91精品人妻互换日韩精品久久影视|又粗又大的网站激情文学制服91|亚州A∨无码片中文字慕鲁丝片区|jizz中国无码91麻豆精品福利|午夜成人AA婷婷五月天精品|素人AV在线国产高清不卡片|尤物精品视频影院91日韩|亚洲精品18国产精品闷骚

陳陽，王智偉，劉煒，劉亞軍，張明遠(yuǎn)

（1．西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055；

2．寶漢高速漢中建設(shè)管理處，陜西漢中723000）

 [摘要]地下水源熱泵系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保型中央空調(diào)系統(tǒng)，熱源井作為系統(tǒng)取熱或放熱的源或匯是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本文提出了熱源井設(shè)計(jì)的方法及井結(jié)構(gòu)、井?dāng)?shù)、井間距、井群布置對系統(tǒng)的影響，分析了熱源井施工工藝流程中填礫、封井、洗井、潛水泵選擇等過程的重要性，提出了地下水源熱泵系統(tǒng)熱源井設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵問題及相互作用。最后以寶漢高速公路沿線某站點(diǎn)為實(shí)例，驗(yàn)證該研究在工程項(xiàng)目的可行性。

 [關(guān)鍵詞]地下水源熱泵；熱源井；井間距；井群布置；填礫

0  引言

 地下水源熱泵( groundwater heat pump，GWHP)是一種新型可再生能源利用技術(shù)，憑借其節(jié)能性和環(huán)保性的獨(dú)特優(yōu)勢，在我國得到越來越多的關(guān)注。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，通過“抽水一能量交換一回灌”的過程，夏季供冷、冬季供暖，具有良好的節(jié)能性。但是，由于地下水源熱泵系統(tǒng)的推廣具有很大的盲目性，而且我國地下水源熱泵的發(fā)展呈現(xiàn)出“所有的地面系統(tǒng)基本相同，所有的地下系統(tǒng)基本不可見”的現(xiàn)狀，因此加劇了回灌堵塞、“熱貫通”等與熱源井有關(guān)的問題的出現(xiàn)。

 國內(nèi)外眾多學(xué)者對地下水源熱泵熱源井的設(shè)計(jì)提出了自己的觀點(diǎn)：Hatten總結(jié)某地下水源熱泵系統(tǒng)43 a的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出應(yīng)根據(jù)含水層特性和負(fù)荷需要合理的設(shè)計(jì)井的尺寸；Snijder提出熱源井之間應(yīng)保持一定的距離以避免回灌水對抽水井的影響；王旭升等提出了地下水源熱泵水文地質(zhì)設(shè)計(jì)的方法；倪龍等提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。

 熱源井作為系統(tǒng)取熱或放熱的源或匯，其設(shè)計(jì)和施工問題已經(jīng)成為當(dāng)前地下水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。以往的研究多集中于設(shè)計(jì)方法，沒有考慮工程施工過程對設(shè)計(jì)的影響。本文以熱源井為單元，提出了一種結(jié)合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)方法，并對其設(shè)計(jì)及施工過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，提出了緩解回灌堵塞及“熱貫通”問題的方法，最后以工程實(shí)例證明該方法的可行性。

1  熱源井設(shè)計(jì)

1.1  熱源井的設(shè)計(jì)方法

 熱源井的設(shè)計(jì)應(yīng)基于“需供合”的技術(shù)路線，首先通過建筑物的負(fù)荷需求得出系統(tǒng)的需水量，再根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)的水文地質(zhì)條件確定管井的形式、結(jié)構(gòu)及取水位置，利用已有水文地質(zhì)參數(shù)及井流量公式預(yù)測單井取水、回灌量。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含水層的復(fù)雜性，需通過試驗(yàn)井的抽水試驗(yàn)、回灌試驗(yàn)驗(yàn)證管井出水、回灌能力，從而獲得需打井?dāng)?shù)量及抽灌比。而后根據(jù)現(xiàn)場建設(shè)條件及允許的“熱貫通”程度設(shè)計(jì)抽水井、回灌井間距，根據(jù)得出的井間距及場地情況進(jìn)行井群布置。最后校驗(yàn)各抽灌井的井群降深是否滿足允許降深。

1.2  井結(jié)構(gòu)

熱源井的井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括井的形式、井徑、井深、井室及井管的設(shè)計(jì)，而井管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是濾水管。過濾器的類型應(yīng)根據(jù)含水層的性質(zhì)按表1采用，由于地下水源熱泵取水量一般較大，含水層多為碎石土類或砂土類，因此基巖含水層過濾器類型不再贅述。

