巖性以花崗巖類為主，富水性較弱，單井涌水量在10～120m3／d之間，水質(zhì)較好。

3.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

區(qū)內(nèi)淺層地下孔隙水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，汛期接受張村河、李村河滲漏補(bǔ)給和兩側(cè)基巖裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。地表在接受大氣降水之后，部分轉(zhuǎn)化為地表徑流匯入地表水體，少量被蒸發(fā)，部分滲入地下，沿沖洪積層向下徑流，在河床兩岸或漫灘形成富水地段。在目前狀況下，地下水以轉(zhuǎn)化為地表水及向下游徑流排泄，另一種排泄方式為潛水蒸發(fā)排泄，人工開采排泄量較少。

3.3 地下水動(dòng)態(tài)特征

該區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化曲線為水文氣象型，地下水動(dòng)態(tài)基本處于自然狀態(tài)，年內(nèi)受降水制約，季節(jié)性變化明顯，動(dòng)態(tài)曲線呈波狀起伏。地下水位年變幅2～3m，多年呈現(xiàn)均衡狀態(tài)，沒有明顯的升降趨勢。

3.4 地下水化學(xué)成分特征

勘察期間場區(qū)水溫為14.0～14.5℃。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水水溫年變化在12.0～15.0℃之間。11個(gè)熱源井水質(zhì)分析表明，地下水水化學(xué)類型主要為：HCO3－Cl－Na型水，PH 值6.7～7.0，為中性水；總硬度3.3～5.24，為微硬水，SO2－4、Cl－等離子含量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)詳見表1。

表1 地下水化學(xué)成分含量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of chemical component contents of groundwater

4 場區(qū)地下水資源評價(jià)

4.1 勘探方法

本次地下水換熱系統(tǒng)水源勘察，充分利用了場區(qū)巖土工程勘察成果，開展了1／2 000區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查（4km2），系統(tǒng)收集研究了氣象水文資料及區(qū)域地質(zhì)資料，現(xiàn)場進(jìn)行了1組抽水、注水試驗(yàn)，室內(nèi)進(jìn)行了二維流數(shù)值模擬計(jì)算，在上述工作的基礎(chǔ)上，簡化了勘察階段，按照“探采結(jié)合”的形式進(jìn)行水源勘探［1］。勘探點(diǎn)沿河流方向布設(shè)，點(diǎn)距30～40m，每個(gè)勘探點(diǎn)先進(jìn)行小孔徑取芯鉆探，再進(jìn)行大口徑熱源開采井鉆探，成井后每個(gè)勘探點(diǎn)進(jìn)行抽水、注水試驗(yàn)，成井質(zhì)量和出水量滿足設(shè)計(jì)要求后，該勘探點(diǎn)直接轉(zhuǎn)為開采熱源井。

4.2 抽水、注水試驗(yàn)

利用場地已有的2個(gè)完整井進(jìn)行試驗(yàn)，S1井井深12.5m，水位4.39m；S2井井深10.4m，水位4.9m；2井均為統(tǒng)一的粗礫砂含水層，井徑均為1.0m，井壁管均為水泥礫石濾水管。2井相距82m，S1為抽水井，S2為注水井，抽水與注水分2個(gè)落程同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)成果詳見表2、3。

表2 S1抽水試驗(yàn)特征數(shù)據(jù)表Table 2 Characteristic data of pumping test in Well S1

表3 S2注水試驗(yàn)特征數(shù)據(jù)表Table 3 Characteristic data of injecting test in Well S2

4.3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

本次抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，用一般地下水動(dòng)力學(xué)公式法計(jì)算較復(fù)雜，難以達(dá)到較高的計(jì)算精度。故采用數(shù)值法建立該場區(qū)地下水水流數(shù)值模型，利用抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)取得的水位、抽注水量等觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型識(shí)別，從而得到該區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。

