天津市地下水源熱泵系統(tǒng)回灌能力研究

柴成繁,李 泰,王亞斌

(1.天津市水文水資源管理中心,天津 300061;2.中建六局水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司,天津 300061:3.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院,天津 300191)

0 引言

2020 年,我國正式提出了碳達(dá)峰、碳中和(“雙碳”)戰(zhàn)略目標(biāo),以積極應(yīng)對氣候變化并著力化解資源環(huán)境約束。天津市是我國能源消耗密集區(qū)[1],能耗和碳排放強度較高,產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型以及結(jié)構(gòu)性調(diào)整面臨挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),天津市大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,因地制宜推進(jìn)淺層地溫(熱)能開發(fā)利用。

淺層地溫( 熱) 能是一種可再生的新型環(huán)保能源,地下水源熱泵系統(tǒng)是基于地下水作為地溫交換媒介的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的一種方式,具有熱源溫度恒定、節(jié)能環(huán)保、開發(fā)利用簡單、運行管理方便等優(yōu)點。截至2021年天津市地下水源熱泵系統(tǒng)已建68個,供暖(冷)面積220×104m2,主要以第Ⅱ至第Ⅴ含水組松散巖地層(底板深度在100～500 m)作為熱源井采灌層位,地下水開采量約在3 200×104m2/a。地下水源熱泵系統(tǒng)運行中為避免地下水資源造成浪費,抽取的地下水應(yīng)全部回灌到同一含水層[2],但實際存在抽取的水量不能完全回灌的情況,造成較大的地下水資源浪費或引起其它環(huán)境地質(zhì)問題,影響地下水源熱泵系統(tǒng)良性發(fā)展。

1 天津市地下水源熱泵系統(tǒng)回灌狀況

1.1 回灌狀況

天津市大多數(shù)地下水源熱泵系統(tǒng)采用井管無壓自流式回灌,當(dāng)回灌水位接近井口時或定期的進(jìn)行回?fù)P。為了保證抽水量最大程度的回灌回地下去,古文化街、南開大學(xué)綜合樓、綠色飯店等單位的都采用異層采灌的方式,海河大廈、紅光中學(xué)短期內(nèi)也存在異層采灌的現(xiàn)象,其余采取同層采灌條方式。

如表1所示,2020-2021年供熱期地下水源熱泵系統(tǒng)回灌率多在90%以上,單井回灌量多在20～40 m3/h之間,大部分用戶的單井回灌量在40 m3/h以下,可維持較長時間回灌的水量在30 m3/h左右。單井回灌量較大的用戶(大于40 m3/h)多采用頻繁回?fù)P,如:海泰大廈、東方之珠王頂?shù)痰辍⒑：哟髲B等。

表1 天津市2020-2021年供熱期水源熱泵系統(tǒng)回灌及回?fù)P情況

深層含水組回灌井由于地下水位埋深大,其回灌量總體上大于相對較淺層的含水組回灌井。第Ⅳ含水組回灌井的回灌量多超過30 m3/h,而第Ⅱ+Ⅲ組含水組回灌井的回灌量多在30 m3/h之下。

1.2 回灌過程中的地下水位動態(tài)特征

有關(guān)研究表明,回灌井在回灌時會在井筒周圍形成一個滲透性降低的地帶,造成回灌水位的持續(xù)上升[3]。通過對南開大學(xué)綜合樓回灌監(jiān)測,深2回灌井靜止水位約82 m,在2020年11月至12月間,回灌量為33 m3/h左右時,經(jīng)過近30 d的回灌,回灌水位仍呈線性的上升趨勢,當(dāng)回灌量改為21 m3/h左右時,經(jīng)過約20 d時間,地下水位達(dá)到相對穩(wěn)定狀況,靜水位埋深33.5 m左右。淺3回灌井靜止水位約22 m,回灌量為33 m3/h左右時,經(jīng)過近30 d的回灌,回灌水位仍呈線性的上升趨勢,當(dāng)回灌量改為21 m3/h左右時,經(jīng)過約20 d時間,地下水位達(dá)到相對穩(wěn)定狀況,靜水位埋深1.5 m左右(圖1、圖2)。

圖1 南開大學(xué)深2回灌井回灌量及水位埋深動態(tài)圖

圖2 南開大學(xué)淺3回灌井回灌量及水位埋深動態(tài)圖

通過對天津地區(qū)地下熱水回灌過程的研究,回灌過程中滲透系數(shù)是衰減的,且服從衰減方程K = K0e-λt(K0為滲透系數(shù)初始值,λ為滲透系數(shù)衰減系數(shù))[4]。地下水回灌過程中,回灌量存在一個臨界值,當(dāng)回灌量超過臨界值時,回灌井內(nèi)地下水位是一直持續(xù)上升,當(dāng)回灌量未超過臨界值時,地下水位在一定時間段時可以達(dá)到相對穩(wěn)定。在地下水回灌過程中,回灌水位達(dá)到穩(wěn)定狀況的時間遠(yuǎn)超過同樣條件下的抽水過程。

2 回灌能力表征指標(biāo)

