水源熱泵是一種利用地下水的高效節能空調系統，通過輸入少量高品位能源（如電能），實現低品位能源向高品位轉移，實現冬季供暖和夏季制冷。

早在90年代初期，天津市城市節水辦公室工程技術人員就會同有關單位，就管井井身結構、井口及泵管密封裝置，回灌工藝方法、流程等方面進行技術公關，其中，“管井灌采儲能試驗研究”課題獲得成果，并獲得市建委科技進步二等獎。如何把原有的研究成果迅速轉變成為生產力，也就是被國內外有關組織稱之為經濟、綠色無污染的地源熱泵技術相結合，迅速促進本市及濱海地區的經濟騰飛與環境的改善任務，擺在了我們面前。因此，天津市金大地能源工程技術有限公司與天津市新技術產業園區房地產有限公司聯合在2001年開展了“管井灌采地下水應用于冷暖空調系統的實驗研究”課題的攻關，全面解決了人工回灌核心技術。

天津地區為濱海沖擊平原的下游，第四層由巨厚的松散的沉積物構成，含水層巖性以粉細砂為主，一般情況下，粒度自上而下由細變粗，滲透系統細數影響半徑亦隨深度增加而變大，地下水溫度逐漸升高。

課題試驗選擇在天津市西南部新技術產業園華苑產業區內，解決1.2萬平方米辦公大樓“海泰大廈”冷暖空調問題開展的研究。根據其 “海泰大廈”1.2萬平方米冷暖負荷所需水量，水溫的需求，選擇了330-400米承壓含水層為灌采目的層。如圖1所示，開鑿了兩眼灌采井，井通孔孔徑∮600毫米；上部泵室端∮325毫米井管，長度約180米，下部井管直徑∮219毫米，對井井距46米。

如圖2所示，濾水管采用籠狀雙層填礫過濾器（兩層濾網均為約翰遜式）。內層為∮244毫米低碳鋼塑料噴涂濾網，纏絲間隙1.5毫米，孔隙率34%外層濾網形式與同層濾網相同，直徑∮343毫米，纏絲間隙1.0毫米，孔隙率26.6%：雙層濾網之間充填2-3毫米的石英砂。濾水管與井壁之間的環狀間隙充填1.5-5.0毫米的石英砂，充填高度高于頂層濾水管以上20-30米。

圖1 灌采井結構簡圖

圖2 灌采井井身結構圖

為保證回灌量，濾水管長度（即采水高度）不少于35米。首先用∮430毫米魚尾或三翼刮刀式鉆頭鉆至設計深度，然后用用∮600毫米牙輪拼裝擴孔鉆頭進行擴孔，擴孔中反復劃孔不少于二遍，以保證孔徑規格。鉆井中嚴格控制鉆壓，均勻給進確保鉆孔垂直度，以確保濾水管周圍有厚度均勻的填礫層。成孔后利用電測方法確定采水目的層位置。對采水層采用筒狀園牙鉆具進行壁刮切，以保證透水層通暢。經泥漿調整后下管，下管后進行不少于24小時的充分換漿，待泥漿比重稀釋至1.08g/cm³后再進行填礫。填礫沿井孔四周均勻緩慢填入，當證實填礫厚度滿足要求后，先經一階段洗井，洗井中丈量填礫高度，如有降落還須補填。然后用紅粘土進行上部井孔封閉。

洗井采用先活塞后拉負壓二種方法進行。二種方法均分層、逐段清洗，時間不少于72小時，至水清砂凈為止。

（1）井孔孔徑大于600毫米，配合使用雙濾網過濾器使過水斷面增大，利于增加井的采、灌量。由于濾網內的礫料相對固定，不因采、灌時的雙向流水沖擊作用改變原有的排列順序，故而能保持 管井長期的灌采運行。

（2）雙層濾網內的預填2-3毫米礫料和管外間隙充填的1.5-5.0毫米礫料形成梯級填礫反濾層，不僅可以阻擋采水和回揚水時細顆粒進入井內，而且保證了25%的孔隙率。

（3）填礫高度高于頂部濾水管20-30m,可以防止因長期抽灌虧砂，粘土下滑阻塞含水層。

（4）洗井采用正壓活塞洗井和負壓的復合式洗井方法，洗井較為徹底，達到了基本清除泥皮、水清砂凈，增加單位出水量的效果。

（5）在井管一定深度安裝水位測管，可以在運行中隨時進行水位觀測，掌握井的運行狀況。

經過穩定8小時以上連續抽水試驗，其成井結果如下：

東井：出水量93t/h

靜水位：91m

動水位：109m

單位出水量：5.1t/(h•m)

含砂量：﹤1/20000

井口水溫:23.8℃(連續抽水24小時后測)

西井：出水量：95t/h

      靜水位：90.4m

      動水位：111.0m

單位出水量：4.61t/(h•m)

