地下水换热系统水源勘察与热源井设计工程实例研究＊

谭长伟，王继轲，董太稳，常季青，刘红军

（1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛266032；2中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100）

21世纪以来，随着国际环境污染和能源危机的加剧，地源热泵空调系统凭借其环保性和节能性的优势，逐渐成为近年来可再生能源利用及建筑节能领域中发展最快的产业之一［1－2］。按换热介质及地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。作为1种新型清洁能源利用工程，地下水源热泵利用地下水温不易受环境影响、常年稳定的特性，将地下水作为能量载体，夏季制冷、冬季采暖，开发利用浅层地下水热能资源。孙恒虎等［3］探讨了地埋管地源热泵的系统设计，宋胡伟等［4］以4个典型城市为例，综合考虑各种因素影响，对地源热泵系统进行分析，陈友明等［5］对传统的地源热泵系统和新型混合地源热泵系统进行模拟对比。

但是，地源热泵同时也出现了一些问题，如回灌困难［6］、热贯通［7－8］等，热源井的合理设计是克服或缓解这些问题的必要条件。倪龙等［9］给出了一套包含地下水动力学和热力学设计的热源井简化设计方法。本文通过工程实例，介绍地下水水源的勘探方法、利用数值模拟求取水文地质参数、热源井设计和预测运营水位变化幅度的方法，可为类似中小型地下水换热系统的设计提供依据。

1 工程背景

青岛某工程位于张村河下游，由住宅项目和商业项目组成，其中商业项目为一幢14层（局部3～4层）的商业办公楼，基础形式为桩基，总建筑面积约12 000m2，中央空调拟采用地下水换热系统，地下水总需水量200m3／h。

该工程充分利用场地独特的自然条件，在青岛市首次采用浅层地下水换热系统成功地解决了商业楼的供暖、制冷问题。3a运行实践证明，该系统比采用地埋管换热系统节省造价2／3，比中央空调系统节能50%以上，取得了良好的经济效益和社会效益。

2 自然地理及地质概况

工作区面积约4.05km2，场区面积约1.6万m2，位置详见图1。工作区内地形总体较平缓，总的趋势是西高东低。地面标高4.2～53.2m。地貌成因类型主要有剥蚀、堆积准平原、冲洪积平原。

图1 工作区位置图Fig.1 Location map of work area

青岛属北温带大陆季风气候区，同时由于濒临黄海，明显受海洋的调节作用。多年平均气温12.1℃，多年平均相对湿度72%，平均日照2 515.5h／a。全区年平均降水量755.6mm。多年平均蒸发量为1 461.1mm，最大冻土深度43cm。

该区域河流多为独立入胶州湾的山溪性小河。所有河流流量明显受降水控制，季节性变化明显。临近区域主要河流有白沙河、张村河、李村河。属季节性泄洪的小型河流，无水文监测站。

青岛主要构造形迹为韧性剪切带及脆性断裂构造，其主体方位为NE向，次为NW向和EW向。区内脆性断裂构造具控水作用，断裂中NNE及NE向力学性质多属压扭性，与之对应的共轭断裂多呈张性。压扭性断裂的影响带和张性断裂带通常地下水丰富。

青岛地区出露的地层除第四系松散地层以外，主要由中生代白垩系莱阳群、青山群、王氏群和古元古代变质岩系地层组成。

青岛地区的侵入岩分布广泛，主要发育有新元古代晋宁期、震旦期和中生代燕山晚期的侵入岩。岩性以酸性花岗岩类为主，基性中细粒变辉长岩和中性闪长岩类分布局限。通常震旦期以前的侵入岩风化带厚度较大，风化裂隙水较丰富，燕山期以后的侵入岩，风化裂隙水一般较贫。燕山晚期脉岩发育，一般为隔水构造。

3 场区水文地质条件

3.1 地下水类型及赋存特征

区内地下水类型分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，水力性质均属潜水。

第四系松散岩类孔隙水含水岩组是工作区内供水开采的主要目的含水层。主要岩性为冲洪积砂砾石层、砂层，主要分布在河床两岸、河漫滩及河流阶地上，呈条带状展布，宽度300～500m。含水层厚度6～9m，渗透系数20～50m／d，单井涌水量500～1 000m3／d。富水性和透水性良好。基岩裂隙水含水岩组可分为风化裂隙水和构造裂隙水2种类型，岩性以花岗岩类为主，富水性较弱，单井涌水量在10～120m3／d之间，水质较好。

