地源技术手册.docx

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地源技术手册

地下水源热泵空调系统的设计

一、工程场区调查

考虑到地下水源热泵空调系统的特殊性质，必须事先对工程场区地貌、地下水文地质、地下水分布和运动规律勘察，其具体调查内容为：

（1）场地规划面积、形状及坡度。

工程场地可利用面积能否满足建地下水抽水井和回灌井的需要。

（2）场地已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布。

（3）场地内树木植被、池塘、排水沟及架空管线、输电线、电信电缆分布。

（4）含水层的分布及其深度、厚度等。

（5）地下水的矿化度和咸、淡水区的分布范围。

（6）钻孔的地剖面和咸、淡水区的分界面。

（7）地下水位、流向、渗流速度及其与地表水的水力联系。

（8）地层岩性、层位；

（9）含水层的性质、埋藏深度、厚度和分布情况；

（10）含水层富水性和渗透性。

（11）地下水水温及其分布。

（12）地下水补给、径流、排泄特性等。

然后根据水温地质勘察内容进行水文地质试验，试验内容：

（1）抽水试验，测定钻井的实际出水量；

（2）回灌试验；

（3）测量井水水温；

（4）水流方向试验；

（5）渗透率计算。

最后，要编写一个水文地质勘察报告，报告应明确地下是否有水、水量是否充足、水温是否合适、供水是否稳定、水质是否合格、场地是否合适打井和回灌等。

二、设计步骤

（1）确定本工程项目所需的地下水总水量。

（2）水质处理及相关要求。

（3）确定地下水井的数量和位置。

（4）井或者井群管路设计

（5）地下水的回灌方式的确定与计算。

（6）井泵、除砂器、水处理仪等选择。

1、确定本工程项目所需的地下水总水量

本项目需要地下总水量取夏季制冷工况下的井水量和冬季供暖工况下井水量的最大值。

1）制冷工况需要水量：

mgw=Qc*（EER+1）/[Cp（tgw2-tgw1）EER]

mgw—热泵机组按制冷工况运行所需地下水总水量kg/s

Qc------建筑总冷负荷kw

Cp------水的比热容kJ/kg.℃

tgw1---井水出水温度℃

tgw2――回灌水温度℃

EER----热泵机组制冷能效比

2）制热工况需要水量

mgw=Qc*（COP-1）/[Cp（tgw1-tgw2）]

mgw—热泵机组按制热工况运行所需地下水总水量kg/s

Qc------建筑总热负荷kw

Cp------水的比热容kJ/kg.℃

tgw1----------井水出水温度℃

tgw2------回灌水温度℃

COP----热泵机组制热性能系数

2、应用地源热泵系统的地下水水质应满足以下要求：

1）、水源热泵的水源pH值应为6.5～8.5

2）、水源热泵水源水中的CaO含量应＜200mg/L

3）、水源热泵系统的水源水矿化度应＜3g/L

4）、水源热泵系统的水源，含砂量应＜1/20万，浑浊度＜20毫克/升，CL-小于100mg/L,SO42-小于200mg/L，Fe2+小于1mg/L，H2S小于0.5mg/L。

5）、水源热泵系统中装有板式换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应

＜0.5毫米。

如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。

在水源系统中经常采用的水处理技术有以下几种：

除砂器与沉淀池当水源水中含砂量较高时，可在水源水管路系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管阀遭受磨损和堵塞。

如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。

沉淀池费用比除砂器低，但占地面积大。

净水过滤器有些水源，浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。

对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。

电子水处理仪在水源中央空调系统运行过程中，冷凝器中的循环水温度较高，特别是在夏季制冷工况下，冷凝器的出水水温比较高，水中的钙、镁离子容易析出结垢，影响换热效果。

通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪，防止管路结垢。

板式换热器有些水源矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。

如果通过水处理的办法减少矿化度，费用很大。

通常采用加装板式换热器中间换热的方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。

当水源水的矿化度小于350mg/L时,水源系统可以不加换热器，采用直供连接。

当水源水矿化度为350-500mg/L时，可以安装不锈钢板式换热器。

当水源水矿化度＞500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。

也可安装容积式换热器，费用比板式换热器少，但占地面积大。

除铁设备水源中央空调系统也可以用来供应生活热水。

但有时水源水中含铁较多，虽然对制热没有影响，洗浴时对人体健康也不会造成损害，但溶于水中的铁容易生成氢氧化铁沉淀在卫生洁具上，形成有碍视觉感官的褐色污渍。

当水中含铁量＞1mg/L时，应在水系统中安装除铁处理设备。

3确定地下水井的数量和位置

热源井是地下水热泵空调系统的抽水井和回灌井的总称，它是地下水换热系统的重要组成部分。

其主要形式：

管井、大口井、辐射井等。

（1）管井一般指用凿井机械开凿至含水层中，用井壁管保护井壁，垂直地面的直井。

管井按照含水层的类型划分，有潜水井和承压井；按揭露含水层的程度划分，有完整井和非完整井。

管井是目前热源井中最常见的。

（2）当井径大于1.5m的井称之为大口井，具有结构简单、取材容易、施工方便、使用年限长等优点，但大口井深度小，对潜水位变化适应性差。

（3）辐射井是由集水井与若干呈辐射状铺设的水平集水管组合而成。

集水井用来汇集从辐射管来的水，辐射管可以单层铺设，亦可多层铺设。

具有管理集中、占地省、便于卫生防护等优点，但是施工难度大，成本高等缺点。

确定热源井形式之后，必须做抽水试验，测定井的实际水流量

三、管井的构造

管井的构造如图所示,它主要由井室、井壁管、过滤器、沉淀管等部分组成，管井的直径常用200mm、300mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm等规格，管井的最大出水量可达20000-30000m3/d.。

