石家庄市滹沱河地段浅层地下水地源热泵回灌井的设计与施工

宋涛

【摘要】： 恒温层的浅层地下水，做为热能资源也是一种宝贵的新能源，利用地下恒温层的热源恒定水体进行热冷源能循环地源热泵技术在城市供暖、制冷、洗浴、医疗及农业种植、养殖等方面得到开始广泛应用，带来了明显的经济效益和社会效益。针对地源热泵中水流程的回灌井设计和施工的技术、存在问题和第四系冲积层粗颗粒的地层回灌水井的特点，在回灌井设计特点和特殊工艺上，采取了特别的设计和工艺，效果显著。

【关键词】：地源热泵；回灌井；设计与施工

Abstract: In this paper, according to the technology of design and construction of ground source heat pump water flow in the recharge wells, problems and Quaternary alluvial strata of coarse characteristics of the recharge wells, recharge wells design features and special process to take the special design and technology, the effect is significant.Key words: ground source heat pump; recharge wells; design and construction

中图分类号：TV5文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

1、概况

地源热泵利用浅层地热能是一种国内外迅速推广的新型节能环保的空调系统，它是利用地下水温度相对稳定的特点，通过抽水井抽取恒温层地下水，利用热泵机组将地下水中的低位能量提升为高位或高温转化为低温的能量转化技术。用于办公室和居住的制冷、制暖。这是一种高效、环保、节能的技术。面对当今世界能源逐渐匮乏，环境逐渐恶化的现状，此类制冷、采暖项目越来越受人们的关注。

正定某基地位于太行山山前平原、滹沱河冲洪积扇地段，地下蕴藏着丰富的浅层恒温地下水热能资源，本工程主要从改进成井工艺入手，通过抽水回灌试验，实现了一抽一灌的良好效果。解决了水源热泵井的回灌率低、回灌井多、工程成本高等问题，大幅度节约了工程投资和后期运行成本。

2、工程概况和设计条件

①工程概况：基地现有建筑物面积6703m2，其中办公楼2618m2，厂房2138m2，日光蔬菜大棚1600m2。根据建筑面积，经设计单位计算标准日需水量1440m3。

②水文地质条件：建筑区位于滹沱河冲洪积扇中上部，地形较平坦，总体地形西高东低，地面标高65.0～37.5m，地面坡降0.5～1.0‰。滹沱河贯穿整个工作区，河谷宽2～4km，河漫滩发育。

根据含水层的埋藏条件，该区第四系划分4个含水岩组。

第Ⅰ、Ⅱ含水组底板埋深40～100m，含水层厚度25～40m，主要岩性为砂砾石、含砾粗砂、中砂，导水性、富水性较好，渗透系数100-200m/d。

第III含水组地板埋深125～238m，含水层厚度60～110m，主要岩性为砂卵石、含砾粗砂，下部含水层有不同程度的风化。

第IV含水组底板埋深95～260m，主要岩性为粗砂、中细砂，有风化现象，导水性、富水性较差。

3、水源热泵回灌井的设计与施工

3.1设计思路

影响热源井回灌能力的因素主要有管井结构参数和施工工艺，为此优化管井结构设计参数和改进施工工艺，实现提高单井出（灌）水能力的目标。

为了提高井的回灌量，延长井的使用寿命，减少成井数量，本次热源井设计要求能适应灌水和抽水两种功能，即抽灌两用井。

3.2主要设计参数

井距、井深和管径：依据区域水文地质条件和有关技术规范要求，设计两井的距离为60m左右。成井深度120m。综合考虑单井出水能力、抽水回灌能力等因素，确定成井管直径400mm。

井径与填砾厚度：井径确定取决于管径和填砾厚度。填砾厚度是决定出水量和含砂量的重要参数之一，既要使其过水能力最大，又要保证其滤砂效果（设计要求含沙量小于0.05‰）。传统理论认为填砾适宜厚度为75～150mm，大量实践证明，在其它条件不变的情况下，填砾厚度增大对出水量的影响不是减小而是增大。对于大多数地层而言，砾料的透水能力远比地层大得多。所以我们设计井径为800mm、管径为400mm的球墨铸铁圆孔垫筋缠丝滤水管。填料厚度为200mm。砾料规格为5～8m的磨圆度较好的硅质石英砂，见图1。

3.3滤水管选取与加工

一般水井的滤水管为桥式滤水管，抗拉强度低，孔隙率偏低（一般不超过10%）、滤水性差。本次试验考虑一井两用的因素，采用圆孔垫筋缠丝型的球墨滤水管，其特点是孔眼大、进水通畅，但挡砂效果差。为了加强挡砂效果，传统方法是在外包一层80目的尼龙网后在包一层棕皮并用竹板固定死，但其孔隙率效果大大减弱。根据区域地层情况，本次利用含水层主要为砂砾卵石，粒径较大，所以在滤水管加工时，适当加大滤水管圆孔直径，管外用竹帘代替棕皮使孔隙率达到25%。设计长度为60m。

3.4钻井和成井施工工艺

根据井深、管井结构和地层情况，采用冲击钻进、泥浆护壁、一径到底的成井工艺。

为减少后期洗井难度，钻进时尽量采取孔内地层直接造浆，尽量少用粘土泥浆。下管前使用管状钢丝钻头刷孔，以破除冲击钻进时形成的孔壁泥皮。

刷孔破壁要掌握适度，既要实现破壁最大化，又不至于完全破坏泥皮引起的孔壁坍塌。其次，在下管前进行彻底冲孔已达到孔壁泥皮的完全破坏。投料时采用连续、少量、慢投的方式防止砾料蓬住。洗井先采用拉活塞，之后采用潜水泵震荡洗井，至水清砂净。洗井、试抽反复进行，直至两次试抽的单位用水量相对误差小于10%，才进行正式的抽水回灌试验。

4、抽水与回灌试验结果

热源井洗井结束后，即用200QJ80-120-45KW 型潜水泵进行正式抽水回灌试验，下泵深度60m，做稳定流抽水试验（非稳定流观测频率记录），抽水回灌168小时。涌水量采用水表计量，水位采用电测水位计观测。

抽水回灌试验结果见表1、2。

表1 抽水试验回灌结果记录

5、效果分析

（1）通过抽水回灌试验表明，设计上的增大钻孔、井管口径，采用圆孔垫筋滤水管，合理选取砾料和増填砾料厚度等措施后，单井回灌量在100m/h时水位才上升3m，含砂量小于0.05‰。

（2）通过抽水回灌试验表明，设计的一抽一灌的达到了良好效果。

（3）以上设计措施虽使单井成本有所增加，但抽水和回灌效果达到了最佳状态，使工程总成本明显降低。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。