地下水源热泵空调系统的设计(编辑修改稿)

地下水源热泵空调系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

补给良好的中粗砂、砾石层，但不可含有 飘 砾 单井出水量5000～ 5 万m3/d，最大为 10 万m3/d 管井的构造 管井的构造如图 58 所示。 它主要由井室、井 壁 管、过滤器 、沉淀管等部分组成。 我国现有管井的直 径 有 200、 300、 400、 450、 500、 550、 600、 650 mm等规格。 管井最大出水量可达 2104～ 3104m3/d。 1. 井室 井室的功能是安装井泵电机、井口阀门、压力表等，保护井口免受污染和提供运行管理维护的场所。 其形式可为地面式、地下式或半 地下式。 井室的基本要求：  井口应高出地面 ～ ，以防止井室地面的积水进入井内。  井口周围需要用粘土或水泥等不透水材料封闭，其封闭深度不小于 3m。  井室应有采光、通风、采暖、防水等设施。 123456含 水 层水 管 图 58 管井构造的示意图 1井室； 2井壁管； 3过滤器； 4沉淀管； 5粘土封闭； 6规格填砾 2. 井 壁 管 井 壁 管不透水，它主要安装在不需要进水的岩土层段（如粘性土层段等），其功能是加固井壁、隔离不良（如水质较差、水头较低）的含水层。 井 壁 管的基本 要求有：  井壁管应具有足够的强度，能经受地层和人工充填物的侧压力，不易弯曲，内壁平滑圆整，经久耐用。 当井深小于 250m 时，井壁管一般采用铸铁管；当井深小于 150m时，一般采用钢筋混凝土管；当井深较小时，可采用塑料管。  井壁管的内径应按出水量要求、水泵类型、吸水管外形尺寸等因素确定，通常大于或等于过滤器的内径。 当采用潜水泵或深水泵扬水时，井壁管的内径应比水泵井下部分最大外径大 100mm。  在井管壁与井壁间的环形空间内填入不透水粘土，形成粘土封闭层，以防不良地下水沿着井壁管和井壁之间的环形空间流向填砾层，并通过 填砾层进入井中。 3. 过滤器 过滤器又俗称花管，它是带有孔眼或缝隙的管段，与井壁管直接连接，安装在含水层中 ，其功能是集取地下水和阻挡含水层中 的砂粒进入井中。 过滤器的基本要求是：  过滤器要具有良好的透水性和阻砂性。  过滤器要具有足够的强度和抗腐蚀性能。  保护人工填砾层和含水层的稳定性。 4. 沉淀管 沉淀管位于管井的底部，用于沉淀进入井内的细小泥沙颗粒和自地下水析出的其它沉淀物。 沉淀管的长度视井深和井水沉砂可能性而定，一般为 2～ 10m。 根据井深可参考表 56所列数据。 表 56 沉淀管长度参考值 井深 （ m） 沉淀管长度 （ m） 16～ 30 不小于 2 31～ 90 不小于 5 90 不小于 10 过滤器的设计要点 1. 过滤器的型式与选择 过滤器的类型很多，概括起来，可分为不填砾和填砾两大类。 常用的过滤器结构形式有：  圆孔 、条孔过滤器是由金属管材或非金属管材加工制造而成的，即在管上按错开的梅花形钻孔眼或条 孔。  缠丝过滤器 是以圆孔、条孔滤水管为骨架，在滤水管外壁铺设若干 垫筋 （  6～8mm） ，然后在其外面用直径 2～ 3mm 的镀锌铁丝并 排 缠绕 而成。  包网 过滤器也是以各种圆孔、条孔滤水管为骨架，在滤水管外壁铺设若干条垫筋 ，然后包裹铜网、或棕树皮、或尼龙箩底布，再用铁丝缠绕而成。 在过滤器周围回填一定规格的砾石层，形成填砾过滤器。 否则，过滤器直接下到井中含水层部分，即为不填砾过滤器。 过滤器类型的选择原则为：  在各类砂、砾石和卵石含水层中选用填砾过滤器，以防涌砂，保持含水层的稳定性。  在保证强度要求的条件下，应尽量采用较大孔隙率的过滤器。  在粉细砂，层中含铁质较多的地区，应尽量采用双层填砾过滤器。 上 述几种过滤器的适用范围见表 57。 表 57 几种主要过滤器的适用范围 过滤器的型式 适用范围 圆孔、条孔过滤器（不填砾过滤器） 裂隙、溶隙含水层，砾石、卵石含水层 缠丝过滤器 粗砂含水层，砾石、卵石含水层 包网过滤器 各种砾层含水层 2. 过滤器进水孔眼直径与孔隙率 过滤器孔眼直径或宽度以其接触的含水层颗粒粒径有关，孔眼大，进水通畅，但挡砂效果差；反之，孔眼小，则挡砂效果好 ， 但进水性能差。 进水孔眼或宽度可参考表 58 选取。 