經過測試證實，二井為同灌采井，由于采用了適合濱海地區粉細砂含水層灌采需要，采用了全新的成井結構及施工工藝，成井質量較好，為后來灌采試驗運行打下了重要基礎。

地面裝置是指采、灌管井的配套設施，安裝在機房內，地表上和管井相連接的管路部分。管路系統是壓力回灌試驗工程的主要設施之一，由輸水管線、回灌管段、排水回揚管段，共用關斷、井口及泵管密封裝置和測水位管等部分構成，他們各具功能，閥門調控，形成一個完整的管路體系，如圖3所示。

圖3 灌采井地面裝置圖

現就上述管路系統的各部分，作如下說明：

（1）輸水管段是連接其送水管段至旋液除砂過濾器的管段，其作用是向熱泵機組輸送地下水。

（2）泵管回灌管段是通過BH連接泵管與機組排水管的管段，其作用是將機組排水通過水泵管回灌至地下。

（3）回揚管段是連接在輸水管線上通過XP（西井）、DP(東井)進行排污揚水的管段。其作用是將開泵初始時的污水及揚水拉真空時廢水的排放。

（4）回灌管段是JH1(西井)、JH2(東井)連接井管與機組排水管的管段，其作用是將機組尾水通過井管回灌至地下。

（5）密封裝置是封閉井口的專用設施。由井口法蘭，膠墊、密封盤、出水彎頭、潛水泵動電纜密封口、自動排氣閥、壓力表、溫度表等組成。安裝于井口其下部連接潛水泵管，上部連接輸水管線的口.其作用除輸水與泵管回灌的通道外，主要是封閉井口，防止壓力回灌時造成回灌水外溢，并且在泵管真空回灌時不發生泄漏，維持泵管及管道內的真空度。

（6）測水位管下口在井管140米處焊接￠62毫米無縫鋼管至地面以上，以便在井口密封的情況下能測量水位。密封是真空回灌的一個關鍵問題。密封不好在真空回灌時就不可能形成真空，就無法利用虹吸原理產生水頭差進行回灌，或者會使空氣吸入含水層中造成氣相賭賽現象，影響回灌的者正常進行。

真空回灌需要密封的部位主要有泵管接頭、井口法蘭、閘閥、泵管上安裝的壓力表、溫度計等聯接組成，如圖4所示。

1.井管壓力表 2.自動排氣閥 3.井口密封盤 4.溫度計 5.井口萬向彎頭
6.萬向發蘭 7.潛水泵電纜出口密封 8.井管發蘭 9.井管 10.井管與測管連通管
11.泵管 12.深井測管 13.高壓球閥 14.高壓由任 15.水位儀 16.測水位電纜
17.測水位探頭 18.測管電纜密封 19.連通管解門 20.泵管真空壓力表 21.井口密封膠墊
圖4 真空管密封部位連接圖

本地面管道裝置是我們通過多年來在實踐經驗中積累的條件下，經多種對比后的設計成果。其特點是是結構簡單、控制有效，操作方便。通過對外地泵房設施的考查，反映出天津市泵房地面裝置是最為簡單合理的。

2.2.1 真空回灌

真空回灌是指在泵管內形成一0.1Mpa壓力的條件下，由泵管將回灌水灌入井下含水層的一種方法，在真空回灌過程中，最忌諱空氣進入井內。但是，絕對密封是難以達到的，回灌是或多或少會有點漏氣。應該用真空表測定管道內真空度大小。一般認為：真空度為-0.06-0.07Mpa時，密封效果好；當真空度小于-0.05Mpa時，密封程度差，應立即維修，補漏。當回揚后停泵、關閉制閥門,則真空表顯示負壓，如小于-0，06Mpa這時并不能認為密封效果已經很好，需在8小時后基本保持不變或末下降至0，05Mpa以下，才可以進行真空回灌。

除上述外，真空回灌還應注意以下事項：

（1）必須定期回揚，回揚時間很據回灌井暢通情況而定，一般一天回揚一次。每次20-40分鐘，至水清砂凈。

（2）回灌井初期使用時回灌量應由小到大逐漸增加，以免因反向水流作用過大，沖擊過濾層造成通水不暢。

（3）注意停灌期的保養管理工作，至少每15天回揚一次，以保證水流暢通，防止井內水質變更和濾網被堵。

灌采互用井應每年洗井一次，以防止濾水層累計淤塞，影響井的使用壽命。

2.2.2 壓力回灌

壓力回灌的操作方法與真空回灌大致相同。但其有井管回灌的特點，當井管內存有大量空氣時，必須排凈。否則空氣會進入井內，造成氣相阻塞。

因為加壓回灌必須采用加壓設備、消耗能源。一般情況下在負壓可以回灌的情況下，不宜采用。故此，對本方法不再細述。

為完成回灌技術實驗，并將其應用到地源熱泵設備進行采暖和制冷。我們在天津新技術產業園區“海泰大廈”項目上進行了實驗。“海泰大廈”為六層框架建筑，總建筑面積1.2萬平方米，建筑高度23.7米。于2001年11月12日正式為大廈供熱。2002年3月15日結束，2002年6月3日-8月9日進行夏季制冷試驗。使用開鑿的兩眼400米左右的東井和西井進行灌采使用。兩眼井井距46米，白天工作11小時，大廈內部的末端系統采用風機盤管，經過一個冬季92天和夏季49天的運行，其效果非常理想，超過了預計的效果。