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

１、井室：

井室是安装井泵电动机、井口阀门、压力表等的地方，保护井口免收污染和提供运行管理维护场所；其形式分为：

地面式、地下式、半地下式。

基本要求：

（1）　井口应搞出地面0.3-0.5m,以防止地面积水进入井内。

（2）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。

（3）井室应有采光、通风、采暖、防水等设施。

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，主要作用是加固井壁、隔离不良的含水层。

基本要求：

（1）井壁管应有足够的强度。

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。

（2）井壁管的内径通常大于或等于过滤器的内径，当使用潜水泵或深水泵扬水时，井壁管的内径应比水泵最大外径大１00m.

（3）井壁管与井壁之间的环行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：

过滤器又称花管，是带有孔隙或缝隙的管段，与井壁管直接连接，安装在含水层中，其作用是集取地下水和阻挡含水层中的砂粒进入水层。

基本要求：

（1）过滤器要具有良好的透水性和阻砂性；

（2）过滤器要具有足够的强度和抗腐蚀性能；

（3）保护人工添砾层和含水层的稳定性。

4、沉淀管：

沉淀管位于管井的地部，用于沉淀进入井内的细小泥砂颗粒等沉淀物，一般为2-10m。

数据可参考下面数据：

井深（m）

16-30

31-90

>90

沉淀管长度（m）

不小于2

不小于5

不小于10

5过滤器设计

5．1　过滤器类型，应根据含水层的性质按下表进行管井过滤器类型选择

　┌────────────────┬──────────────────┐

　│　　　含水层性质　　│　　过滤器类型　　　　　│

　├───────┬────────┼──────────────────┤

　│　　│　岩层稳定　│（不安装过滤器）　　　　│

││岩层不稳定│骨架（或缠丝）过滤器│

│基　岩　├────────┼──────────────────┤

　││裂隙、溶洞有充填│缠丝过滤器、填砾过滤器│　　　　├────────┼──────────────────┤──────---───┤

│　│裂隙、溶洞无充填│骨架（或缠丝）过滤器（不安装过滤器）│

　├───────┼────────┼──────────-────────┤

　││颗粒直径＜2mm│填砾过滤器、缠丝过滤器　│

　│碎石土类├────────┼────────────-----──────┤

│　　│颗粒直径≥2mm│骨架（或缠丝）过滤器　　　│

　├───────┼────────┼─────────────---─────┤

　│　│粗砂、中砂│填砾过滤器、缠丝过滤器　　│

　│砂土类　├────────┼──────────────────-─┤

　│　│　细砂、粉砂│双层填砾过滤器、填砾过滤器　│

└───────┴────────┴───────────────----───┘　过滤器制作材料的选择，应根据地下水水质、受力条件和经济合理等因素确定。

　当地下水具有腐蚀性或容易结垢时，过滤器（管）的设计，应符合下列要求：

　　　　应采用耐腐蚀材料制作，当采用抗腐蚀性差的材料时，应作防腐蚀处理；

　　　　含水层颗粒组成较粗时，宜采用骨架过滤器；

　　　　缠丝过滤器的缠丝材料，宜采用不锈钢丝、铜丝或增强型聚乙烯滤水丝等。

2　在均质含水层中设计过滤器时，其长度应符合下列规定：

　　含水层厚度小于30m时，宜取含水层厚度或设计动水位以下含水层厚度；

　　　　含水层厚度大于30m时，宜根据含水层的富水性和设计出水量确定。

　非均质含水层中的过滤器，应安置在主要含水层部位，其长度应符合下列规定：

　　　层状非均质含水层，过滤器累计长度宜为30m；

　　　裂隙、溶洞含水层，过滤器累计长度宜为30～50m。

　　设计过滤管直径时，应根据设计出水量、过滤管长度、过滤管面层孔隙率和允许。

　过滤管进水流速确定。

　3缠丝过滤器的设计，应符合下列规定：

　　　　骨架管的穿孔形状、尺寸及排列方式，应按管材强度和加工工艺确定，孔隙率宜为15％～30％；

　　　　骨架管上应有纵向垫筋。

垫筋高度宜为6～8mm，垫筋其间距宜保证缠丝距管壁2～4mm，垫筋两端应设挡箍；

　　　　缠丝材料应采用无毒、耐腐、抗拉强度大和膨胀系数小的线材。

缠丝断面形状，宜为梯形或三角形；

　　　　缠丝不得松动。

缠丝间距允许偏差为设计丝距的±20％。

　缠丝过滤器的孔隙尺寸，应根据含水层的颗粒组成和均匀性确定，

6过滤器进水孔眼直径与空隙率

过滤器孔眼直径或宽度以其接触的含水层的颗粒粒径有关，孔眼大，进水通畅，但是挡砂效果差；反之，孔眼小，则挡砂效果好，但进水性能差。

过滤器的空隙率是指管壁圆孔或条孔德空隙率。

各种管材允许空隙率为：

钢管30%-35%，铸铁管18%-的空隙25%，钢筋混泥土10%-15%，塑料管10%，一般钢制圆孔、条孔过滤器的空隙率在30%以上，铸铁过滤器要求在23%以上。