為簡捷、準(zhǔn)確的分析評估地下水源熱泵井的回灌能力,在已有水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,引入回灌率、單位灌采比、回灌能力表征指標(biāo)。

2.1 回灌率

回灌率(R灌)[5]是在某一采灌期內(nèi),源熱泵系統(tǒng)回灌入地層的地下水量與采出的地下水量之比,用以表征地下水源熱泵系統(tǒng)運行過程中地下水的損耗,其計算公式為:

(1)

式中:Q灌為回灌水量(m3);Q回?fù)P為回?fù)P水量(m3);Q采為抽水井采出的水量(m3)。

回灌率越大,則該井水源熱泵系統(tǒng)消耗掉的地下水水量越小。由于系統(tǒng)運行過程中管道的跑冒滴漏、系統(tǒng)起動初期的排砂、部分系統(tǒng)應(yīng)用地下水供應(yīng)熱水、個別用戶回灌困難時的人為排放等原因,回灌水量一般小于抽水量?？紤]到回?fù)P水量一般都直接排放,因此在計算回灌率時減去回?fù)P水量。

2.2 單位灌采比

為研究灌采井抽水能力與回灌能力的關(guān)系,引入單位灌采比(k)的概念,定義為同一地下水源熱泵井單位回灌量與單位采水量之比[6]。

(2)

式中:q灌為單位回灌量(m3/h·m);q出為單位出水量(m3/h·m)

單位回灌量(q灌):往井中灌水經(jīng)過一段時間,當(dāng)回灌水位相對穩(wěn)定時,單位時間內(nèi)每上升1.0 m,所能灌入的水量。其計算公式為:

(3)

式中:Q灌為回灌量(m3/h);S為井中的水位升幅(m)。

單位出水量(q出):水井抽水,當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到相對穩(wěn)定,單位時間內(nèi)地下水位每下降1.0 m,所能抽出的水量。其計算公式為:

(4)

式中:q出為抽水井的單位出水量(m3/h);Q抽為抽水井中的水位降深(m)

2.3 單井回灌能力

為研究回灌井的可持續(xù)回灌的最大回灌水量,引入單井回灌能力的概念,指在自流回灌過程中,當(dāng)?shù)叵滤簧仙辆?但未溢出,且在一定時期內(nèi)水位保持相對穩(wěn)定時的回灌水量。

3 結(jié)果分析

3.1 回灌能力分析

通過對南開大學(xué)綜合樓與醫(yī)科大第二醫(yī)院地下水源熱泵系統(tǒng)分析,南開大學(xué)綜合樓回灌井單位回灌量在0.94～1.63 m3/h·m之間,醫(yī)科大第二醫(yī)院回灌井單位回灌量在0.63～1.12 m3/h·m之間。單位灌采比,南開大學(xué)綜合樓0.27～0.56之間,醫(yī)科大第二醫(yī)院0.31～0.50之間。單井回灌能力與水源熱泵井的單位回灌量、穩(wěn)定水位埋深有線性相關(guān)性,即穩(wěn)定水位埋深越小(水位回升高度越大)單位回灌量、單位灌采比、回灌量(單井回灌能力)越大(表2、表3)。

表3 醫(yī)科大第二醫(yī)院地下水源熱泵系統(tǒng)回灌井表征指標(biāo)值

3.2 影響地下水回灌量的因素分析

(1)單井回灌量是影響井水源熱泵系統(tǒng)回灌量的一個重要因素。當(dāng)單井回灌量超過井的回灌能力時,造成地下水資源浪費和回灌率低下,如海河大廈第Ⅳ含水組采灌井組,或不得不采用異層采灌方式,如南開大學(xué)綜合樓等。地層水文地質(zhì)條件,成井工藝、熱泵系統(tǒng)的運行管理對單井回灌量都有很大的影響。

(2)當(dāng)一抽多灌時,由于單井回灌量較小,可顯著的提高回灌量,如南開大學(xué)綜合樓、醫(yī)科大第二醫(yī)院、紅光中學(xué)。

(3)回?fù)P對地下水的回灌率影響很大。每天回?fù)P一次,總體回灌率可保持在90%以上,如海泰大廈;每周回?fù)P一次,總體回灌率可持續(xù)在95%以上,如醫(yī)科大第二醫(yī)院。若長時間不回?fù)P或操作不規(guī)范,則易造成回灌井跑水,回灌率降低,如地礦珠寶回灌率只有86%。

4 結(jié)語

(1)采用合理的回灌量時,在一定條件和時間段內(nèi),熱泵井回灌水位可以達(dá)到相對穩(wěn)定,回灌水位達(dá)到穩(wěn)定狀況的時間遠(yuǎn)超過同樣條件下的抽水過程。

(2)根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果,目前階段天津地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌率多在90%以上,單井的回灌量多在20～40 m3/h之間,可維持較長時間回灌的水量在30 m3/h左右。

(3)在已有水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,重新引入地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌率、單位灌采比、單井回灌能力等指標(biāo),可簡捷、準(zhǔn)確評估地下水源熱泵井的回灌能力。

(4)含水層水文地質(zhì)條件、成井工藝、回灌方式方法以及運行維護(hù)管理都可影響到地下水源熱泵系統(tǒng)回灌效果。