CN208108527U - 一种利用浅层地热能的回灌系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种利用浅层地热能的回灌系统，回灌系统包括内嵌于地表土层的回灌池，回灌池底部开有若干渗水孔，渗水孔的正下方开挖有渗水井，渗水井远离回灌池的端口与含水层连通；渗水井内填充有滤料；回灌池两侧设有埋入地表以下的抽水井，抽水井的中下部设有滤水段，滤水段与含水层中的至少一层连通。本实用新型的有益效果为：减少回灌打井数量，节约因打井占用过多的土地面积，大大减少用地投入和经济投入；回灌量与取水量基本相同，有效避免水资源的浪费，同时避免因大量新建水源井抽空地质而造成地质灾害；水循环运行过程不产生污染物，避免对地下水环境产生污染。

Description

一种利用浅层地热能的回灌系统

技术领域

本实用新型属于清洁能源利用领域，特别涉及一种利用浅层地热能的回灌系统。

背景技术

随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热、空调已成为普遍需求。社会对环境保护的严苛要求，客观上对煤、气等供热的限制，为清洁能源代表之一的水源热泵系统得到广泛应用提供了广阔的发展空间。

水源热泵技术发展到今天，地面以上热泵系统的技术和设备已相当成熟，主要的技术瓶颈为地下水源的回灌问题。目前地下水回灌技术还不成熟，通常采用注入式回灌的方式，一般利用管井进行，采用无压(自流)、负压(真空)等方法。地下水管井回灌方式包括同井抽灌方式和异井抽灌方式，此两种回灌方式主要有如下表现：

同井抽灌方式是指从同一眼管井底部抽取地下水，送至热泵机组换热后，再由回水管送回同一眼井中。回灌水有一部分渗入含水层，另一部分与井水混合后再次被抽取送至机组换热，形成同一眼管井中井水循环利用。同井抽灌方式适合于地下含水层厚度大，渗透性好，水力坡度大，径流速度快的地区。其优点是节省了地下水源系统的管井数量，减少了一部分水源井的初投资。但是缺点是，在运行过程中，一部分回水和一部分出水发生短路现象，两者混合形成自循环，对水井出水温度影响很大。冬季供暖运行时，井水出水温度逐渐降低，夏季制冷运行时，井水出水温度逐渐升高。

异井抽灌方式是指从某一眼管井含水层中抽取地下水，送至热泵机组换热后，由回水管送至另一眼管井回灌到含水层中，从而形成局部地区抽灌井之间含水层中地下水与土壤热交换的循环利用系统。异井抽灌方式适合的水文地质条件比同井抽灌方式的范围宽。其优点是回灌量大于同井回灌。抽灌井之间有一定距离，回水温度对供水温度没有影响，不会导致机组运行效率下降，因而运行费用比同井抽灌方式低。冬季和夏季不同季节运行时，抽灌井可以切换使用。主要缺点是增加了地下水源系统的管井数量，增加了水源井的初投资。

同时上述两种回灌方式还存在回灌不畅的问题，所以原来普遍使用的给水井抽水井结构，不适应作为回灌井。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种利用浅层地热能的回灌系统。

本实用新型具体技术方案如下：

一种利用浅层地热能的回灌系统，所述回灌系统包括内嵌于地表土层的回灌池，所述回灌池底部开有若干渗水孔，所述渗水孔的正下方开挖有渗水井，所述渗水井远离所述回灌池的端口与地面以下的含水层连通；所述渗水井内填充有滤料；

所述回灌池两侧设有埋入地表以下的抽水井，所述抽水井的中下部设有滤水段，所述滤水段与所述含水层中的至少一层连通。

进一步的，所述渗水井包括由上至下依次连接的封水管段和渗水管段；所述封水管段位于地面以下岩土层段，所述渗水管段位于所述岩土层段下层的含水层段，所述封水管段和所述渗水管段内均填充所述滤料。