4.3.1 水文地質(zhì)概念模型 計(jì)算區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系松散巖類孔隙水含水巖組，主要巖性為沖洪積砂礫石層、砂層，可概化為均質(zhì)各向同性含水層；在抽水、注水試驗(yàn)期間，周邊無地下水開采，附近的張村河內(nèi)有少量污水在河中心已砌護(hù)防滲性良好的溝槽內(nèi)流過，與地下水沒有水量交換；地下水位埋深大于3.5m可不考慮潛水蒸發(fā)；試驗(yàn)期間有小雨，但場區(qū)附近多為硬化地面，對地下水的補(bǔ)給作用微弱，忽略不計(jì)。本次抽水量和注水量相等，對影響半徑以外范圍的影響可忽略不計(jì)，即按照與計(jì)算邊界以外沒有水量交換計(jì)算。第四系孔隙含水層的地下水自西向東、自南向北近于水平流動(dòng)，故把此含水層邊界均概化為流量邊界；因第四系含水層下伏的基巖裂隙含水層透水性極弱，故此含水層各邊界概化為零流量邊界。

4.3.2 數(shù)值模型 采用無壓（潛水）二維流偏微分方程：

根據(jù)建立的上述地下水流數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法建立起數(shù)值模型。數(shù)值模型計(jì)算單元共劃分160×100個(gè)活動(dòng)單元，每個(gè)單元大小為5m×5m（見圖2）。

圖2 計(jì)算單元網(wǎng)格剖分圖（單位：m）Fig.2 Grid of study area

通過參數(shù)調(diào)整，使得模型計(jì)算水位曲線與抽、注水試驗(yàn)實(shí)際觀測曲線基本擬合，得到含水層水文地質(zhì)參數(shù)K、μ。擬合曲線見圖3、4，計(jì)算得到的水文地質(zhì)參數(shù)見表4。水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)見圖5。

圖3 S1抽水井?dāng)M合曲線Fig.3 Drawdown curve of water table varying with time in pumping Well S1

圖4 S2注水井?dāng)M合曲線Fig.4 Drawdown curve of water table varying with time in injecting well S2

表4 水文地質(zhì)參數(shù)表Table 4 Table of hydrogeological parameters

圖5 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖（單位：m）Fig.5 Zoning map of hydrogeological parameters

4.4 水量、水位預(yù)測與評價(jià)

4.4.1 水量評價(jià) 開采后能在短期內(nèi)得到充分補(bǔ)給保證的地下水，即為地下水的可采資源［10］。該工程中央空調(diào)擬采用地下水換熱系統(tǒng)，地下水總需水量200m3／h。場區(qū)淺層地下孔隙水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，汛期接受東側(cè)張村河滲漏補(bǔ)給和南側(cè)、東側(cè)的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。經(jīng)初步估算，場區(qū)地下水補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于需水量，同時(shí)，該類水源熱泵系統(tǒng)采用抽水與回灌近于同時(shí)的開采形式，對地下水的實(shí)際消耗量非常小。因此，場區(qū)地下水資源完全滿足開采要求。

利用前面建立的數(shù)值模型，進(jìn)行布井方案優(yōu)化。結(jié)合現(xiàn)場施工條件，通過調(diào)整抽、注水井的位置，進(jìn)行水位變化預(yù)測計(jì)算，取保證系數(shù)1.85，井距30～40m，最終得到如下布井方案（見圖6）。預(yù)計(jì)施工16口熱源井即可滿足370m3／h的抽、注水量。

圖6 抽注水布井方案Fig.6 Arrangement scheme of pumping wells and injecting wells

4.4.2 水位預(yù)測與評價(jià) 按照上述布井方案，空調(diào)系統(tǒng)以370m3／h的抽注水量連續(xù)運(yùn)行1a時(shí)，利用數(shù)值模型預(yù)測地下水位降深如圖7。從上圖可以看出，水位下降除抽水井附近以外，其它地段一般小于2m；水位升高除注水井附近以外一般不大于2m。該計(jì)算未考慮區(qū)域水位升降的影響，當(dāng)區(qū)域水位升降變化時(shí)，場區(qū)內(nèi)水位會(huì)略有升降。

圖7 預(yù)測地下水位降深等值線圖（單位：m）Fig.7 Contour map of predicted drawdown of groundwater table

4.5 開采利用地下水對建筑物影響評價(jià)

場區(qū)內(nèi)高層建筑物均采用的樁基礎(chǔ)，樁端持力層為花崗巖各風(fēng)化帶，抽水對其影響較??；場區(qū)內(nèi)2個(gè)多層建筑物采用人工墊層柱下條形基礎(chǔ)，但由于這2個(gè)樓與抽灌區(qū)尚有一定距離，且兩者之間存在連續(xù)的止水帷幕，水位升降2m左右，抽水對其影響較小。另外，抽水與回灌近于同時(shí)進(jìn)行，不會(huì)形成不斷擴(kuò)大的降水漏斗。因此不會(huì)出現(xiàn)開采使用地下水而導(dǎo)致地面沉降及誘發(fā)建（構(gòu)）筑物的開裂、不均勻沉降等環(huán)境問題。

