如何解决好水源热泵的成井、回灌、勘探、钻探等问题，2011年6月11日，武汉地质工程勘察院副总工刘红卫在由中国制冷学会空调热泵专业委员会主办的水源热泵系统回灌技术交流与工程应用研讨会上进行了主题为《武汉地区地下水回灌问题的解决之道》的发言。
 

　　湖北省自2000年开始投入地源热泵工程应用，至今已在武汉、汉口、武昌火车站、武汉市美术馆、杂技厅、中南剧场、省图书馆新馆、省国土资源厅大楼等80多栋建筑应用，建筑应用面积共300万m2；其中截止到2010年，武汉市62栋建筑采用了地源热泵系统，采用地下水地源热泵系统的为36栋，面积125万m2；地埋管地源热泵系统为26栋，面积110万m2。
 

　　从使用项目的实际运行情况来看，各系统总体运行稳定，节能环保效益显著，积累了宝贵的工程应用经验，赢得了较好的社会影响。
 

　　据刘红卫介绍，目前汉口地区已有30多个项目采用了地下水地源热泵系统，热源井回灌的方式为重力（自流）回灌和压力回灌（微压）。热源井单井出水量一般在20—140m3/h之间，单井回灌量在6-50m3/h之间、个别井可达85m3/h。井水回灌不下去有两种情况，一是成井时就灌不下去，回灌量小；二是运行一段时间以后回灌不下去，个别项目热源井使用2年左右由于堵塞作废了，需要重新打井。
 

　　影响热源井回灌的因素分析

　　刘红卫认为造成热源井回灌难的问题有8种因素。
 

　　一是地质条件。武汉市地貌单元沿长江、汉江南北两岸分布有一级阶地、二级阶地、三级阶地，一级阶地地下赋存有比较丰富的地下水，目前水源热泵项目一般都建这一区域。从水文地质条件和实际回灌效率看，一级阶地前缘主要含水层底部有0.5～5米左右的卵砾石，含水层颗粒粒径较大，，渗透性好，单井回灌量在45-85m3/h，单井回灌效率可达到50-100%；一级阶地中部主要含水层以中粗砂为主，厚度较大，渗透性较好，单井回灌量在20-48m3/h，单井回灌效率可达到25-76.2%；一级阶地后缘由于含水层薄、颗粒细，回灌量在13-39.2m3/h，单井回灌效率为28-74.6%。二级阶地上主要含水层为含粘性土中粗砂，含水层颗粒粒径不大，渗透性一般，回灌效率在30%以下，回灌效率不高，仅有少数小型项目应用。此外，含水层渗透系数K值的大小与回灌量成正比，K值越大，含水层厚度越大，回灌更容易，当渗透系数大于15m/d时，单井回灌量一般在45m3/h 以上，单井回灌率大部分可达50%以上，当深部有较厚层的砾卵石层或砾卵石直径大时（K值50m/d以上），回灌量增加比较明显。少数项目K值仅6～8m/d，单井回灌量也可达31—39.2m3/h，单井回灌率71.2～100%，其原因就是因为含水层厚。而由于地下含水层的差异性以及周边地下环境的影响，同一场地下同样设计施工的热源井，其回灌量和回灌率不一定相同，有时差异还较大，例如汉口火车站改造项目，三口试验井，在进行一抽一灌试验时，2号试验井抽水，1号井、3号井的回灌量分别为34.87m3/h、13.57m3/h，回灌率相差42.5%，其原因主要是地层变化引起。湖北省地矿局项目六口热源井分成两组分别进行一抽两灌试验对比，2号试验井抽水，取水量为84.02m3/h，1、3号井联合回灌，回灌量为69.90m3/h；第二组5号井抽水，取水量93.39m3/h，4、6号井联合回灌，全部回灌下去了，两者回灌率相差26.8%，原因在于1、3号井附近在桩基施工时在上部含水层段进行过桩基后压浆施工。因此，当场地较大时，应在热源井施工完毕后，进行群井的联合试验与验收，以便及时对井群进行调整和完善。
 

