天津市地下水源熱泵系統回灌能力研究

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集團有限公司,天津 300061:3.天津市地質調查研究院,天津 300191)

0 引言

2020 年,我國正式提出了碳達峰、碳中和(“雙碳”)戰略目標,以積極應對氣候變化并著力化解資源環境約束。天津市是我國能源消耗密集區[1],能耗和碳排放強度較高,產業低碳轉型以及結構性調整面臨挑戰。為實現“雙碳”目標,天津市大力推進能源結構優化,因地制宜推進淺層地溫(熱)能開發利用。

淺層地溫( 熱) 能是一種可再生的新型環保能源,地下水源熱泵系統是基于地下水作為地溫交換媒介的淺層地熱能開發利用的一種方式,具有熱源溫度恒定、節能環保、開發利用簡單、運行管理方便等優點。截至2021年天津市地下水源熱泵系統已建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。地下水源熱泵系統運行中為避免地下水資源造成浪費,抽取的地下水應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境地質問題,影響地下水源熱泵系統良性發展。

1 天津市地下水源熱泵系統回灌狀況

1.1 回灌狀況

天津市大多數地下水源熱泵系統采用井管無壓自流式回灌,當回灌水位接近井口時或定期的進行回揚。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、紅光中學短期內也存在異層采灌的現象,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)多采用頻繁回揚,如:海泰大廈、東方之珠王頂堤店、海河大廈等。

表1 天津市2020-2021年供熱期水源熱泵系統回灌及回揚情況

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特征

有關研究表明,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上升[3]。通過對南開大學綜合樓回灌監測,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,經過近30 d的回灌,回灌水位仍呈線性的上升趨勢,當回灌量改為21 m3/h左右時,經過約20 d時間,地下水位達到相對穩定狀況,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,經過近30 d的回灌,回灌水位仍呈線性的上升趨勢,當回灌量改為21 m3/h左右時,經過約20 d時間,地下水位達到相對穩定狀況,靜水位埋深1.5 m左右(圖1、圖2)。

圖1 南開大學深2回灌井回灌量及水位埋深動態圖

圖2 南開大學淺3回灌井回灌量及水位埋深動態圖

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

2 回灌能力表征指標

為簡捷、準確的分析評估地下水源熱泵井的回灌能力,在已有水文地質相關參數的基礎上,引入回灌率、單位灌采比、回灌能力表征指標。

2.1 回灌率

回灌率(R灌)[5]是在某一采灌期內,源熱泵系統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回揚為回揚水量(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消耗掉的地下水水量越小。由于系統運行過程中管道的跑冒滴漏、系統起動初期的排砂、部分系統應用地下水供應熱水、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]到回揚水量一般都直接排放,因此在計算回灌率時減去回揚水量。

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):往井中灌水經過一段時間,當回灌水位相對穩定時,單位時間內每上升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,當地下水位達到相對穩定,單位時間內地下水位每下降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,當地下水位上升至井口,但未溢出,且在一定時期內水位保持相對穩定時的回灌水量。

3 結果分析

3.1 回灌能力分析

通過對南開大學綜合樓與醫科大第二醫院地下水源熱泵系統分析,南開大學綜合樓回灌井單位回灌量在0.94～1.63 m3/h·m之間,醫科大第二醫院回灌井單位回灌量在0.63～1.12 m3/h·m之間。單位灌采比,南開大學綜合樓0.27～0.56之間,醫科大第二醫院0.31～0.50之間。單井回灌能力與水源熱泵井的單位回灌量、穩定水位埋深有線性相關性,即穩定水位埋深越小(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 醫科大第二醫院地下水源熱泵系統回灌井表征指標值

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回灌量的一個重要因素。當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,如南開大學綜合樓等。地層水文地質條件,成井工藝、熱泵系統的運行管理對單井回灌量都有很大的影響。

(2)當一抽多灌時,由于單井回灌量較小,可顯著的提高回灌量,如南開大學綜合樓、醫科大第二醫院、紅光中學。

(3)回揚對地下水的回灌率影響很大。每天回揚一次,總體回灌率可保持在90%以上,如海泰大廈;每周回揚一次,總體回灌率可持續在95%以上,如醫科大第二醫院。若長時間不回揚或操作不規范,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 結語

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

(2)根據實際調查結果,目前階段天津地區地下水源熱泵系統的回灌率多在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)在已有水文地質相關參數的基礎上,重新引入地下水源熱泵系統的回灌率、單位灌采比、單井回灌能力等指標,可簡捷、準確評估地下水源熱泵井的回灌能力。

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