进一步的，所述滤料骨架的孔隙率大于或等于所述含水层的孔隙率。

进一步的，所述渗水管段中的滤料级配小于所述封水管段中所述滤料的级配；所述封水管段与所述渗水管段连接处的所述滤料沿所述封水管段至所述渗水管段的方向由粗到细分层且均匀过渡，直至与所述渗水管段中所述滤料的级配相同；

优选的，

所述含水层包括粉粒、细砂、中砂、粗砂中的任意一种时，所述滤料的粒径与所述含水层粒径的对应关系为：D50/d50＝6～8，其中，D50为滤料中粒径小于D50值的砂、砾石占总重量的50％；d50为含水层中粒径小于d50值的砂、砾石占总重量的50％；

所述含水层包括碎石土时，所述滤料的粒径与所述含水层粒径的对应关系为：D50/d20＝6～8，其中，d20为含水层中粒径小于d20值的砂、砾石占总重量的20％。

进一步的，所述含水层由上至下包括第一含水层、第二含水层和第三含水层，相邻所述含水层之间通过砾石层间隔；所述渗水井远离所述回灌池的端口与所述第一含水层连通。

进一步的，所述回灌池底部还包括：沿竖直方向设置的若干隔断板，所述隔断板将所述回灌池分割成若干独立的回灌区，任一所述隔断板上横向设置有连通相邻所述回灌区的连通管道。

进一步的，所述抽水井包括用于抽水的内井管和套接于所述内井管外部的外井管，所述内井管与所述外井管之间填充有防止回灌水进入所述内井管的止回水料。

进一步的，所述抽水井的井口外围砌有包裹所述抽水井井口的密闭井室，所述抽水井的管道贯穿所述密闭井室，所述密闭井室的顶部设置有井盖。

本实用新型的有益效果如下：

在满足回灌能力的情况下，使得现有庞大数量的各种回灌井高度集约化，减少回灌打井数量，节约因打井占用过多的土地面积，大大减少了初期回灌系统的用地投入和经济投入，提高社会效益；回灌量与取水量基本相同，有效避免水资源的浪费，同时避免因大量新建水源井抽空地质而造成地质灾害；水循环是在封闭管道中进行，运行过程不产生污染物，避免对地下水环境产生污染。

附图说明

图1为回灌池回灌技术原理图；

图2为回灌池俯视图；

图3为渗水井结构示意图；

图4为密闭井室结构示意图。

其中：1、回灌池；2、渗水孔；3、渗水井；301、封水管段；302、渗水管段；303、岩土层段；304、含水层段；4、滤料；5、抽水井；501、滤水段；502、内井管；503、外井管；6、止回水料；7、隔断板；8、连通管道；9、地表土层；10、第一含水层；11、第二含水层；12、第三含水层；13、密闭井室；14、井盖。

具体实施方式

下面结合附图和以下实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

根据本实用新型的实施例，提供了一种利用浅层地热能的回灌系统，如图1和图2所示。回灌系统包括内嵌于地表土层9的回灌池1，本实施例中，回灌池1的参数为宽5m、长40m、深2m。施工过程中，为避免浅表地下水以及雨水污染回灌水，优选的，回灌池1采取箱型一体式现场浇筑，在保证回灌池1的整体强度的同时提高回灌池1的防渗能力，有效防止污染隐患的发生。

当回灌池1中的水量偏少时，回灌压力降低，便于保证水位高度，确保回灌压力，进而对渗水井3形成较大的渗透压力，进一步优选的，回灌池1底部沿竖直方向设置有若干高度为0.5m-1m的隔断板7，隔断板7将回灌池1分割成若干独立的回灌区。本实施例中，回灌池1底部竖直方向设置有3个1m高的混凝土隔断板7，将回灌池1分割成4个独立的回灌区。为使进入回灌池1的回灌水水面在各个回灌区之间维持平衡，更进一步优选的，施工时，任一隔断板7上横向预埋有连通相邻回灌区的连通管道8。本实施例中，连通管道8的直径为20cm，位于隔断板7距池底20cm处，且每扇隔断板7上设置有2个连通管道8。