过滤器的长度选择

（1）当含水层的厚度小于10m时，过滤器长度应与含水层厚度相等；

（2）当含水层很厚时，过滤器的长度按下式计算：

式中：

L------------过滤器的长度（m）；

------------热源井出水量（m3/和）；

d----------------过滤器的外径（mm），不填砾过滤器按照过滤器缠丝，或包网的外径计算；填砾层外径计算；

----------------------决定于含水层颗粒组成的经验系数，按下表确定。

含水层渗透系数

（m/d）

经验系数

含水层渗透系数

（m/d）

经验系数

2-5

90

15-30

50

5-15

60

30-70

30

四管井的施工

管井施工的程序应为：

钻凿井孔---物探测井------换浆-----井管安装---回填滤料----粘土封闭-----系井-------臭水河回灌试验-----管井验收。

1、钻凿井孔

钻凿井孔的方法主要有回转钻进和冲击钻进。

回转钻井使用回转钻机带动钻头旋转对地层切削、挤压、研磨破损而钻凿成井孔的。

其过程：

钻井的动力通过传动装置是转盘转动，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。

当钻井一个主钻杆深度之后，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，直至设计深度。

终孔直径应根据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于150mm；在中、细、粉砂层中，应大于200mm。

如果采用笼状提案砾过滤器时，孔径应比井管外径大300mm。

2、物探测井

井孔打成之后，马上需要物探测井，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。

即用钻井机将不带钻头的钻杆放入井底，用泥浆泵吸取清水大入井中，将泥浆换出，直至井孔全为清水为止。

4、井管安装

换浆完成之后，应立即进行井管安装，下管的顺序一般为沉淀管、过滤管、井壁管。

安装时候需注意：

（1）下管前应根据凿井资料，确定过滤器的长度和安装位置；

（2）可使用加扶正器的方法，保证井管在井口中竖直居中，一般每隔30-50m安装一个扶正器（一般用长约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，用钢丝缠牢。

）

5填砾和粘土封闭

下管完毕之后，应立即填砾和封闭质量的优劣，都直接影响管井的水量。

施工工程应注意以下几点：

（1）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；

（2）粘土封闭一般用粘土球，球径25mm；

（3）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，是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，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备件加以选用。

洗井的标准：

彻底破坏泥浆壁，将含水层中的残留的泥浆和岩土碎屑清除干净，当井水含沙量在1/50000-1/20000以下（1/50000以下适用粗砂地层，1/20000以下适用细砂地层）时，洗井合格。

抽水试验一般在洗井的同时进行，但要求稳定延续12h，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36h以上，回灌量应大于设计回灌量。

五地下水回灌

所谓地下水回灌，就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。

这样做可以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡；可以回灌储能，提供冷热源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水层水头压力，防止地面沉降。

目前，地下水源热泵空调系统的地下水回灌方法有三种：

真空回灌、重力回灌、压力回灌。

1、真空回灌

又称负压回灌，在具有密封装置的回灌井中，开泵扬水时，井管和管路充满地下水，然后关闭水泵使回灌井的水在重力作用下渗透入含水层，这样回灌井里随着水位下降就形成了真空，回灌水管路中的水靠真空吸入回灌井中。

适用于地下水埋藏较深，渗透性良好的含水层，由于回灌时，对井的滤水层冲击不强，所以很适宜老井。

2、重力回灌

重力回灌又称无压自流回灌。

他是依靠自然重力进行回灌，即依靠井中回灌水位和静水位之差。

此方法的优点是系统简单，它适用于低水位和渗透性良好的含水层。

目前采用这种回灌方式。

3、压力回灌

通过提高回灌水压的方法将热泵系统用后的地下水灌回含水层内，压力回灌适用于高水位和低渗透性的含水层和承压水层。

优点：

避免回灌的堵塞，也能维持稳定的回灌率，维持一定的压力可以避免外界空气侵入而引起地下水氧化；缺点：

回灌时，对井的过滤层和含砂层的冲击力强。

地下水灌抽比在理论上可以达到100%，但水文地质不同，往往影响到回灌量大小，对于不同地质条件下的地下水系统设计参数：

含水层类型

灌抽比（％）

井的布置

井的流量／（t/h）

砾石

>80

一抽一灌

200

中粗砂

50-70

一抽二灌

100

细砂

30-50

一抽三灌

50