地源热泵技术讲座_五_地下水地源热泵系统

·122·可再生能源Renewable Energy Resources第26卷第5期2008年10月Vol.26No.5Oct.20081地下水的类型与性质（1）地下水的类型存在于地表以下岩土空隙中的各种状态的水统称为地下水。

地表以下岩石和土体中存在的空隙,既是地下水的储存场所，又是其运移通道。

岩土空隙的多少、大小、连通性、充填程度及其分布，决定着地下水的埋藏条件。

地表以下的含水岩土分为包气带和饱水带。

位于上部岩土的空隙中，除水以外还包含空气，称为包气带或非饱和带；下部岩土的空隙被水充满，称为饱水带或饱和带。

岩土空隙中存在的水，按其物理性质可分为气态水、结合水、毛细水、重力水和固态水等形式。

这些水在地壳中的分布很有规律。

由地表向下，尽管接近地表的部分岩土比较干燥，实际上已有气态水和结合水存在；向下，岩土比较潮湿，但仍无水滴；继续向下，就到了毛细水带；再向下，便是重力水带。

井水的水面便是重力水带的水面，也即包气带和饱水带的分界面。

饱水带以下的岩层并不都是含水层，也有的是隔水层。

地下水在其中储存、渗透，并能提供相当数量水的岩层是含水层；相反，不能透过水和不能提供水，或者仅能透过与提供数量极少水的岩层是隔水层。

按其埋藏条件，地下水可分为上层滞水、潜水和承压水3类。

上层滞水是埋藏在包气带中局部隔水层之上的重力水。

上层滞水一般埋深较浅、范围小、储水量小，受季节性影响大，适合用作农村小型供水水源，而不宜作为地下水地源热泵系统的水源。

潜水是埋藏于地下第一稳定含水层之上、具有自由表面的重力水。

它的上部没有连续完整的隔水顶板，通过上部透水层可与地表相通，其自由表面称为潜水面。

潜水通过包气带与地表相连通，大气降水、地表水、凝结水通过包气带的空隙通道直接渗入补给潜水。

一般来说，潜水补给来源充裕，水量较丰富，特别是在平原地区，埋藏较浅，开采容易。

所以潜水一般可以作为地下水地源热泵系统的主要水源。

承压水是充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。

承压水由于有稳定的隔水顶板，水体承受静水压力，故没有自由水面，同时承压水与地表的直接联系也被隔绝，所以承压水的水温和水质等受外界的影响较小。

承压水一般埋藏较深，往往达数百米以上。

埋藏较浅的（数十米至一百米）承压水可以作为地下水地源热泵系统的水源。

但由于其补给较慢，水位下降后不易恢复，因而应注意合理开采。

（2）地下水的性质自然界中的水处于无休止的循环运动中，不断与大气、土壤和岩石等介质接触、互相作用，具有复杂的成分和理化性质。

利用地下水作为水源热泵的冷热源时，不仅应关注水源的水量，还应关注水的温度、化学成分、腐蚀度、硬度、矿化度和腐蚀性等。

地下水水温因自然地理环境、地质条件和循环深度不同而变化。

地下水的温度不受太阳辐射影响，随气温高低变化的影响较小，特别是深井水的水温基本常年不变。

不同纬度地区的地下恒温带深度不同，水温为10～22℃。

这样的温度，在夏季比大气温度低，在冬季比大气温度高，适于水源热泵的利用。

冷热源温度是影响水源热泵效率的主要因素，所以利用地下水时，应准确测出当地地下水温度。

地下水水质直接影响地下水地源热泵系统的使用寿命和工作效率。

地下水地源热泵系统对地下水水质的基本要求:水质澄清、稳定、无腐蚀性，不滋生微生物或生物，不结垢等。

有些地下水含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，水质浑浊。

含砂量高的水对机组和管阀会造成磨损。

含砂量和浑浊度高的水在回灌时会造成含水层的堵塞。

用于地下水地源热泵系统的水源，含砂量应小于1/200000，浑浊度应小于20mg/L 。

如果系统中装有板式换热器，则要求水源水中固体颗粒物的粒径应小于0.5mm 。

自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体，使水收稿日期：2008-09-11。

作者简介：胡连营（1963-），男，辽宁营口人，研究员，硕士，从事热能利用技术的研究与开发。

E-mail ：hu-ly@地下水地源热泵系统地源热泵技术讲座（五）胡连营（辽宁省能源研究所，辽宁营口115000）中图分类号：TK523文献标志码：B 文章编号：1671-5292（2008）05-0122-03具有一定的酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等，对系统材料有一定影响。

用于地下水地源热泵系统的地下水的pH值宜为6.5～8.5。

水中Ca2十，Mg2十的总量称为总硬度，硬度大，易生垢。

地下水地源热泵系统的地下水的Ca0含量应小于200mg/L。

单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度，用于地下水地源热泵系统的地下水矿化度应小于3g/L。

水中C1-、游离CO2-等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。

对腐蚀性强、硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或钛板换热器。

2地下水源系统的利用设施（1）地下水的处理不同地区的地下水水质不同，在实际工程中应对当地地下水水质进行测试，对不符合标准的地下水要进行相应的处理。

当地下水含砂量较高时，应采用过滤器或除砂设备进行处理。

目前，普遍使用体积小、除砂效率高、可在不间断供水的情况下清除水中砂粒的旋流式除砂器。

要按照处理流量选配除砂器的型号和台数。

有些水源水浑浊度较大，回灌时容易造成管井过滤器和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。

对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。

当水中含铁量大于0.3mg/L时，应在水系统中安装除铁设备。

我国地下水中含铁量一般都超过允许值，故在使用前要进行除铁。

离子棒防垢器是一种新型、先进的水处理设备。

它具有防垢、除垢、除锈、防腐蚀等功能，功耗小，使用寿命长。

这种设备水平安装在热泵机组入口处的管路上，安装简单，不需另外设置阀门和旁通管路。

有些水源的矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，直接进入机组会降低机组的使用寿命，如果通过水处理的办法减少矿化度，费用又很大。

