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1、水源热泵系统地下水回灌浅谈 摘要:本文介绍了国内外研究应用现状及压力回灌的技术原理，分析了压力回灌试验及工程应用。关键词:水源热泵；系统；地下水；回灌；浅析中图分类号：S273文献标识码：A文章编号：1国内外研究应用现状对于水源热泵(watersourceheatpump,简称WSHP)技术,地面上热泵系统的设备和技术都已经相当成熟,而主要的技术/瓶颈0为地下水回灌系统。很多地区的水源热泵工程存在回灌困难的问题,一些单位将不能回灌的地下水偷偷排入河道或者下水管网,不但造成了洁净淡水资源的极大浪费,也使水源热泵技术在很多地区遭到了人
2、们的排斥。但水源热泵效率高、占地少的特点又是地源热泵无法比拟的。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的意义。国内对水源热泵回灌技术进行系统研究的不多,多数工程基本通过经验设计,这些工程里面采用压力回灌的比例也极少。以北京为例,多数工程都是采用增加回灌井数量的方式来解决回灌困难问题的。根据施工经验,国内学者和设计单位一般确定的水井常用布置形式及回灌量减少处理方式等如表1、2所示。表1不同地质条件下的地下水系统设计参数7表2水井堵塞机理及处理方法目前,国际上对于地下水回灌和相应的地质环境问题研究主要由国际能源组
3、织在储能节能合作框架(ECES)下进行。欧洲在地下水回路方面一直处于技术领先地位。尽管如此,欧美的一些国家对地下水源热泵地下部分的处理非常慎重,禁止地下水的低级使用,而荷兰在水源热泵应用方面是个例外。荷兰一直以其水利、地质方面的技术而著称于世界,其地下含水层储能和地下水源热泵的地下水回灌技术领先于西方其他国家。荷兰的地质条件比较适合地下储能,但地下水的回灌难度较大,大多数地区的含水层为中细砂,甚至粉细砂,且有的地区的水为咸水,但荷兰成功地在这些地区应用了地下水源热泵技术。在环境方面,十分注重地下含水层的可持续利用,在技术上成功地解决
4、了地下水回灌过程中井的堵塞问题,荷兰已成为世界上地下水源热泵成功应用的典范。7荷兰着眼于从根本上解决地下水回灌的堵塞问题,其系统无需经常回扬,一般来说,每年仅需回扬几次,也无需对地下水进行化学处理。荷兰采用的是压力回灌方式,其原因是地下水回灌的地质条件往往非常苛刻,回灌难度较大,另一方面维持系统一定的压力可以避免外界空气侵入而引起地下水氧化。文献[1]还提到,荷兰目前的做法是从地质勘探、井的设计、成井、系统集成到系统的运行和监控具有一套专用的技术,从根本上解决了井的堵塞问题,灌抽比达到100%。2压力回灌的技术原理研究井的回灌,应从
5、了解水在含水介质中的运移规律入手。在渗透理论中,著名的达西定律就是描述水在饱和土中渗透的基本定律。1892~1895年,达西通过从均匀砂样的大量渗水试验中发现,单位时间通过面积A的渗水量Q与上下游水头差(h1-h2)成正比,而与渗样长度L成反比,即:Q=kA(h1-h2)/L(1)式中:(h1-h2)/L)水力比降,也称水力坡度,常以J表示。若以单位面积的渗流量表示流速,则:v=Q/A=kJ(2)上式就是大家熟知的达西定律,式中k是材料的一个基本性质,称为渗透系数。它将渗流速度与渗透势能联系在一起,所以也称水力传导系数。达西定律首次
6、确立了渗透水在土体中流动的速度、水力比降及土的性质三者关系的数学模型,揭示了渗流的本构关系。7从式(1)中可以看出,回灌量的大小与渗透系数、压差、过水面积、过水通道长度有关。即随着回灌压力的增大,回灌量增大;随着压差的增大,回灌量增大;随着过水通道长度的增加,回灌量减小。对于特定地层,渗透系数是相对固定值。通过上式还可以看出,在回灌过程中,以井为中心的/水丘0直径会逐步增大,/水丘0半径也就是过水通道的长度。随着长度的增加,回灌量会逐步降低。如果井口密封,则回灌压力会逐步提高。也就是说,即便含水层没有堵塞,回灌量也是逐步降低的。/水
7、丘0消除后,回灌量会恢复,如果是堵塞造成的回灌量下降,那回灌量就不可恢复了。含水层渗透系数、地下水水位是由地质构造及水文大环境决定的,不以人的意志为转移,因此,提高回灌能力不能从这方面入手。过水断面积及回灌压力是可以控制的,实际工程中大家也都是这么做的。表1中的内容就是人们从工程实践中总结出的规律,对于不同的地层采用不同的回灌井数量。调整回灌井数量实际上就是调整的过水断面积,当然调整水井数量的同时,相应也减小了/水丘0直径,降低了水渗透的阻力。除了调整过水断面积外,还有一个可以调节的参数就是回灌压力,随着压力的提高,其它参数不变的情
8、况下,回灌量也会提高。这也是此次压力回灌试验及应用的理论依据。3压力回灌试验及工程应用3.1试验原理和依据7将井口及管线密封,利用水泵扬程产生的压力增加回灌量。井的回灌能力一般随回灌压力的增加呈线性增长关系,至于具体增加的回灌量的多少