 過濾器的長度與出水量在一定范圍內(nèi)存在正比的增長關(guān)系，相同條件下，出水量隨過濾器長度的增加而增大，當(dāng)過濾器長度增加到某一閾值，出水量增大的比例卻很小，工程上無實(shí)際意義，據(jù)統(tǒng)計(jì)這個(gè)閾值為20~30 m。因此，在均質(zhì)含水層中，含水層厚度小于30 m時(shí)，過濾器長度宜取含水層厚度或設(shè)計(jì)動(dòng)水位以下含水層厚度；含水層厚度大于30 m時(shí)，宜根據(jù)含水層的富水性和設(shè)計(jì)水量確定。含水層滲透性的大小也是影響過濾器有效長度的主要因素之一。對較厚的均質(zhì)含水層，滲透性能好，當(dāng)需水量大時(shí)可考慮分段分層取水方案。對非均質(zhì)含水層，其富水性較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加長過濾器的長度，宜為30—50 m，且應(yīng)安裝在主要含水層部位。總之，過濾器的長度設(shè)計(jì)是含水層的水文地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)出水量共同決定的。

1.3  井?dāng)?shù)量及抽灌比

 抽水井?dāng)?shù)量的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需水量、機(jī)組最大需水量及單井出水量三者共同作用確定。對于潛水、承壓水完整井的單井出水量，現(xiàn)有的方法一般是根據(jù)裘布依( Dupuit)穩(wěn)定井流公式預(yù)測，計(jì)算滿足需水量的井?dāng)?shù)。但工程設(shè)計(jì)中，由于水文地質(zhì)條件的限制，公式法往往會與實(shí)際出水量有較大偏差，因此對試驗(yàn)井進(jìn)行抽水試驗(yàn)、回灌試驗(yàn)是非常必要的。通過最大允許降深確定抽水井單井出水量，再由回灌試驗(yàn)水位穩(wěn)定升幅確定單井回灌能力，抽灌比=抽水井單井出水量／單井回灌量。同時(shí)考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及地下水的完全回灌，適宜的抽灌比為1：2或1：3，但通過采用新技術(shù)改進(jìn)成井工藝，部分工程也能實(shí)現(xiàn)一抽一灌的換熱方式。

1.4  井間距

 抽水井和回灌井的井間距是影響地下水源熱泵“熱貫通”現(xiàn)象發(fā)生的最大可控因素，也是引起井群各熱源井水位變化的重要原因。井間距較小時(shí)，抽灌井之間可能發(fā)生“熱短路”現(xiàn)象，抽水井可能出現(xiàn)水量減少的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至可能因相鄰井之間過大的水頭壓力差使地下細(xì)砂層的砂土液化。理想狀態(tài)的井間距應(yīng)大于各抽水、回灌井的影響半徑。因此，合理的井間距設(shè)計(jì)是延長“熱突破”發(fā)生時(shí)間，提高系統(tǒng)能效，增大抽水、回灌量的重要因素。

“熱貫通”現(xiàn)象作為系統(tǒng)的“軟故障”，它的發(fā)生不會對機(jī)組的正常運(yùn)行造成即時(shí)的、嚴(yán)重的后果，但是它的存在會對機(jī)組能效產(chǎn)生持久的負(fù)面影響。基于穩(wěn)定態(tài)純對流雙井條件下運(yùn)移鋒面到達(dá)抽水井的時(shí)間的解析解，熱突破發(fā)生所需要的時(shí)間t�？梢杂檬�(1)表示：

式中：t。為熱突破時(shí)間，h；d為含水層厚度，m；n為孔隙度，L為抽水井和回灌井之間的距離，m；Q為抽水流量，m3/h�？紤]地下水源熱泵一般為供暖季或供冷季持續(xù)運(yùn)行，過渡季節(jié)停止運(yùn)行，若持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為t。，則發(fā)生熱突破的臨界抽灌井距離L�？梢杂檬�(2)表不：

當(dāng)L≥L。時(shí)，可以有效的避免熱突破現(xiàn)象的出現(xiàn)。

抽灌井間距往往受建筑場地限制，本文提出一種適宜實(shí)際工程計(jì)算最大抽灌井間距的方法。在已知總建筑面積、規(guī)劃建設(shè)用地面積、公共服務(wù)設(shè)施用地面積和平均樓層數(shù)時(shí)，可估計(jì)該項(xiàng)目可打井面積；已知平均樓間距和需打井?dāng)?shù)量，進(jìn)而可求得最大抽灌井間距�？纱蚓�面積A。可以用式(3)表示：