3.2 地下水补给、径流、排泄条件

区内浅层地下孔隙水补给来源主要为大气降水，汛期接受张村河、李村河渗漏补给和两侧基岩裂隙水的侧向径流补给。地表在接受大气降水之后，部分转化为地表径流汇入地表水体，少量被蒸发，部分渗入地下，沿冲洪积层向下径流，在河床两岸或漫滩形成富水地段。在目前状况下，地下水以转化为地表水及向下游径流排泄，另一种排泄方式为潜水蒸发排泄，人工开采排泄量较少。

3.3 地下水动态特征

该区地下水动态变化曲线为水文气象型，地下水动态基本处于自然状态，年内受降水制约，季节性变化明显，动态曲线呈波状起伏。地下水位年变幅2～3m，多年呈现均衡状态，没有明显的升降趋势。

3.4 地下水化学成分特征

勘察期间场区水温为14.0～14.5℃。根据区域水文地质资料，地下水水温年变化在12.0～15.0℃之间。11个热源井水质分析表明，地下水水化学类型主要为：HCO3－Cl－Na型水，PH 值6.7～7.0，为中性水；总硬度3.3～5.24，为微硬水，SO2－4、Cl－等离子含量统计指标详见表1。

表1 地下水化学成分含量统计表Table 1 Statistical table of chemical component contents of groundwater

4 场区地下水资源评价

4.1 勘探方法

本次地下水换热系统水源勘察，充分利用了场区岩土工程勘察成果，开展了1／2 000区域水文地质调查（4km2），系统收集研究了气象水文资料及区域地质资料，现场进行了1组抽水、注水试验，室内进行了二维流数值模拟计算，在上述工作的基础上，简化了勘察阶段，按照“探采结合”的形式进行水源勘探［1］。勘探点沿河流方向布设，点距30～40m，每个勘探点先进行小孔径取芯钻探，再进行大口径热源开采井钻探，成井后每个勘探点进行抽水、注水试验，成井质量和出水量满足设计要求后，该勘探点直接转为开采热源井。

4.2 抽水、注水试验

利用场地已有的2个完整井进行试验，S1井井深12.5m，水位4.39m；S2井井深10.4m，水位4.9m；2井均为统一的粗砾砂含水层，井径均为1.0m，井壁管均为水泥砾石滤水管。2井相距82m，S1为抽水井，S2为注水井，抽水与注水分2个落程同时进行，试验成果详见表2、3。

表2 S1抽水试验特征数据表Table 2 Characteristic data of pumping test in Well S1

表3 S2注水试验特征数据表Table 3 Characteristic data of injecting test in Well S2

4.3 水文地质参数计算

本次抽水试验和注水试验同时进行，用一般地下水动力学公式法计算较复杂，难以达到较高的计算精度。故采用数值法建立该场区地下水水流数值模型，利用抽水试验、注水试验取得的水位、抽注水量等观测数据，进行模型识别，从而得到该区的水文地质参数。

4.3.1 水文地质概念模型 计算区内主要含水层为第四系松散岩类孔隙水含水岩组，主要岩性为冲洪积砂砾石层、砂层，可概化为均质各向同性含水层；在抽水、注水试验期间，周边无地下水开采，附近的张村河内有少量污水在河中心已砌护防渗性良好的沟槽内流过，与地下水没有水量交换；地下水位埋深大于3.5m可不考虑潜水蒸发；试验期间有小雨，但场区附近多为硬化地面，对地下水的补给作用微弱，忽略不计。本次抽水量和注水量相等，对影响半径以外范围的影响可忽略不计，即按照与计算边界以外没有水量交换计算。第四系孔隙含水层的地下水自西向东、自南向北近于水平流动，故把此含水层边界均概化为流量边界；因第四系含水层下伏的基岩裂隙含水层透水性极弱，故此含水层各边界概化为零流量边界。

4.3.2 数值模型 采用无压（潜水）二维流偏微分方程：

根据建立的上述地下水流数学模型，采用有限差分法建立起数值模型。数值模型计算单元共划分160×100个活动单元，每个单元大小为5m×5m（见图2）。

图2 计算单元网格剖分图（单位：m）Fig.2 Grid of study area

通过参数调整，使得模型计算水位曲线与抽、注水试验实际观测曲线基本拟合，得到含水层水文地质参数K、μ。拟合曲线见图3、4，计算得到的水文地质参数见表4。水文地质参数分区见图5。