回灌池1底部开有若干渗水孔2，渗水孔2的正下方开挖有渗水井3，渗水井3远离回灌池1的端口与地面以下的含水层连通。其中，地面之下的含水层由上至下包括第一含水层10、第二含水层11和第三含水层12，相邻含水层之间通过砾石层间隔。渗水井的深度根据当地的地质情况而定，一般情况下，需要将第一个地表土层9予以封闭，连通第一含水层10，优选的，渗水井3远离回灌池1的端口与地面以下的第一含水层10连通。本实施例中，渗水井3沿渗水孔2向下深度为11米～20米。

渗水井3内填充有滤料4；回灌池1两侧设有埋入地表以下的抽水井5，抽水井5的中下部设有滤水段501，滤水段501与含水层中的至少一层连通。

本技术方案通过如下工程案例的实际应用加以证明。

2013年，遵化市龙华名苑总规划建筑面积30万平方米，采用水源热泵技术进行冬季采暖。结合前期工作经验和项目经验，通过计算可知，本项目的退水回灌要求为1317.34m³/h。本方案中该项目预计采用2个5m×40m×2m的回灌池1将水源热泵机组退水回灌到地下。其中一个回灌池1中分4个分区，每个分区由1m高混凝土隔断板7相隔，每个隔断板7距池底20cm处预埋有2根直径20cm的连通管道8，使4个分区相互连通；另一回灌池1无分区。每个回灌池1各布置106眼抽水井5，抽水井5的内径为0.5m、井深19m。

为了验证项目所设回渗池1的回灌能力可以满足水源热泵系统退水要求，进行了相应的回灌试验，试验回灌量分别为300m³/h和500m³/h。

在无分区的回灌池1中进行回灌量为300m³/h的回灌试验，试验时间为2013年冬季供暖期，持续回灌120天。通过试验结果可知，回灌池1底部无积水现象发生，可以证明回灌池1的回灌能力大于300m³/h。

2014年11月7～9日对有分区的回灌池1进行以回灌量为500m³/h的回灌试验，试验时间持续48.5h，总回灌水量22154m³，平均每小时回灌水量为456.8m³。通过回灌试验，回灌水量无从第1分区溢流到其它3个分区，回灌水量绝大部分由第1分区渗入到地下，且试验结束时只有第1分区底部存有8cm的积水，则估算该回灌池1的第1分区回灌能力小于500m³/h，照此计算整个回灌池1的回灌能力将不足2000m³/h。但考虑回灌池1的4个分区在同时入渗情况下相互间的影响，保守估算回灌池1整体回灌能力约为1000m³/h。

由上述分析可知，两座回灌池1回灌能力共约为2000m³/h，能满足该项目1317.34m³/h退水的回灌要求。

该系统在能量交换的过程中，水量基本没有损失，年退水量等于年取水量159.4万m³(不考虑漏失和回扬损失)。考虑水源热泵机组全年运行121天，每天运行10h，则退水量为1317.34m³/h。水源热泵机组系统用水是在封闭的管道中循环，基本没有与其他介质接触，减少了污染环节，不产生任何污染物，避免了对地下水环境产生污染。

水源热泵系统使用后的地下水，通过管道进入回灌池1进而回灌到地下含水层中，回灌量与取水量基本相同，回灌含水层组与抽取含水层组位于同一含水层组，开采、循环、回灌过程为全封闭式。地下水源热泵机组的运行不产生任何废水、废渣、废气和烟尘，对周围环境污染较小。

实施例2

实施例2在实施例1的基础上，进一步限定了渗水井3包括由上至下依次连接的封水管段301和渗水管段302，封水管段301不透水，主要安装在位于地面以下不需要进水的岩土层段303，其功能是加固井壁和隔离水分渗入。渗水管段位于岩土层段303下层的含水层段304，封水管段301和渗水管段302内均填充滤料4，主要功能是增加渗透率，提高回灌效果。如图3所示。

滤料的级配与渗水井3底部接触的含水层中的颗粒孔径相关，级配较大，进水通畅，但挡砂效果差；反之级配较小，则挡砂效果好，但进水能力较差。滤料骨架的孔隙率大于或等于含水层的孔隙率。