式中：A為規(guī)劃用地面積，m2；A。為總建筑面積，m2；N。為平均樓層數(shù)；A。為公共服務(wù)設(shè)施用地面積，m2。

熱源井長期抽水會導(dǎo)致不同程度的地面沉降，因此熱源井一般布置在兩側(cè)建筑物中心線，占用面積即為井間距與平均樓間距乘積，則最大抽灌井間距L�？梢杂檬�(4)表示：

式中：N為需打井?dāng)?shù)量；L。為平均樓間距，m,其他參數(shù)含義同前。應(yīng)用該方法可以有效的計(jì)算工程最大抽灌井間距，從而對實(shí)際工程起指導(dǎo)作用。

1.5  井群布置

 上述設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)根據(jù)建設(shè)場地條件進(jìn)行井群布置。首先應(yīng)考慮場地水文地質(zhì)條件，宏觀上，水流的平均流動(dòng)方向是從回灌井到抽水井的；微觀上，由于多孔介質(zhì)孔隙是彎曲的，熱量不是嚴(yán)格按照平均流動(dòng)方向運(yùn)移。因此為增大回灌量，布井時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用地下水流向平行于抽、灌井之間連線的方式，回灌井應(yīng)布置在上游，抽水井布置在下游。其次應(yīng)考慮熱源井抽水對地面沉降造成的影響，使熱源井與高層建筑保持一定的距離，防止由于抽水產(chǎn)生的降落漏斗對建筑物基礎(chǔ)造成影響。

 井群布置產(chǎn)生的干擾效應(yīng)也是影響回灌的最主

因素，計(jì)算各井的理論降深值是驗(yàn)證井群布置是否合理的重要指標(biāo)。假設(shè)在滲流區(qū)中有m口任意排列的井相互發(fā)生干擾，各井抽水量Q，(j=1，2，…m)為常數(shù)。設(shè)s：代表位于（x。，y。）處的觀測孔由于各井抽水引起的總降深，當(dāng)邊界條件為齊次時(shí)(如抽水前的初始水頭和邊界水頭H。為常數(shù)，因而s=0)，根據(jù)疊加原理，對于承壓水的穩(wěn)定流動(dòng)，總降深s�？捎檬�(5)表示：

 當(dāng)R，和ri已知時(shí)，可由一組已知的Q，值求出s。值。此時(shí)，當(dāng)所有熱源井總降深s；均滿足允許降深值，則井群布置合理，否則應(yīng)重新規(guī)劃。

2  熱源井施工

熱源井的成井質(zhì)量是系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，現(xiàn)今國內(nèi)基本是套用供水管井的施工方法，但熱源井與供水管井有顯著的不同，不僅需要考慮回灌問題，還需注意含水層儲能問題，因此其井管安裝、填礫、洗井等過程更為復(fù)雜嚴(yán)格。熱源井施工工藝流程如圖1，施工工藝為直線型流程，除止水封井和下泵洗井兩道工序可互換順序外，其他步驟均需進(jìn)行完上一道工序才能進(jìn)入下一道工序的施工，因此嚴(yán)重制約了管井構(gòu)筑速度，導(dǎo)致施工方為縮短工期而隨意偷工減料，如濾料規(guī)格不達(dá)標(biāo)等。

2.1  回灌管安裝

 回灌管的安裝有兩種傳統(tǒng)方式：一種是將回灌水從井口直接灌下，這樣直灌會加速水的氧化過程，使井內(nèi)低價(jià)鐵離子反應(yīng)形成鐵的氧化物，產(chǎn)生氣體粘合物，引起回灌井堵塞，嚴(yán)重氧化形成的弱酸性水還會對井管、泵管、含水層等造成破壞。另一種是在泵管周圍安裝回灌管，插入動(dòng)水位以下大于等于2m的位置，為防止回灌管中形成氣塞產(chǎn)生阻力影響回灌能力，頂部需設(shè)排氣閥。其不足是成本大，且有時(shí)井管太細(xì)，泵管及法蘭過大，回灌管無法安裝。

 為彌補(bǔ)傳統(tǒng)回灌管安裝的不足，可采用回灌新工藝，如采用井用潛水泵專用回灌回?fù)P閥門。該閥門安裝在水井泵管中，能完成不同時(shí)段地下水的回?fù)P或回灌工作，并在停泵時(shí)較好的降低水錘對水泵和泵管的破壞作用，從而延長系統(tǒng)使用壽命，降低工程投資成本。其原理為：在閥門側(cè)壁設(shè)置旁通口，潛水泵抽水時(shí)由于水壓作用頂起閥片封閉側(cè)壁旁通，水流從閥門通過，進(jìn)入泵管；回灌時(shí)水流通過閥體，將閥片壓下，封閉下部出口，使水流從側(cè)壁旁通流出，從而達(dá)到回?fù)P、回灌兩用的功能。