由于抽取地下水使用后的回灌水是在密封條件循環(huán)使用，不與外界接觸，水不易受到污染，回灌地下后，對含水層也不易產(chǎn)生二次污染，對地下水水質(zhì)基本無影響。

5 熱源井設(shè)計(jì)及運(yùn)營

通過地下水換熱系統(tǒng)水源勘察研究成果表明，場區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，已有井抽、注水試驗(yàn)取得滿意的效果，場區(qū)臨河一側(cè)預(yù)計(jì)施工16口熱源井即可滿足需水及環(huán)境要求。為了節(jié)省造價(jià)，縮短工期，經(jīng)業(yè)主同意，決定采用“探采結(jié)合”的形式進(jìn)行勘探，即先施工小口徑勘探孔，查明地層結(jié)構(gòu)及含水層巖性、厚度及顆粒組成，估算單孔涌水量；再施工大口徑勘探開采井，水量、含砂量經(jīng)試驗(yàn)合格后，直接成井轉(zhuǎn)為工程使用的熱源井。

5.1 熱源井成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有關(guān)技術(shù)要求

5.1.1 成井結(jié)構(gòu)及鉆探技術(shù)要求（1）開孔口徑1 000mm，終孔口徑325mm，第四系井徑1 000mm，從基巖面變徑325mm。井深以打穿第四系入巖5m為準(zhǔn)，初步確定為20m?？仔?0／100m，孔深誤差不大于2%。（2）采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁的鉆探工藝，泥漿粘度16～18s，密度1.05～1.1g／cm3，含沙量小于8%。

5.1.2 熱源井濾水管技術(shù)要求 井壁管及濾水管采用HDPEΦ580mm雙壁波紋管，該管具有造價(jià)低、耐腐蝕、無公害、耐沖擊、施工方便、使用壽命長（50a）的特點(diǎn)，脆化溫度－700℃，軟化溫度1 260℃，抗壓強(qiáng)度18～25MPa，抗拉強(qiáng)度20～35MPa。濾水管自行加工，孔隙率大于20%，外包沙網(wǎng)。

5.1.3 濾料及填礫技術(shù)要求（1）濾料采用水洗礫石，濾料直徑根據(jù)含水層特征確定。砂土：D50＝（6～8）d50，碎石土：D50＝（6～8）d20；濾料不均勻系數(shù)小于2。（2）填礫采用動(dòng)水填礫法，填礫高度超過含水層1.0m。（3）井口以下至靜止水位以上分層回填黏土球，以防污水下滲。

5.1.4 洗井技術(shù)要求 采用活塞和CO2聯(lián)合洗井，活塞洗井時(shí)間大于4h／井，CO2洗井每井至少1次，洗井結(jié)束后應(yīng)撈取井內(nèi)沉淀物。

5.2 抽水－回灌試驗(yàn)技術(shù)要求

5.2.1 抽水試驗(yàn)技術(shù)要求 為求取含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和單井出水能力，每井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)1個(gè)落程，抽水穩(wěn)定時(shí)間不小于12h。采用電力潛水泵抽水，水位測量采用電測水位計(jì)，水量采用標(biāo)準(zhǔn)三角堰箱或水表測量，采用水銀溫度表觀測水溫和氣溫，抽水試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)齊全并滿足計(jì)算要求。

5.2.2 回灌試驗(yàn)技術(shù)要求 為了保證回灌正常進(jìn)行，必須保證施工井徑符合設(shè)計(jì)要求，保證濾管孔隙率、濾料質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，保證洗井符合設(shè)計(jì)要求。為求取各井的回灌量和回灌效率，對每個(gè)井進(jìn)行回灌試驗(yàn)，每井1個(gè)落程?；毓喾€(wěn)定時(shí)間不小于36h［11］，采用1級(jí)定流量回灌，水位測量采用電測水位計(jì)，水量采用標(biāo)準(zhǔn)三角堰箱或水表測量。

5.2.3 抽水、回灌聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)要求 為了確定場區(qū)總的允許開采量和注水效率，在管井全部施工完成后，采用一井對另一井大流量一次降深穩(wěn)定流抽水、回灌試驗(yàn)。穩(wěn)定時(shí)間不小于36h，統(tǒng)一觀測水位、水量、水溫。