表 58 过滤器的进水孔眼直径或宽度 ［ 12］ 过滤器名称 进水孔眼直径或宽度 岩层不均匀系数（ d60/d10） 2 岩层不均匀系数（ d60/d10） 2 圆孔过滤器 (～ ) d50 (～ ) d50 条孔缠丝过滤器 (～ ) d50 (～ ) d50 包网过滤器 (～ ) d50 (～ ) d50 注：  d60、 d50、 d10是指颗粒中按质量计算有 60%、 50%、 10%粒径小于这一粒径。 较细砂层取小值，较粗砂层取大值。 过滤器的孔隙率是指管壁圆孔或条孔的孔隙率。 各种管材允许孔隙率为：钢管 30%～35%，铸铁管 18%～ 25%，钢筋混泥土管 10%～ 15%，塑料管 10%。 一般钢制圆孔、条孔过滤器的孔隙率要求在 30%以上，铸铁过滤器要求在 23%以上。 3. 过滤器长度选用的估算 (1) 当含水层厚度小于 10m 时，过滤器长度应与含水层厚度相等。 (2) 当含水层很厚时，过滤器长度可按下式进行概略估算： wmL d （ 53） 式中： L — 过滤器的长度， m； wm — 热源井出水量 ， m3/h； d — 过滤器的外径， mm；不填砾过滤器按过滤器缠丝，或包网的外径计算；填砾过滤器按填砾层外径计算。  — 决定于含水层颗粒组成的经验系数，按表 59 确定。 表 59 不同含水层经验常数  值 ［ 13］ 含水层渗透系数  （ m/d） 经验常数  2～ 5 90 5～ 15 60 15～ 30 50 30～ 70 30 管井的施工 必须十分重视管井施工质量问题，应由专业队伍施工，做好每一工艺环节，才能获得较大出水量和优质水。 一口优质井可使用 20 多年。 管井施工的程序应为：钻凿井孔 → 物探测井 → 冲孔 → 换浆 → 井管安装 → 回填滤料 → 粘土封闭 → 洗井 → 抽水和回灌试验 → 管井验收。 下面简要介绍工程的主要过程。 1. 钻凿井孔 钻凿井孔的方法主要有回转钻进和冲击钻进。 回转钻进 是 用回转钻机带动钻头旋转对地层切削、挤压、研磨破碎而钻凿成井孔的。 其过程是：钻机的动力（电动机或柴油机）通过传动装置使转盘旋转，转盘带动主钻杆，主钻杆接钻杆，钻杆接钻头，从而使钻头旋转并切削地层不断钻进。 当钻进一个主钻杆深度后，由钻机的卷扬机提起钻具，将钻杆用卡盘卡在井口，取下主钻杆，接一根钻杆，再接主钻杆，继续钻进，如此反复进行，直至设计井深。 冲击钻进主要靠钻头对地层的冲击作用来钻凿井孔。 冲击钻进过程是：钻机的动力通过传动装置带动钻具钻头在井中做上下往复运动，冲击破碎地层。 当钻进一定深度（约 ）后， 即提出钻具，放下取土筒，将井内岩土碎块取上来， 然后再放下钻具， 继续冲击钻井。 如此重复钻进，直至设计井深。 终孔直径应根据井管外径和主要含水层的种类确定：在砾石、粗砂层中，孔径应比井管外径大 150mm；在中、细、粉砂层中，应大于 200mm。 但采用笼状填砾过滤器时，孔径应比井管外径大 300mm。 2. 物探测井 井孔打成后，需马上进行物探测井，查明地层构造、含水层与隔水层的深度、厚度、地下水的水质等，以便为井管安装、填砾和粘土封闭提供可靠的资料。 3. 冲孔、换浆 为了在井管安装前将井孔中的泥浆及沉淀物排出井孔外，应进行冲孔、换浆。 即用钻机将不带钻头的钻杆放入井底，用泥浆 泵吸取清水打 入 井中，将泥浆换出，直至井孔全为清水为止。 4. 井管安装 换浆完毕后，应立即进行井管安装（简称下管）。 下管的顺序一般为沉淀管、过滤管、井壁管。 安装中应注意：  下管前应根据凿井资料，确定过滤器的长度和安装位置（称排管）。  可采用加扶正器的方法，保证井管在井孔中顺直居中。 一般每隔 30～ 50m 安装一个扶正器（如用长约 20cm、宽 5～ 10cm、厚度略小于井管外径与井壁之间的距离的三块木块，在井管外壁按 120 度 放置，用铁丝缠牢。 ） 5. 填砾和粘土封闭 下管完毕后，应立即填砾和封闭。 管井填砾和封闭质量的 优 劣 ，都直接影响管井的水量。 为此，应注意下列问题：  填砾时要平稳、均匀、连续、密实 ， 应随时测量填砾深度，掌握砾料回填状况，以免出现中途堵塞现象。  粘土封闭一般用粘土球，球径约为 25mm。  当填至井口时，应进行夯实。 6. 