2.2填礫

 濾料的選擇應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)過程地層樣本的篩分結(jié)果，滿足GB 50296-1999《供水管井技術(shù)規(guī)范》要求，以保證粒徑均勻且同含水層顆粒粒徑匹配，這樣可以增大濾料孔隙率，減小水流阻力，減輕分選作用，得到最大的回灌效率。填礫時(shí)，濾料應(yīng)沿井管四周均勻連續(xù)填入，隨填隨測，考慮到洗井和抽水過程中濾料將密實(shí)下沉，因此填礫高度應(yīng)超過濾水管上端。填礫的厚度宜為75—150 mm，起到擋砂和增大管井出水量的作用。

2.3洗井及止水封井

 下泵洗井和止水封井兩道工序需根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目調(diào)整順序，若封井位置位于管井中段且具有嚴(yán)格限制，為防止洗井后礫料的下沉，需先洗井后封井；若封井位置位于管井頂端，則可在留有余量的情況下先封井后洗井。

 洗井的目的是去除粘在井壁上的泥漿皮和滲透到井壁附近含水層的泥漿，從而恢復(fù)過濾管原孔隙率，提高含水層滲透性以利于回灌。應(yīng)采用多種方式聯(lián)合洗井且不斷調(diào)節(jié)降深，使水反復(fù)流入、流出過濾管，直至水清砂凈且兩次試抽的單位涌水量誤差小于10%。封井應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)粘土做成球（塊）狀，大小宜為20~ 30 mm，并應(yīng)在半干（硬塑或可塑）狀態(tài)下緩慢填入。

2.4抽回灌試驗(yàn)

 抽回灌試驗(yàn)是熱源井成井質(zhì)量的檢驗(yàn)方式，也是驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性的重要指標(biāo)。規(guī)范規(guī)定：抽水試驗(yàn)應(yīng)穩(wěn)定延續(xù)12 h，出水量不應(yīng)小于設(shè)計(jì)出水量，降深不應(yīng)大于5 m;回灌試驗(yàn)應(yīng)穩(wěn)定延續(xù)36 h以上，回灌量應(yīng)大于設(shè)計(jì)回灌量。實(shí)際工程中，抽回灌試驗(yàn)一般是根據(jù)GB 50027-2001《供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行，且持續(xù)時(shí)間往往不滿足規(guī)范要求，因此造成對熱源井抽回灌能力錯(cuò)誤的預(yù)測，最終導(dǎo)致水源側(cè)故障的發(fā)生。

2.5潛水泵選擇

潛水泵的選擇應(yīng)考慮水質(zhì)、流量、揚(yáng)程等問題，同時(shí)需考慮其下潛深度。潛水泵的流量應(yīng)與抽水試驗(yàn)定降深的井流量以及機(jī)組需水量匹配，根據(jù)規(guī)范降深值一般選5m，為避免水資源的浪費(fèi)潛水泵流量不宜過大。由于空調(diào)大部分時(shí)間是部分負(fù)荷運(yùn)行，因此宜采用變頻驅(qū)動(dòng)潛水泵，達(dá)到供需匹配，最大限度的降低回灌壓力。潛水泵下潛位置應(yīng)在過濾器上部的井壁管內(nèi)，以減少進(jìn)水不均勻帶來的含砂量變化。潛水泵揚(yáng)程H的選擇可以根據(jù)式(7)確定：

式中：H1為含水層井水位深度，m；H2為抽水時(shí)水位降深取值，按抽水試驗(yàn)確定，最大值為5 m;P。為閥門管道阻力，kPa; Pj為機(jī)組阻力，kPa;P。為出口余壓，通常取20~ 50 kPa。

3  工程實(shí)例

 以寶漢高速公路沿線某站點(diǎn)為例，說明熱源井的設(shè)計(jì)、施工過程。該項(xiàng)目規(guī)劃占地面積38 366. 93rri2，設(shè)計(jì)總建筑面積15 651. 47m2，設(shè)計(jì)容積率0. 26，建筑密度11. 0%，綠地率51%。項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供暖供冷，包括綜合樓、宿舍樓和餐廳，總建筑面積5 345. 02m2，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用面積約4 920. 16 mz，夏季空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷571 kW，冬季設(shè)計(jì)供暖負(fù)荷461 kW。

