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小区地源热泵回灌方式
来源:地大热能 2014-08-07
 一、地热回灌方式综述

    地热回灌(geothermal reinjeetion)是将水回灌于地下的技术措施。地热回灌是实现地热资源可持续开发的有力措施,在世界各国已获得广泛应用,它对于地热资源的保护、减少资源浪费、延长生产井寿命以及减少环境污染等方面均具有重要意义。目前所采用的地热回灌措施有三类:①同井分层回灌,即在同一眼地热井中存在两个含热水层的情况下进行的回灌,确定其中的一个含热水层为生产层,而另一个含热水层为回灌层。②对井回灌,即打两眼地热井,确定其中的一眼为生产井,另一眼为回灌井,生产层与同灌层可同层,也可不同层。同层回灌的开采井与回灌井必须保持合理距离。③群井生产性回灌,选择有利场地进行地热尾水的多井集中回灌。回灌量与全热田的开采量应保持一定的比例。

    其中同井分层回灌技术作为一种新型的地源热泵系统一直受到大家的关注,业界对此项技术的应用也存在很多争议。

    二、单井回灌技术原理

    同井分层回灌也叫单井回灌地源热泵系统,是一种新型的地源热泵系统。这种系统的地下换热器由一口井或几口井并联组成,井的上部装有封壳(要据当地地质条件不同,封壳长度不同,一般只有二、三十米深),下部则是普通的裸井。该系统由单个水井一端抽取地下水,在热泵中经过换热后从同一个水井的另一端回灌到含水层。井的深度一般为几百米,直径15cm左右。运行过程中,在回灌口与抽水口间水头差的作用下,系统循环水从井筒壁渗出,在含水层中与周围土壤直接接触换热后,再由抽水段井筒壁渗入井筒,与沿井筒流下的循环水混合,经抽水管送回热泵系统。因此单井回灌兼有地下水源热泵系统和地下耦合(埋管)热泵系统的特点,其换热效果优于地下耦合热泵系统,同时不存在地下水源热泵系统回灌困难和造成地下水浪费的问题。单井回灌系统在一定的水文地质条件下有独特的优势,可以和其它地源热泵系统共同组成一个多样化的、完整的技术体系,以便更好地满足不同的建筑物供热和空调系统的需要。

    据统计,目前单井回灌方式从水井的结构上来说,主要有如下图所示的三种:
 
 
 
    单井循环地下换热系统的三种形式
 
    它们都是从含水层下部取水,换热后的地下水再回到含水层的上部。从水井构造上来说,循环单井使用的是基岩中的裸井;抽灌同井采用的是过滤井(井孔直径和井管直径相同);填砾抽灌同井采用的填砾井(井孔直径较井管直径大,其孔隙采用分选性较好的砾石回填)。与循环单井相比,抽灌同井有井壁,井内设有隔板。

    三、目前我国采用的单井回灌技术

    国内采用的同井回灌热泵技术是我国发明的新技术,不同于国外的单井循环系统。单井循环系统是一种半开式系统,单井循环起到换热器的作用。而同进回灌热泵系统是取水和回灌水在同一口井内进行,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,地下水释放完热量,再由同井返回到回水区。以些作为热泵的低位热源,向热泵提供低位热量。因此,上述技术亦称单井抽灌技术。

    单井回灌的技参数:1.标准单井回灌抽灌井的结构参数为:井孔直径800mm,井管直径500mm,井深85m,抽水和回灌水管直径DN100;2.在粗砂、卵石地层,降深5m时出水量100t/h条件下,标准的单井抽灌进的性能参数为:井水循环量100t/h,水温10~20℃,取热时抽灌水温差5℃,取热能力580kW;3.井的数量一般取决于主机的配置,原则上,井的出力和主机的需要量应该相等;4.井位与建筑物的距离应大于10m。井与井之间的距离也应大于10m;5.单井抽灌井对于地下水的水质无特殊要求,只要满足国家地下水水质分类中的五类水即可使用。
 