洗井和抽水试验 洗井就是 用 抽水的方法，使地下水产生强大的水流，冲刷泥皮和将杂质颗粒冲带到井中，再抽到地面上去，从而达到清洗含水层中的泥浆、细小颗粒和冲刷井壁上的泥皮的目的。 其方法主要有：水泵洗井、压缩空气洗井和活塞洗井等多种方法。 应根据井管的结构、施工状况、地层的水文地质条件以及设备条件加 以选用。 洗井的标准是彻底破坏泥浆壁，将含水层中残留的泥浆和岩土碎屑清除干净，当井水含砂量在 1/50000～ 1/20200 以下（ 1/50000 以下适用粗砂地层， 1/20200 以下适用细砂地层）时，洗井为合格。 抽水试验一般在洗井的同时进行 ， 但要求稳定延续 12 小时。 通过抽水试验对井的水质、水量、出水能力做出适当的评价。 回灌试验应该稳定延续 36 小时以上，回灌量应大于设计回灌量。 7. 管井的验收 管井竣工后，应由设计单位、施工单位和使用单位根据 《 供水管井设计、施工及验收规范 》 共同验收。 管井验收时，施工单位应 提交下列资料： (1) 管井施工说明书。 内容包括：  管井的地质柱状图。  井径、井深、过滤器规格和位置、填砾和封闭深度等。  施工记录。  井管安装资料、洗井资料、水质分析等资料。 (2) 管井使用说明。 内容包括：  抽水设备的型号及规格。  井的最大允许开采量。  水井使用中可能发生的问题及使用维修的建议等。 (3) 钻井中的岩样。 管井的维护与管理 目前，很多管井由于运行管理不当，出现了水量衰减、堵塞等现象，甚至导致早期报废。 为此，必须加强管井的维护管理工作。 在运行管理中应注意： (1) 保持井室内的环境，不得积水。 (2) 建立和健全管井 运行记录和维护管理档案。 (3) 严格执行管井、机泵的操作规程和维修制度 ， 按时进行日常维修和定期维修。 (4) 如管井出现出水量减少，井水含砂量增大等情况，应请专家和工程技术人员进行仔细检查，找出原因和采取技术措施解决。 (5) 在停泵期间，应隔一段时间进行一次维护性的抽水，以防止过滤器堵塞 ，并同时检查设备的完好情况。 (6) 对机泵易损易磨零件，要有足够的备用件。 地下水回灌技术 众所周知，地下水是地源热泵的优良低位热源，但地下水又是宝贵的资源 ， 是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。 没有水，人类无法生存和发展。 正因为地下水的双重 性，决定了地下水源热泵只能通过地下水来采集浅层地能（ 热），而不得对地下水资源造成浪费和污染。 因此，地下水回灌技术 是地下水源热泵运行成败的关键技术。 地下水回灌的意义 目前，我国一些地区的水资源十分短缺， 600 多个城市中有 300 多个城市缺水。 例如： ① 北京 全市人均可利用水资源量仅为 273 m3，不到世界人均占有量的 10％，远远低于国际公认的 1000 m3的缺水线。 目前，北京每年开采地下水 26 亿 m3到 27 亿 m3，全市超采区形成1000 多平方公里的下降漏斗，漏斗区水位下降 4m 多，中心水位下降 20～ 30m，严重的地区达 40m。 据统计，北京市 1998 年较 1980 年地下水量减少 28 亿 m3。 据预测， 2020 年北京市缺水 亿 m3，到 2020 年遇平水年缺水 亿 m3，遇枯水年缺水 亿 m3，水资源十分严重。 ② 黄河沿岸 黄河沿岸属于水资源极为短缺的地区。 20 世纪 70 年代，黄河下游多年持续断流， 1972年 ～ 1997 年的 26 年间，有 20年发生断流， 90 年代以来断流历史不断增长， 1997年累计长达 226 天。 据预测， 2030 年黄河流域和有关地区将缺水 150 亿 m3左右。 ③ 沿海地区 从西南的北海 市到东北的大连市，特别是山东半岛、辽东半岛和渤海湾由于地下水超采造成不同程度的海水入侵。 目前山东半岛海水入 侵 总面积已达 643 km2。 海水现在继续以每年几十至几百米的速度向陆地含水层推进。 由于过度开采地下水使得部分城市出现了地面下沉。 至今，我国已有 50 多座大中城市出现了区域性地面沉降， 80%分布在沿海地区，较严重的是上海、天津、河北、苏州、宁波 ，详见表 510。 表 510 中国沿海部分城市地面沉降统计表 地区 天津 沧州 上海 常州 苏州 无锡 南通 宁波 嘉兴 湛江 中心沉降 （ mm） 2760 744 2700 1100 145。