  建設(shè)項(xiàng)目地處漢江北岸，褒河?xùn)|岸，地貌屬褒河二級階地，地下水資源豐富，取水井形式為管井，開采目的層為松散巖類空隙潛水與承壓水含水層組，以承壓水為主。因此采用裘布依穩(wěn)定承壓水井流公式計(jì)算滲透系數(shù)，見式(8)。由于井損的存在影響抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)所計(jì)算的滲透系數(shù)準(zhǔn)確性，根據(jù)漢中地區(qū)勘探井井損歷史數(shù)據(jù)，本工程井損選用孔內(nèi)降深40 %，滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)為消除井損的降深值。

式中：K為含水層滲透系數(shù)，m/d；Q’為抽水井涌水量，m3/d; ri為抽水井與觀測井距離，m;r。為抽水井井管半徑，m；s．為觀測井水位降深，m；s。為抽水井水位降深，m；M為含水層厚度，m。

項(xiàng)目成井后采用電阻率測井方法確定孔隙度，孔隙度西的計(jì)算根據(jù)式(9)確定：

式中：咖為孔隙度；m為膠結(jié)指數(shù)，隨巖石膠結(jié)程度而變化；a為比例系數(shù)，不同巖石有不同的數(shù)值；R。為孔隙水電阻率，f．m；R。為地層電阻率，n．m。

根據(jù)DeST負(fù)荷模擬及水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，熱源井設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)井深200 m，過濾器采用橋式濾水管，濾水管長度為42 m，排布在較大含水層對應(yīng)位置。利用表2及成井報(bào)告數(shù)據(jù)，供冷期最大循環(huán)用水量為38.78 m3/h，供暖期最大循環(huán)用水量為27. 66 m3/h，在允許降深范圍內(nèi)，單井出水量均能滿足需求。單井回灌量25 m3/h，因此設(shè)計(jì)抽灌比為1:2。項(xiàng)目冬季供暖共運(yùn)行121 d（1 1月15日—3月15日），夏季供冷共運(yùn)行92 d（6月15日—9月15日），水源熱泵連續(xù)運(yùn)行，因此發(fā)生熱突破臨界井間距為32.6 m，場地允許最大井間距345 m。為降低抽回灌沿程損失，井群布置如圖2，1號井距2號井58. 52 m，距3號井101. 24 m，2號井距3號井152. 06 m。總降深1號井為5m，2號井- 3.6 m，3號井-3.69 m，降深滿足GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》降深不大于5m的要求。

 熱源井施工采用22-5A沖擊式樁孔鉆機(jī)鉆進(jìn)，成井后物探測井并進(jìn)行井管排布。抽水試驗(yàn)采用250QJ80-77/7-30型潛水泵，額定流量80rri3／h，額定揚(yáng)程77 m，轉(zhuǎn)速2 850 r/min，電機(jī)功率30 kW，輸水管口徑100 mm。抽水試驗(yàn)進(jìn)行了大、中、小3個(gè)落程，持續(xù)穩(wěn)定時(shí)間大于12 h�；毓喾绞讲捎眯鹿に�，在泵管安裝井用潛水泵專用回灌回?fù)P閥門，回灌實(shí)驗(yàn)采用自然密封回灌方式進(jìn)行，3號試驗(yàn)井抽水1號試驗(yàn)井回灌，1號試驗(yàn)井抽水2號、3號試驗(yàn)井回灌，回灌流量采用閥門控制，回灌實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間36h，水位穩(wěn)定，未出現(xiàn)溢井情況。

4  結(jié)論

 本文結(jié)合工程實(shí)際提出了1套地下水源熱泵系統(tǒng)熱源井的設(shè)計(jì)方法，并對熱源井施工過程進(jìn)行分析，指出施工關(guān)鍵步驟對熱源井成井質(zhì)量的影響，最后通過熱源井的設(shè)計(jì)施工提出了緩解回灌堵塞及“熱貫通”的相關(guān)措施。

 1)井間距的確定是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的核心，將熱力學(xué)知識中“熱突破”發(fā)生的臨界距離與場地限制允許的最大距離有機(jī)結(jié)合，并通過井群布置形成回灌對各井降深的影響驗(yàn)證，能得出科學(xué)合理的井間距。

 2)回灌管安裝在動(dòng)水位以下或采用潛水泵回灌回?fù)P閥等新工藝能夠有效增大回灌量，延長系統(tǒng)使用壽命。選擇與含水層顆粒匹配的濾料粒徑，做到徹底洗井，科學(xué)進(jìn)行抽回灌試驗(yàn)及潛水泵的選擇能夠提高回灌效率，延緩回灌堵塞的發(fā)生。