图3 S1抽水井拟合曲线Fig.3 Drawdown curve of water table varying with time in pumping Well S1

图4 S2注水井拟合曲线Fig.4 Drawdown curve of water table varying with time in injecting well S2

表4 水文地质参数表Table 4 Table of hydrogeological parameters

图5 水文地质参数分区图（单位：m）Fig.5 Zoning map of hydrogeological parameters

4.4 水量、水位预测与评价

4.4.1 水量评价 开采后能在短期内得到充分补给保证的地下水，即为地下水的可采资源［10］。该工程中央空调拟采用地下水换热系统，地下水总需水量200m3／h。场区浅层地下孔隙水主要补给来源为大气降水，汛期接受东侧张村河渗漏补给和南侧、东侧的地下水侧向径流补给。经初步估算，场区地下水补给量远大于需水量，同时，该类水源热泵系统采用抽水与回灌近于同时的开采形式，对地下水的实际消耗量非常小。因此，场区地下水资源完全满足开采要求。

利用前面建立的数值模型，进行布井方案优化。结合现场施工条件，通过调整抽、注水井的位置，进行水位变化预测计算，取保证系数1.85，井距30～40m，最终得到如下布井方案（见图6）。预计施工16口热源井即可满足370m3／h的抽、注水量。

图6 抽注水布井方案Fig.6 Arrangement scheme of pumping wells and injecting wells

4.4.2 水位预测与评价 按照上述布井方案，空调系统以370m3／h的抽注水量连续运行1a时，利用数值模型预测地下水位降深如图7。从上图可以看出，水位下降除抽水井附近以外，其它地段一般小于2m；水位升高除注水井附近以外一般不大于2m。该计算未考虑区域水位升降的影响，当区域水位升降变化时，场区内水位会略有升降。

图7 预测地下水位降深等值线图（单位：m）Fig.7 Contour map of predicted drawdown of groundwater table

4.5 开采利用地下水对建筑物影响评价

场区内高层建筑物均采用的桩基础，桩端持力层为花岗岩各风化带，抽水对其影响较小；场区内2个多层建筑物采用人工垫层柱下条形基础，但由于这2个楼与抽灌区尚有一定距离，且两者之间存在连续的止水帷幕，水位升降2m左右，抽水对其影响较小。另外，抽水与回灌近于同时进行，不会形成不断扩大的降水漏斗。因此不会出现开采使用地下水而导致地面沉降及诱发建（构）筑物的开裂、不均匀沉降等环境问题。

由于抽取地下水使用后的回灌水是在密封条件循环使用，不与外界接触，水不易受到污染，回灌地下后，对含水层也不易产生二次污染，对地下水水质基本无影响。

5 热源井设计及运营

通过地下水换热系统水源勘察研究成果表明，场区水文地质条件简单，已有井抽、注水试验取得满意的效果，场区临河一侧预计施工16口热源井即可满足需水及环境要求。为了节省造价，缩短工期，经业主同意，决定采用“探采结合”的形式进行勘探，即先施工小口径勘探孔，查明地层结构及含水层岩性、厚度及颗粒组成，估算单孔涌水量；再施工大口径勘探开采井，水量、含砂量经试验合格后，直接成井转为工程使用的热源井。

5.1 热源井成井结构设计及有关技术要求

5.1.1 成井结构及钻探技术要求（1）开孔口径1 000mm，终孔口径325mm，第四系井径1 000mm，从基岩面变径325mm。井深以打穿第四系入岩5m为准，初步确定为20m。孔斜10／100m，孔深误差不大于2%。（2）采用回转钻进、泥浆护壁的钻探工艺，泥浆粘度16～18s，密度1.05～1.1g／cm3，含沙量小于8%。

5.1.2 热源井滤水管技术要求 井壁管及滤水管采用HDPEΦ580mm双壁波纹管，该管具有造价低、耐腐蚀、无公害、耐冲击、施工方便、使用寿命长（50a）的特点，脆化温度－700℃，软化温度1 260℃，抗压强度18～25MPa，抗拉强度20～35MPa。滤水管自行加工，孔隙率大于20%，外包沙网。

5.1.3 滤料及填砾技术要求（1）滤料采用水洗砾石，滤料直径根据含水层特征确定。砂土：D50＝（6～8）d50，碎石土：D50＝（6～8）d20；滤料不均匀系数小于2。（2）填砾采用动水填砾法，填砾高度超过含水层1.0m。（3）井口以下至静止水位以上分层回填黏土球，以防污水下渗。