另外，根据滤料4的形状和成分对回灌效果的影响，优选的，滤料4应以圆形、卵圆形为佳，禁止使用菱角状碎石渣。

另外，在砂类土含水层中应尽量加大所填充滤料4的厚度。

通过对地下含水层成分的分析，根据相应公式可以计算出所填充滤料4的粒径大小。优选的，含水层包括粉粒、细砂、中砂、粗砂中的任意一种时，滤料4的粒径与含水层粒径的对应关系为：D50/d50＝6～8，其中，D50为滤料中粒径小于D50值的砂、砾石占总重量的50％；d50为含水层中粒径小于d50值的砂、砾石占总重量的50％。

含水层包括碎石土时，滤料4的粒径与含水层粒径的对应关系为：D50/d20＝6～8，其中，d20为含水层中粒径小于d20值的砂、砾石占总重量的20％。

本实施例中，通过对地下含水层成分的分析，该地区含水层为粗砂含水层，水份下渗速度快，可充分使回灌含水层水量下渗。根据计算公式D50/d50＝6～8，式中：D50为人工回填滤料4中粒径小于D50值的砂、砾石占总重量的50％，d50为含水层中粒径小于d50值的砂、砾石占总重量的50％，可计算出所填充滤料4的粒径大小。优选的，封水管段301中的滤料4级配为粗粒径，该粗粒径的直径大于0.5mm小于或等于2mm，以确保渗水通畅。渗水管段302为防止涌砂且保持含水层的稳定性，优选的，渗水管段302中的滤料级配小于封水管段301中的滤料级配，本实施例中，渗水管段302中的滤料4级配为细粒径，该细粒径的直径大于0.075mm小于或等于0.25mm。封水管段301与渗水管段302连接处的滤料4沿封水管段301至渗水管段302的方向由粗到细分层且均匀过渡，直至与渗水管段302中滤料4的级配相同。

渗水井3可以通过两种途径进行施工：一种是机械施工式，通过旋挖机施工，施工同时将所填充的滤料4送至渗水井3内填实；另一种是人工挖掘式，采用人工挖掘，边挖掘边砌筑井壁，最终成井后填充滤料4。施工方式根据具体建造情况和施工要求进行合理选择。

实施例3

实施例3在实施例1或实施例2的基础上，为配合回灌池1进行辅助回灌，进一步限定了抽水井5包括用于抽水的内井管502和套接于内井管502外部的外井管503，为了保证抽水温度，回灌水不允许回到内井管502，优选的，内井管502与外井管503之间填充有防止回灌水进入内井管502的止回水料6。本实施例中，抽水井5在打井取样时，抽水井5对应相应深度的原地质结构中的地质成分作为止回水料6。由于地下水位的降低，上部原含水层已基本疏干，地层结构松散，具有很好的透水性。回灌水通过内井管502与外井管503之间进行回灌并通过外井管503的管壁向地层渗透。如图1所示。

与传统给水管井透水结构相比，抽水井5具有强度高，抗挤压不变形的特点。尤其是滤水段501还具有透水性强、阻力小的优势，回灌水中的发黏胶状物堵塞不了滤水段501的透水间隙，达到回灌迅速畅通的效果。

为实现减少水源水含氧量增加的几率，最大限度的保障回灌效果。更进一步的，抽水井5的井口外围砌有包裹抽水井5井口的密闭井室13，抽水井管道贯穿密闭井室13，密闭井室13的围墙采用砖砌结构，底部和顶部采用混凝土浇筑而成。密闭井室13的顶部设置有井盖14，井口留作维修人员进出密闭井室13，用于对抽水井口装置进行安装和维修使用，如图4所示。