　　二是井径和井距问题。限于场地，目前热源井之间的间距多在35～60米左右，从湖北省地矿局项目试验的结果看，井径的大小（井径在500～700mm、管径在250～325mm）对回灌量没有明显的影响。在理想条件下，回灌井之间的距离达到回灌井的影响半径（可视同于抽水影响半径、一般100～200米）时回灌量应该最大，但实际上回灌井之间达不到这个距离，所以单井试验时回灌率高，群井联合运行后，场地及周边地下水位整体长期抬高，导致总体回灌量往往小于理论回灌量，只相当于一个等效“大井”在回灌；所以要想增加回灌量，加大回灌井之间的距离是办法之一。同时，如果回灌井与抽水井之间的距离过小，抽水井和回灌井之间有可能会产生地下“热短路”现象，降低系统能效；相邻井之间过大的水头压力差甚至会带来地下细沙层的砂土液化和流动、失稳。因此在条件许可的情况下，回灌井的间距宜取大值，回灌井与抽水井之间应保持适当距离。另外，地铁、高层建筑基坑开挖降水、临近不同时间兴建的水源热泵项目之间，也会因地下水流场新的改变对回灌量产生影响，这种情况下更应重点考虑和确定项目及井群之间合理的间距。
 

　　三是井管滤管孔隙率、砾料规格问题。井管孔隙率越大，过水断面加大，更利于回灌，按武汉市的地层特点，井管孔隙率应在20～25%之间为宜，现在很多热源井采用的是4mm厚的钢板卷管，材质较差、厚度薄，管壁钻眼的间距和直径普遍偏小，孔隙率偏低，这种情况在取水时出水量可以通过加大降深来实现，但在回灌时由于水头或回灌压力一定，井管低孔隙率对增加回灌量不利；所以热源回灌井应该选用好的钢管、大的孔隙率，才能有效的增加回灌量。热源井的结构在钢管外和井壁之间有一定的间距用来填滤料和止水粘土球，滤料的作用是减少含水层中的水向管壁内流动时的阻力，滤料的粒径和含水层越匹配，此阻力就越小，水流的通道越畅顺，则回灌效率越大，由于地下含水层粒径并不完全一样，有细砂、中砂、粗砂、含砾中粗砂、砾卵石层等，用同一种滤料作为过滤层必然增大过水阻力，降低回灌量，因此在热源井设计时应该结合勘察结果，根据其颗粒级配确定不同段的滤料粒径，如此才能最大限度的增加回灌量，如湖北省地矿局AB栋项目采用严格按设计回填砾料，6号井单井回灌在初期（24小时）达到100%(回灌量85m3/h)。
 

　　四是洗井与成井工艺问题。目前武汉地区热源井施工工艺中，冲击钻井利用清水钻进，深井潜水泵洗井，一次成井，功效高，经济；廻转钻进成井时要用泥浆护壁，冲孔换浆后下管，填完滤料最后还要采用拉活塞和空压机、水泵联合洗井的方法进行洗井，工序复杂，效率低。二者比较起来，传统的反循环液压回转钻进工艺热源井的回灌效率要比冲击成井的高，原因在于成井过程中泥浆比重控制的较好，对含水层的扰动小，后期联合洗井的方式充分、洗井质量高，尤其井壁的泥皮清洗剥落到位，对回灌十分有利；而冲击钻进成井目前往往只采用水泵洗井，成井过程中自然形成的泥皮没有完全被剥落，另外冲击成井过程对井壁砂层有挤密作用，成井后抽水量受影响较小（例如通过加大降深来实现）,但当水反向流动时，泥皮及因砂层挤密造成的堵塞不容忽视。
 