5.1.4 洗井技术要求 采用活塞和CO2联合洗井，活塞洗井时间大于4h／井，CO2洗井每井至少1次，洗井结束后应捞取井内沉淀物。

5.2 抽水－回灌试验技术要求

5.2.1 抽水试验技术要求 为求取含水层的水文地质参数和单井出水能力，每井稳定流抽水试验1个落程，抽水稳定时间不小于12h。采用电力潜水泵抽水，水位测量采用电测水位计，水量采用标准三角堰箱或水表测量，采用水银温度表观测水温和气温，抽水试验采集的数据应齐全并满足计算要求。

5.2.2 回灌试验技术要求 为了保证回灌正常进行，必须保证施工井径符合设计要求，保证滤管孔隙率、滤料质量符合设计要求，保证洗井符合设计要求。为求取各井的回灌量和回灌效率，对每个井进行回灌试验，每井1个落程。回灌稳定时间不小于36h［11］，采用1级定流量回灌，水位测量采用电测水位计，水量采用标准三角堰箱或水表测量。

5.2.3 抽水、回灌联合试验技术要求 为了确定场区总的允许开采量和注水效率，在管井全部施工完成后，采用一井对另一井大流量一次降深稳定流抽水、回灌试验。稳定时间不小于36h，统一观测水位、水量、水温。

每井取水样一件，进行水质简分析及含砂量测试。要求含砂量不大于1／200 000（体积比）。

5.3 热源井运行过程技术要求

5.3.1 地下水长期观测及热源井维护要求 热源井（包括抽水井和回灌井）投入使用期间，要求对地下水水温、水位、水质等进行长期观测，建立档案，以便及时了解和分析其变化情况［11］。具体观测周期要求：第一个水文年，每星期测取一次水温、水位，每季度采取水样一组进行水质分析；从第二个水文年开始，水温、水位可每月测取二次，春、夏季各取一次水样进行分析。

热源井运行期间，应安排专人进行监测和维护。在正常使用情况下，一般1～2a应进行一次洗井和维护（保养），确保设备及热源井出水正常。

5.3.2 其它方面的要求

（1）抽水井与回灌井在运行一定时间后应相互转换以利于开采、洗井、岩土体和含水层的热平衡，时间以1～2a为宜。抽水井与回灌井间应设排气装置，以避免将空气带入含水层。

（2）为防止氧气与水井内存在的低价阳离子反应形成氧化物，产生气体黏合物，引起回灌井阻塞，要求热源井井口密封以消除空气侵入现象。

（3）地下水供水管和回灌管禁止与市政管道连接，以防污染自来水和浪费地下水。抽水管和回灌管上均应设置水样采集口和监测口。

6 运行结果及效益比较

该系统自2008年6月开始运行，3a运行实践表明，热源井水质、水量没有发生明显变化，周边建筑及道路未发生不均匀沉降，地下水水温未发生明显变化，未发生回灌难的现象，该地下水换热系统完全满足设计要求。

按照冷负荷2 000kW，地下水热源井井深20m，井径1 000mm，单井涌水量45m3／h，井数16个；U形地埋管热源井井深100m，井径150mm，单井热交换功率4.0kW，井数500个；中央空调系统采用市政热力＋国产制冷机组；采暖期140d，供冷120d，电价￥0.8／（kW·h），按上述条件在不考虑系统末端造价的前提下，3种热源方式初期投资、运行费用、工期见表5。

表5 各方案投资、运行费用及工期比较Table 5 The form of hydrogeological parameters

7 结论

（1）利用抽水－注水试验成果拟合的数值法求取水文地质参数是可行的，水文地质参数的精度取决于建立水文地质模型与实际的水文地质条件的符合性；

（2）采用HDPE双壁波纹管做井壁管及滤水管具有造价低廉、安装方便、抗腐蚀性的特点，在热源井中广泛使用具有推广价值；

（3）开发利用浅层地下水资源是浅层地热能开发过程中应优先考虑的问题。只要浅层地下水水量满足要求，即应优先采用地下水换热系统。

（4）热源井的合理设计和精心施工是保证热泵系统运营过程中最大限度地减少对环境影响的关键措施之一。科学合理的井距，等流量抽注地下水技术可以很好解决地面沉降等环境工程地质问题。

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