 
 
    单井回灌系统示意图
 
    在我国,单井回灌技术得到了很好的实践和应用,于2001年首次在北京某工程中投入运行,随后其推广与应用速度很快。据介绍,在北京目前已安装和运行的1800万平方米采用地源热泵(含水源热泵、污水源热泵)系统的采暖制冷建筑中,有610万平米是采用了单井回灌技术。在日前举办的专家鉴定会上,17位业内专家对恒有源公司自主开发的单井循环地(热)能采集技术作了权威的鉴定,专家认为:单井回灌技术是一种“以水为介质的土壤换热装置而不是取水装置,在运行过程中没有水资源消耗,经8年多的跟踪检测,对区域地下水状态和地质结构无影响”。该项技术与国际通用的地埋管相比,在满足环保要求的同时,高效特点明显;有水的地区一个地能采集井产能可达500kW;无水地区一个地能采集井产能最高可达20kW。在初投资方面,每平方的造价为250~380元;在运行费用方面,冬季供暖的运行费用每平为13~28元。

    四、单井回灌的技术优势

    单井抽灌技术以地下水为介质,采集周围土壤中的热能。地下水在地下经过封闭的换热器换取热量后,即刻、就地、原位回灌。因此不消耗水,不污染水,也不会破坏地下水的正常分布,最大限度降低了对地下水资源的依赖程度,从根本上避免了多井抽灌造成的问题。单井抽灌与多井抽灌的本质区别在于,单井抽灌以地下水为介质,利用浅层土壤中的地能而不是地下水中的能量,因此能源更可靠。

    在对地源热泵单井回灌多年利用过程中,相关专家和部门对地下水源热泵运行中出现的问题做了很多调查与分析,发现回灌阻塞、腐蚀与水质、水泵功耗过高等问题是地下水源热泵运行成败的关键问题。由于同井回灌技术采取在井中加装隔板的技术措施来提高回灌压力,以使回水通畅。因此,在目前应用此技术的项目中,回灌效果良好。在此项技术应用比较成孰的北京地区,北京市水利局水环境监测中心在某些井的井内及周围地下水的水质质量(27 项指标)进行了跟踪监测。监测结果表明,在 27 项指标中除出水和回灌水水温外其余指标均没有明显的变化。这充分表明通井回灌热泵系统未对地下水水质造成影响。据此,可以为回井回灌热泵系统不破坏地下水的分布、不改变地下水的水量与水质量。

    五、单井回灌技术需要解决的问题

    单井循环地下换热系统虽然在国内外应用广泛,但相关基础理论研究还不够深入,设计、运行有很在盲目性,工程中时有运行问题出现。为此,需要清醒认识单井循环地下换热系统可能出现的运行恶化问题,以便在运行时采取适当的措施,促使系统在下常的状况下运行。

    (一)解决热贯通问题

    热贯通亦称热突破,是热泵运行期间抽水温度发生改变的现象。对于地源热泵,热贯通现象时有发生。由于地下水压力的差异,抽灌同井上部回水通过含水层或填砾区渗流到抽水区是不可避免的,这样抽水温度会随着热泵的运行而发生变化;循环单井大部分地下水在井孔内循环,其抽水温度的变化更为迅速和剧烈。轻微的热贯通是可以接受的,但抽水温度迅速而剧烈的化对热泵机组和地下水是不利的,会降低热泵机组的效率,造成保护性停机,严重的还能使地下水冻结。

    (二)季节性蓄能

    抽灌同井以年度为时间步长的季节性储能很大程度上减轻了对含水层作为热源(热汇)依赖,而让其作为一种蓄热的载体。但是多年取热量和放热量的严重不平衡,会使含水层富积或亏损部分热量,从而使抽水温度逐年升高或降低。应该使冬、夏季的累积取热量和排热量基本平衡,合理地利用季节性储能。

    综上所述,解决回灌问题、热贯通问题和季节性储能问题是决定单井循环地下换热系统长期正常稳定运行的关键问题。

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