每井取水樣一件，進(jìn)行水質(zhì)簡分析及含砂量測試。要求含砂量不大于1／200 000（體積比）。

5.3 熱源井運(yùn)行過程技術(shù)要求

5.3.1 地下水長期觀測及熱源井維護(hù)要求 熱源井（包括抽水井和回灌井）投入使用期間，要求對地下水水溫、水位、水質(zhì)等進(jìn)行長期觀測，建立檔案，以便及時(shí)了解和分析其變化情況［11］。具體觀測周期要求：第一個(gè)水文年，每星期測取一次水溫、水位，每季度采取水樣一組進(jìn)行水質(zhì)分析；從第二個(gè)水文年開始，水溫、水位可每月測取二次，春、夏季各取一次水樣進(jìn)行分析。

熱源井運(yùn)行期間，應(yīng)安排專人進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)。在正常使用情況下，一般1～2a應(yīng)進(jìn)行一次洗井和維護(hù)（保養(yǎng)），確保設(shè)備及熱源井出水正常。

5.3.2 其它方面的要求

（1）抽水井與回灌井在運(yùn)行一定時(shí)間后應(yīng)相互轉(zhuǎn)換以利于開采、洗井、巖土體和含水層的熱平衡，時(shí)間以1～2a為宜。抽水井與回灌井間應(yīng)設(shè)排氣裝置，以避免將空氣帶入含水層。

（2）為防止氧氣與水井內(nèi)存在的低價(jià)陽離子反應(yīng)形成氧化物，產(chǎn)生氣體黏合物，引起回灌井阻塞，要求熱源井井口密封以消除空氣侵入現(xiàn)象。

（3）地下水供水管和回灌管禁止與市政管道連接，以防污染自來水和浪費(fèi)地下水。抽水管和回灌管上均應(yīng)設(shè)置水樣采集口和監(jiān)測口。

6 運(yùn)行結(jié)果及效益比較

該系統(tǒng)自2008年6月開始運(yùn)行，3a運(yùn)行實(shí)踐表明，熱源井水質(zhì)、水量沒有發(fā)生明顯變化，周邊建筑及道路未發(fā)生不均勻沉降，地下水水溫未發(fā)生明顯變化，未發(fā)生回灌難的現(xiàn)象，該地下水換熱系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

按照冷負(fù)荷2 000kW，地下水熱源井井深20m，井徑1 000mm，單井涌水量45m3／h，井?dāng)?shù)16個(gè)；U形地埋管熱源井井深100m，井徑150mm，單井熱交換功率4.0kW，井?dāng)?shù)500個(gè)；中央空調(diào)系統(tǒng)采用市政熱力＋國產(chǎn)制冷機(jī)組；采暖期140d，供冷120d，電價(jià)￥0.8／（kW·h），按上述條件在不考慮系統(tǒng)末端造價(jià)的前提下，3種熱源方式初期投資、運(yùn)行費(fèi)用、工期見表5。

表5 各方案投資、運(yùn)行費(fèi)用及工期比較Table 5 The form of hydrogeological parameters

7 結(jié)論

（1）利用抽水－注水試驗(yàn)成果擬合的數(shù)值法求取水文地質(zhì)參數(shù)是可行的，水文地質(zhì)參數(shù)的精度取決于建立水文地質(zhì)模型與實(shí)際的水文地質(zhì)條件的符合性；

（2）采用HDPE雙壁波紋管做井壁管及濾水管具有造價(jià)低廉、安裝方便、抗腐蝕性的特點(diǎn)，在熱源井中廣泛使用具有推廣價(jià)值；

（3）開發(fā)利用淺層地下水資源是淺層地?zé)崮荛_發(fā)過程中應(yīng)優(yōu)先考慮的問題。只要淺層地下水水量滿足要求，即應(yīng)優(yōu)先采用地下水換熱系統(tǒng)。

（4）熱源井的合理設(shè)計(jì)和精心施工是保證熱泵系統(tǒng)運(yùn)營過程中最大限度地減少對環(huán)境影響的關(guān)鍵措施之一?？茖W(xué)合理的井距，等流量抽注地下水技術(shù)可以很好解決地面沉降等環(huán)境工程地質(zhì)問題。

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