　　五是回灌管道问题。热源井之间取水和回灌的实现需要通过输水管网，其对回灌的影响主要由两个方面造成，一是设计施工方面的原因，目前设计的管道系统有的是同程系统，有的是异程系统，在安装过程中管径、走向、长度、弯头等可能不完全同于理论计算，在使用过程中更由于实际取水和回水工况的多样性，导致水力不平衡，各井回灌的不一致，使实际回灌量达不到设计回灌量的要求；二是排气孔、排气装置安装不到位，地下水回灌时在管道中和井内形成气塞，增大了阻力，降低了重力回灌和微压回灌的回灌压力，导致回灌量的降低；改善这个问题要从设计和安装施工两个方面着手。
 

　　六是回灌压力问题。压力回灌方式目前在武汉地区并没有得到大力提倡，由于武汉地区一级阶地上0—25米左右普遍有粉土、粉细砂层，多大的井间距和水头压力差才不会导致砂土层液化失稳还没有确定出一个界限，影响了压力回灌的应用和推广实施；湖北省地矿局AB栋项目做过不同压力段的回灌试验工作。
 

　　七是热源井井维护（堵塞问题）。热源井在使用一段时间以后，由于物理作用、化学作用、生物作用将会形成淤积和堵塞，热源井及管道的腐蚀对回灌的影响极大，其中以微细颗粒沉积和Fe┼┼→Fe┼┼┼作用造成滤网堵塞的影响最为明显，是造成系统运行一段时间以后回灌量和回灌率大幅下降的主要因素。所以在系统运行和间歇期，需要对热源井和输水管道定期进行洗井和维护，最少每周应对回灌井进行一次回扬，每年（或每个冷暖季）应清洗一次回灌井，特别是那些成井质量不高、含砂率高的项目，宜定期监测井深，避免井管内滤管段被淤塞。目前汉口地区很多回灌井没有回扬装置，应尽快改装。热源井洗井的方法宜同时采用物理和化学洗井的方法同时进行，化学洗井选用材料应不污染地下水。每个制冷和采暖季节变化时，应将抽水井和回灌井调换使用，以减少热源井淤积，同时也更加节能。
 

　　八是主机设备（设计）等问题。一个地下水地源热泵项目回灌量大小、回灌效率高低的影响因素，并不仅仅只有地层在起作用，当项目的制冷制热量确定以后，热泵主机的选型和效率、系统设计的合理性等对回灌量都有直接的影响，并且由于用户负荷变化，导致需要的换热量（换言之就是需要取出用来换热的地下水量）每天、每月都不相同，要想加大回灌效率，首先应该选用那些大温差、小流量、多级控制运行的高质量的热泵主机，在满足最低需水量的前提下，实现变频取水，取用的地下水量少了，回灌率自然高了，水资源节约了，能效高了，对环境的影响也小了，所以在研究地下水地源热泵系统工程回灌问题时，不应忽视系统设计、主机选型等对回灌的影响。
 

　　提高回灌率的措施

　　刘红卫介绍，一个标准的回灌体系应该包括水量回灌技术、回灌设计技术、净水（水质）回灌技术、蓄能回灌技术、回灌监测技术、回灌控制技术等方面。目前使用的回灌方法有自然回灌、真空回灌、同井回灌、自动抽灌、智能回灌（调度回灌、信息化回灌）、反季节回灌、分层回灌、天窗回灌（上部无隔水层、沿河）、加压回灌、净水回灌、延时回灌（波涌回灌）、辐射回灌、储能回灌（使用中蓄住能量）、循环回灌（多支路回灌）、外水回灌、面状网络回灌（天花板式回灌）、地下水＋地埋管复合式（回灌）系统等多种。其中加压回灌需考虑砂土液化、地面隆起、井壁结构损坏、系统设备配套问题、能耗增加、回灌压力如何确定、实现？不同流量下压力稳定与控制等方面的问题。
 