在回灌过程中，以回灌井为中心的“水丘”直径会逐步增大，“水丘”半径也就是过水通道的长度。随着长度的增加，回灌量会逐步降低。如果井口密封，则回灌压力会逐步提高，进一步导致回灌量的降低。“水丘”消除后，回灌量会恢复。现有技术中回灌井间隔较远，形成若干个独立的“水丘”，从而大大降低单位时间的回灌能力，影响回灌效率。本实用新型中，若干渗水井3间隔较小，均匀分布于回灌池1的下方连通回灌水和地下含水层，形成一个出水口直径很大的一体式回灌井，从而增大过水断面面积；同时，由于回灌池技术中渗水井3的数量少于现有技术中渗水井的数量，相应也减小了“水丘”直径，降低了水渗透的阻力。根据达西定律可知，本实用新型较现有技术单位时间内提高了回灌流量。

本实用新型的有益效果为：

在满足回灌能力的情况下，使得现有庞大数量的各种回灌井高度集约化，减少回灌打井数量，节约因打井占用过多的土地面积，大大减少了初期回灌系统的用地投入和经济投入，提高社会效益；回灌量与取水量基本相同，有效避免水资源的浪费，同时避免因大量新建水源井抽空地质而造成地质灾害；水循环是在封闭管道中进行，运行过程不产生污染物，避免对地下水环境产生污染。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述回灌系统包括内嵌于地表土层(9)的回灌池(1)，所述回灌池(1)底部开有若干渗水孔(2)，所述渗水孔(2)的正下方开挖有渗水井(3)，所述渗水井(3)远离所述回灌池(1)的端口与地面以下的含水层连通；所述渗水井(3)内填充有滤料(4)；

所述回灌池(1)两侧设有埋入地表以下的抽水井(5)，所述抽水井(5)的中下部设有滤水段(501)，所述滤水段(501)与所述含水层中的至少一层连通。

2.根据权利要求1所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述渗水井(3)包括由上至下依次连接的封水管段(301)和渗水管段(302)；所述封水管段(301)位于地面以下岩土层段(303)，所述渗水管段(302)位于所述岩土层段(303)下层的含水层段(304)，所述封水管段(301)和所述渗水管段(302)内均填充所述滤料(4)。

3.根据权利要求2所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述滤料(4)骨架的孔隙率大于或等于所述含水层的孔隙率。

4.根据权利要求3所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述渗水管段(302)中的滤料(4)级配小于所述封水管段(301)中所述滤料(4)的级配；所述封水管段(301)与所述渗水管段(302)连接处的所述滤料(4)沿所述封水管段(301)至所述渗水管段(302)的方向由粗到细分层且均匀过渡，直至与所述渗水管段(302)中所述滤料(4)的级配相同；

优选的，

所述含水层包括粉粒、细砂、中砂、粗砂中的任意一种时，所述滤料(4)的粒径与所述含水层粒径的对应关系为：D50/d50＝6～8，其中，D50为滤料中粒径小于D50值的砂、砾石占总重量的50％；d50为含水层中粒径小于d50值的砂、砾石占总重量的50％；

所述含水层包括碎石土时，所述滤料(4)的粒径与所述含水层粒径的对应关系为：D50/d20＝6～8，其中，d20为含水层中粒径小于d20值的砂、砾石占总重量的20％。

5.根据权利要求1-4任一所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述含水层由上至下包括第一含水层(10)、第二含水层(11)和第三含水层(12)，相邻所述含水层之间通过砾石层间隔；所述渗水井(3)远离所述回灌池(1)的端口与所述第一含水层(10)连通。

6.根据权利要求1所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述回灌池(1)底部还包括：沿竖直方向设置的若干隔断板(7)，所述隔断板(7)将所述回灌池分割成若干独立的回灌区，任一所述隔断板(7)上横向设置有连通相邻所述回灌区的连通管道(8)。

7.根据权利要求1所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述抽水井(5)包括用于抽水的内井管(502)和套接于所述内井管(502)外部的外井管(503)，所述内井管(502)与所述外井管(503)之间填充有防止回灌水进入所述内井管(502)的止回水料(6)。

8.根据权利要求1所述的利用浅层地热能的回灌系统，其特征在于，所述抽水井(5)的井口外围砌有包裹所述抽水井(5)井口的密闭井室(13)，所述抽水井(5)的管道贯穿所述密闭井室(13)，所述密闭井室(13)的顶部设置有井盖(14)。