通常采用加装板式换热器的中间换热方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免水源水可能产生的腐蚀作用。

对不同矿化度的地下水，宜采用不同的换热方式与设备(表1)。

（2）管井的构造热源井是抽水井和回灌井的总称，它与一般垂直地下水取水构筑物基本相同，主要有管井、大口井、辐射井等类型。

在实际工程中，应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小、技术经济状况等条件选取热源井的形式。

管井是最普遍的一种，目前被广泛地应用在地下水地源热泵系统中。

管井因井壁和含水层中进水部分均为管状结构而得名。

管井常用凿井机械开凿，又俗称机井。

管井按含水层的类型划分，有潜水井和承压井；按过滤器是否贯穿整个含水层划分，有完整井和非完整井。

管井一般由井室、井壁管、过滤器及沉砂管组成。

井室位于最上部，用于保护井口、安装设备、进行维护管理。

井壁管安装在非含水层处，用以支撑井孔孔壁，防止坍塌。

井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭，防止地面污水渗入。

过滤器俗称花管，安装在含水层处，除具有井壁管的作用外，其主要作用是滤水挡砂。

井管最底部为沉砂管，用以沉积水中泥沙，延长管井使用寿命（图1）。

由于管井兼作回灌和抽取两用，因此要承受灌抽两个方向的压力。

因此管井的构造需满足以下几点要求：①井壁管采用抗压、抗剪，防腐、防渗和无毒的管材，一般选用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管或塑料管等。

钢管适用的井深不受限制，但应随井深加大而增大壁厚。

铸铁管适用的井深小于250m；钢筋混凝土管适用的井深小于150m。

井壁管口径的大小要根据含水层富水性、透水性及抽水设备等因素决定。

当安装抽水设备时，井壁管内径应比泵管外径大100mm。

②过滤器选用不锈钢骨架缠梯形铜丝的缠丝过滤器。

缠丝间隙按含水层颗粒确定，过滤器长度和设置部位按含水层的岩性、厚度和地层剖面结构而定。

实践证明，采用双层缠丝过滤器能增加井的单位回灌量和出水量，能延长井的使用年限，对压力回灌尤为适用。

③沉砂管材料与井壁管相同，其长度视含水层岩性和井的深度而定：井深16～30m，沉砂管长度不小于3m；井深30～90 m，沉砂管长度不小于5m；井深大于90m，沉砂管长度不小于10m。

沉砂管底部应设置在含水层底板处，以防管井下沉。

④填砾层对管井的采灌水量和使用寿命有较大影响。

砾料不能用机械碎石代替，要选择没有易溶矿物、磨圆度较好的河砾石，保证砾料的透水性，同时也防止砾料中矿物溶解而污染地下水。

增加填砾层高度和厚度，不仅有助于减少水力坡度、避免产生紊流，而且可防止灌抽水过程中因填砾层压密下沉而产生“跑砂”现象。

选择地下水源和管井取水方案时，应根据所需水量和地下水回灌需要，结合场地环境和水文地质条件，按一定灌抽比确定抽水井和回灌井数量、合理布置井位和井间距。

为防止回灌井堵塞，确保水源系统长期稳定供水，抽水井和回灌井应互相切换使用，因此各井的井深和井身结构应相近。

井中过滤器应有一定强度，以承受抽灌往复水流的压力变换。

表1不同矿化度水源的换热方式与设备地下水矿化度(mg/L)换热方式与设备＜350不设换热器，采用直供连接。

350～500设置不锈钢板式换热器＞500设置钛合金板式换热器图1管井的构造示意图胡连营地下水地源热泵系统·123··124·表2典型的灌抽比和井的布置情况含水层情况灌抽比（%）井的布置砾石＞80一抽一灌中粗砂50～70一抽二灌细砂30～50一抽三灌3地下水的回灌（1）地下水回灌的问题在地下水地源热泵系统中，抽水井抽出的地下水通过热泵机组进行热量交换后，再通过回灌井注入到含水层中，这个过程称为回灌。

地下水是优质的热泵冷热源，更是宝贵的淡水资源，这种双重属性决定了地下水经热交换后必须回灌。

一方面，回灌可以储能，可以为热泵机组提供持续充足的冷热源；另一方面，回灌可以保护地下水资源。

如果不采取有效的回灌措施，则可能产生一系列环境问题，甚至造成地下水位下降、地面沉降、河道断流、海水倒灌等地质灾害。

水文地质问题的出现是一个缓慢的过程,但问题一旦出现,基本上是无可挽回的,或挽回的成本将是非常巨大。

从某种程度上讲,水文地质问题的危害不亚于大气污染。

由于水文地质条件的复杂性，地下水的回灌要比地下水抽取困难很多。

最容易出现的问题是回灌量不足和地下水的污染。

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。

目前大多数国家的地下水回灌技术尚不成熟,特别在含水层砂粒较细的情况下,回灌井极易被堵,回灌的速度大大低于抽水的速度。

对于砂粒较粗的含水层,由于孔隙较大,相对而言,回灌比较容易，表2给出了不同地质水文条件下的灌抽比和井的设置情况。

回灌井的堵塞是造成系统运行灌抽比降低的原因。

国内普遍认为，在回灌过程中，井的堵塞是不可避免的。

造成井堵塞的原因是多种多样的，大致可以归纳为6种:悬浮物堵塞、微生物的生长、化学沉淀、气泡阻塞、黏粒膨胀和扩散、含水层细颗粒重组。