地下水地源热泵的理论降深解

 地下水地源热泵应用于工程实际已有50 多年的历史, 在50 多年中, 它的取热和回灌方式发生着变化。按回灌方式可把地下水地源热泵分为三类:直流式地下水地源热泵, 异井回灌地下水地源热泵GWHPPRDW (g roundw ater heat pumpwi th pumping and recharging in dif ferent w ells)和同井回灌地下水地源热泵GWHPPRSW(g roundater heat pump w ith pumping and recharg ing inthe same w ell)。直流式地下水地源热泵没有回灌井, 只有抽水井, 取热后的地下水直接排入地面水体。这种地下水地源热泵一般应用在地下水能及时通过河流入渗补给的地方。但如果补给不及时、不充分就会严重破坏当地地下水资源, 因此现在已较少使用。异井回灌地下水地源热泵抽水井与回灌井分开设置。对于抽水井和回灌井处于同一含水层, 回灌良好的异井回灌地下水地源热泵, 从地下水资源的角度来说, 只是利用了地下水的低位热能, 而没有破坏可开采的地下水量。因此, 这种地下水地源热泵得到了较为广泛的使用 , 国内地源热泵工程项目中, 这种异井回灌地下水地源热泵的应用已相当多[ 4] , 科研人员和业主也较为熟悉。

 

  抽水井与回灌井均装有潜水泵, 且两井中的泵可以交换使用的异井回灌地下水地源热泵也称为深井蓄热型地下水地源热泵[ 5 6] 。同井回灌地下水地源热泵是国内近几年提出的一种新型地下水地源热泵, 该热泵抽水井与回灌井集成在同一口井中, 通过隔板把井分成两部分, 一部分是低压(吸水)区,另一部分是高压(回水)区。当潜水泵运行时, 地下水从低压区被抽至井口换热器中, 与热泵换热, 再由同井返回到回水区与含水层换热, 使抽水和回灌在含水层同一径向位置不同深度处同时发生。同井回灌地下水地源热泵较异井回灌地下水地源热泵占用更少的场地, 减少水井数量, 节省初投资。

 

  这种新型的地下水地源热泵在北京等地已有很多个工程实例。

 

  地下水地源热泵的大量应用暴露出了很多的问题, 最为典型的是回灌井失效, 回灌井堵塞和溢出是大多数地下水地源热泵都会出现的问题。回灌经验表明, 真空回灌时, 对于第四纪松散沉积层来说, 颗粒细的含水层单位回灌量一般为单位开采量的(1 /3)～ (1 /2), 而颗粒粗的含水层则为(1 /2)～ (2 /3)。回灌井堵塞的原因大致可以归纳为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[ 13] 。回灌效果是使用地下水地源热泵普遍关注的问题, 也是制约地下水地源热泵应用的一个瓶颈。本文推导了地下水地源热泵异井回灌和同井回灌的理论降深解, 通过理论降深解分析了无堵塞和考虑堵塞时地下水地源热泵异井回灌和同井回灌的回灌状况。

 

  降深是地下水动力学的一个基本术语。它表明地下水动水头偏离初始水头的大小, 地下水动水头低于初始水头为正值, 高于初始水头为负值。因此, 通常抽水时含水层地下水的降深为正值, 回灌时地下水的降深为负值。在井边界上降深的绝对值大小表示了抽水和回灌的难易程度。在讨论回灌时, 为了形象地说明问题, 总是给降深加上绝对值, 称为灌压。根据降深和含水层渗透系数由Darcy 定律即可计算出地下水的渗透速度。