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水源热泵回灌技术分析

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发表于 2018-9-2 12:59:26 |显示全部楼层
  回灌在水源热泵运行过程中起到决定性因素,分析了水源热泵回灌水质、回灌量、回灌方式,并对产生回灌不畅的原因进行了分析,总结了避免回灌不畅的方式。
  对于水源热泵技术,目前最大的技术难题是水的回灌,通常1口出水井得要3口井进行回灌。现国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度。因此,积极研究回灌技术,对地下水水源热泵技术的健康发展具有积极意义。
  所谓地下水人工补给(即回灌),就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。这样做可以补充地下水源,调节水位,维持储量平衡;可以回灌储能,提供冷热源,如冬灌夏用,夏灌冬用;可以保持含水层水头压力,防止地面沉降。所以,为保护地下水资源,确保水源热泵系统长期可靠地运行,水源热泵系统工程中一般应采取回灌措施。
  目前,尚无回灌水水质的国家标准,各地区和各部门制定的标准不尽相同。应注意的原则是:回灌水质要好于或等于原地下水水质,回灌后不会引起区域性地下水水质污染。实际上,水源水经过热泵机组后,只是交换了热量,水质几乎没发生变化,回灌不会引起地下水污染,但是存在污染水资源的风险。
  根据工程场地的实际情况,可采用地面渗入补给,诱导补给和注入补给。 注入式回灌一般利用管井进行,常采用无压(自流)、负压(真空)和加压(正压)回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好,井中有回灌水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深(静水位埋深在10米以下),含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高,透水性差的地层。
  回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关,其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说,出水量大的井回灌量也大。
  由于地下水源热泵工程所在地区的水文地质条件和工程场地条件各不相同,实际应用的人工回灌工程方式也有所不同,各种方式的特点、适用条件和回灌效果各不同。
  1)同井抽灌方式是指从同一眼管井底部抽取地下水,送至机组换热后,再由回水管送回同一眼井中。回灌水有一部分渗入含水层,另一部分与井水混合后再次被抽取送至机组换热,形成同一眼管井中井水循环利用。
  2)同井抽灌方式适合于地下含水层厚度大,渗透性好,水力坡度大,径流速度快的地区。
  3)同井抽灌方式的优点是节省了地下水源系统的管井数量,减少了一部分水源井的初投资。
  4)同井抽灌方式的缺点是,在运行过程中,一部分回水和一部分出水发生短路现象,两者混合形成自循环,对水井出水温度影响很大。冬季供暖运行时,井水出水温度逐渐降低,夏季制冷运行时,井水出水温度逐渐升高。
  1)异井抽灌方式是指从某一眼管井含水层中抽取地下水,送至机组换热后,由回水管送至另一眼管井回灌到含水层中,从而形成局部地区抽灌井之间含水层中地下水与土壤热交换的循环利用系统。
  3)异井抽灌方式的优点是回灌量大于同井回灌。抽灌井之间有一定距离,回水温度对供水温度没有影响,不会导致机组运行效率下降,因而运行费用比同井抽灌方式低。冬季和夏季不同季节运行时,抽灌井可以切换使用。
  4)异井抽灌方式的缺点是增加了地下水源系统的管井数量,增加了水源井的初投资。
  无论采用同井或异井哪种回灌方式,由于目前在很多地区采用的回灌方式均为自流回灌,因此往往会产生回灌不畅的问题,以下对产生回灌不畅的原因进行分析。
  由于地下水具有一定的压力、受透水层阻力影响,抽取容易,回灌慢。地下水含矿物质,微生物,在抽取回灌过程,由于管井并非密闭加压回灌方式,水在从地下抽取过程中,含氧量也发生了变化,经物理反应,产生气泡含发黏的胶状物,由井内向地层渗透时粘结堵塞了虑水管间隙,透水率降低,就出现回灌不下去的现象。其原因主要是回灌井结构及成井工艺问题:抽水时地下水从地下含水层经砾料、虑水管进入井内被抽出。滤料、滤水管起到很好的过滤作用。而回灌时水从井管内经滤水管、砾料向地层渗透,如果回灌井还按照抽水井结构及成井工艺,回灌井中胶状发黏物,被过滤粘结堵塞了透水间隙。所以原来普遍使用的给水井抽水井结构,不适应作为回灌井。另外片面强调水井抽取量,而过量开采,动水位(降深值)增大,粉细纱抽入井内或堆积水井周围抽取的水中含砂量超标,影响降低透水率,所以在第四系地层取水,必须按照当地水文地质条件。水位降深值(动水位)不超过15米,含砂量少于1/20万,否则影响水井使用寿命,逐年降低出水量,严重者造成地面下沉,附近建筑物受到影响。
  抽水井于回灌井的数量比例:视回灌井在当地水文地质条件下的最大回灌量,由以下诸因素决定:1、静水位埋深2、含水地层状况、埋深及厚度3、成井结构4、成井施工工艺过程等。
  (1)、冲击钻 成井工艺简单,成本费用少,只在卵石较大地区适用,但是出水量,透水率受影响。
  (2)、回转钻 钻井成本费用高,适合在颗粒较小地层钻进,在大颗粒的卵石层钻进慢,成井质量好,只要严格按照完善的成井工艺要求。出水量透水率,水位降深值明显优于冲击钻成井。
  抽水井:采用双层管结构,内井管用于抽水,外井管有透水井笼。工作原理是:由于地下水位的降低,上部原含水层已基本疏干,地层结构松散,具有很好的透水性。由内外管之间回灌,经透水管笼向地层渗透,为了保证抽水温度回灌水不允许回到内井管,必须有止回水料,特制的回灌井笼具有强度高,抗挤压不变形,透水性强、阻力小等特点回灌水中的发粘胶状物不粘结堵塞,能顺利通过回到地下。用此节构的水井还能起到一定辅助回灌量。
  回灌井:采用特制的回灌管笼,笼式结构与传统给水管井透水结构相比,由于其透水率高,阻力小。回灌渗透快,回灌水中的发黏胶状物堵塞不了透水间隙,达到回灌迅速畅通。
  为预防和处理管井堵塞还应采用回扬的方法,所谓回扬即在回灌井中开泵抽排水中堵塞物。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。在岩溶裂隙含水层进行管井回灌,长期不回扬,回灌能力仍能维持;在松散粗大颗粒含水层进行管井回灌,回扬时间约一周1―2次;在中、细颗粒含水层里进行管井回灌,回扬间隔时间应进一缩短,每天应1―2次。在回灌过程中,掌握适当回扬次数和时间,才能获得好的回灌效果,如果怕回扬多占时间,少回扬甚至不回扬,结果管井和含水层受堵,反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完,见到清水为止。对细颗粒含水层来说,回扬尤为重要。实验证实:在几次回灌之间进行回扬与连续回灌不进行回扬相比,前者能恢复回灌水位,保证回灌井正常工作。
  采用合理的井室装置,对井口装置进行密闭,减少水源水含氧量增加的几率,最大限度的保障回灌效果。
  根据不同水源热泵回灌方式,对产生回灌不畅的原因进行了具体分析,提出了避免回灌不畅的方式,有利于指导我国水源热泵系统的设计。
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