　　新建有关回灌设计水文地质新参数的建议

　　新建有关回灌设计水文地质新参数包含以下几方面内容：“群井抽水折减系数”、“热源井水量衰减系数”、“抽水井水量衰减系数”、“回灌井水量衰减系数”、“回灌度”。
 

　　其中“群井回灌折扣系数”中井群越多，越大，系统总体回灌量下降，热源井设计过程中，应考虑回灌群井效应，不能仅以单井回灌量作为依据，应适当考虑一个。群井回灌折扣系数在武汉地区取0.6～0.85较为适宜，回灌井数量多时取低值，反之取大值。“热源井水量衰减系数”很有必要，使用该参数，更能如实反映地下水抽灌子系统长期运行变化的真实情形，便于在项目开建阶段提前做好设计和规划。该系数可分为“抽水井水量衰减系数”和“回灌井水量衰减系数”，它与含水层特性、热源井使用特性（如回扬周期）、洗井次数、功能性质（抽水和回灌时长）有关，限于地域、试验点数量、时间、水平等因素影响，暂未建立起相关数学模型（公式）来具体描述和计算，各地可以依据情况，总结一个经验系数，供设计参考。武汉一级阶地热源井“热源井水量衰减系数”为10%～15%年；“回灌井水量衰减系数”参考数据为20%～30%。回灌度则是为表征热源井衰减现象，为地下水地源热泵系统工程建设和热源井设计提供依据，其计算公式为E＝λ1K＋λ2H＋λ3P＋λ4T＋λ5r＋λ6Δt＋λ0。其中场地回灌能力的参数(E)、单位：m3/km2，K为渗透系数，H为含水层厚度，P为回灌压力，T为回灌持续时间，Δt为抽水井取水控制温升，λ0为边界条件系数（相邻项目、补给能力、季节水位变化），λ1为权重系数（地区或场地系数）。
 

　　热源井报废标准

　　热源井使用较长一段时间以后，会由于功能退化、满足不了系统使用要求需要进行报废处理，但是目前尚没有这方面的要求和标准，刘红卫认为若达到以下标准，热源井可报废。①含砂量超过规范规定值；②井管腐蚀、破口或滤网破损，砂砾石溃入井中；③井内淤积层厚度超过0.5m/年；④井水浑浊，且经处理后无法解决；⑤在设计降深前提下，单井抽水量不足设计值的60%时；⑥在设计取水量条件下，井内降深超规范允许降深30%以上，并可能对周边环境带来不利影响时；⑦经洗井后，回灌量不足成井时回灌量的50%；⑧热源井周边出现因抽水引起的过大沉降时；⑨经监测，井内水位逐年下降，并形成较大范围降落漏斗时，应对地下水地源热泵系统的使用重新评估，采取回补地下水、暂停抽水、减少取水量等措施，封存热源井或进行报废处理；⑩出现井内污染或其它异常情况时。
 

　　地下水回灌方面规范（标准）修订（制订）建议

经过实践总结，刘红卫对现行地下水回灌规范提出4点修订建议：

1、“100%回灌”值得商榷；

2、增加“热源井群井折减系数”、“热源井水量衰减系数”等新的（水文地质）设计参数，明确其计算方法、经验值范围；

3、增加“地下水地源热泵系统地温场监测”章节；

4、增加“热源井报废标准”内容。

针对制订国家《回灌技术规范》的建议是：

（1） 确定主编、参编单位；

（2） 调研、申请立项；

（3） 搜集相关资料、成果，借全国浅层地温能资源潜力调查的机会，确定相关专题，补充开展相关研究；

（4） 进入正式编制阶段；

（5） 建议成立“回灌分会”，开展合作、交流。
 

　　而关于现行规范、标准的衔接问题，刘红卫认为《供水管井设计规范》（修编中），需增加“热源井布置”内容；《水文地质手册》（在编），关于回灌的内容要与地源热泵工程经验、成果结合。