3.1 冬季運行情況，因為灌采井初投入使用，為將井內殘留的泥漿排除，保證新鑿井的壽命，對定位當季回灌井制定三個不同的運行階段：

（1）自2001年11月12日至12月17日的32天為洗井排水期，達到了清洗井的效果，將井內殘留泥漿排除井外，達到出水清澈。此期間總采水量16200立方米，采水溫度23.9℃。

（2）自12月18日至2002年2月4日為試灌期，運行時間31天。由6立方/時回灌開始逐步增加46.7立方米/時，達到了灌采平衡，總采水量為16462立方米，總回灌量8797立方米。平均采水溫度23.6℃。

（3）自2月5日起至3月15日為灌采平衡期，運行時間29天，實現了地下水全部回灌至地下的目標。在此期間總灌采量為14451立方米，平均灌采量45.3立方米/時，平均采水溫度23.1℃，最后10天運行期采水量溫度降至23℃。

3.2 夏季運行情況

為合理使用管井，在夏季運行中將東井（冬季的回灌井）作為采水井，而西井（冬季的采水井）作為回灌井。在夏季的運行中，只經過二天的調試期，自6月5日起進入正常運行至統計截止期8月9日，全部實現灌采平衡。總采、灌量為28842立方米平均灌量55.79立方米/時。

為總結經驗，本文在2002年夏季進行了為期五天的水文觀測。其結果如下表：

	7:00靜水位					16：00動水位（m）
日期	8-5	8-6	8-7	8-8	8-9	8-5	8-6	8-7	8-8	8-9
東井（開采井）	91.4	91.7	91	91.5	91.2	101.9`	100.1	99	99.1	97.7
西井（回灌井）	89.9	90.4	90.5	90.4	91.3	69.3	73.2	75.4	75.3	78.1
灌采量m3/h						67.1	54.2	51.0	50.3	41.8

依據以上測試結果計算，單位灌采量為：

日期	東井（開采井）		西井（回灌井）		灌采比%
	水位降深（m）	單位出水量 （m3/(h•m)）	水位上升（m）	單位回灌量 （m3/(h•m)）
8-5	10.5	6.39	20.6	3.25	50.9
8-6	8.4	6.45	17.2	3.15	48.8
8-7	8.0	6.37	15.1	3.38	53.1
8-8	7.6	6.62	15.1	3.33	50.3
8-9	6.5	6.43	13.2	3.16	49.2
平均值		6.45		3.25	50.4

經過測試證實灌采比例為0.504：1，單位回灌量略大于單位采水量1/2。本成果在國內粉細砂含水地層回灌已經達到領先水平。

本文采用的真空回灌方法是借助于大氣壓力，抬高井內水頭，與周圍的地下水位產生水頭差，使回灌水能克服阻力向含水層里滲透。因此，真空回灌井回灌量的大小主要取決于周圍地下水位的高低和含水層的滲透性。

本井的地下水位較低（靜水位91m）,是增大回灌量有利的客觀條件。而在松散地層中，由于含水曾顆粒大小的不同，其回灌量也有很大的差異。據有關資料介紹，在細顆粒含水層中，單位回灌量是單位出水量的1/3-1/2。而真空回灌的回灌量是與地下水位呈反比的關系。即區域地下水位越低，回灌量越大，反之則越小。

因冬季2/3以上的時間在排水期及試灌期內，故以此夏季運行結果為例：

西井為回灌井，該井單位出水量4.61m³/(h•m)。在夏季回灌試驗中：

平均靜水位：90.5m

平均回灌水位:74.26m

平均水上升： 16.24m

平均回灌量： 55.78 m³/h

單位回灌量： 3.43 m³/(h•m)

證實單位回灌量已經達原井單位出水量的74%。取得如此好的回灌效果,經過對具體情況的具體分析，認為制定了合理的井間距也是影響回灌量的重要因素。以回灌井的動力彌散來講，回灌井的流場為發散流場，在發散作用的控制下，回灌水自井壁向四周推擠，使回灌水帶逐漸擴大，形成以回灌井為中心的近似同心圓的回灌水彌散帶。在已運行的二個季節中：冬季為西井采水，東井回灌；夏季為東井采水，西井回灌。東西二井間距為46m。在以前的儲能回灌試驗中，冬灌夏采或夏灌東采是在同一井內進行的，回灌中并未受到地下水運動的影響，在地下水處于自然狀態下向井內灌水是受到地下水的壓力、滲透能力等各方面條件抑制的。所以在細顆粒含水層中單位回灌量與單位采水量之比小于1/3是正常的。而在同層灌采對井中，當采水井運行時，回灌井處于采水井的影響半徑之內，即在采水井周圍形成的下降漏斗區內。當地源熱泵運行時灌采是同時進行的。采水時會造成水位下降，這樣在影響范圍內也會引起的回灌井的水位下降。（如做入座水位觀測時，西井采水，西井由90.4m靜水位經2小時抽水后，下降至101.4m,降價11m，而東井在未使用的情況下，其水位由91m下降至95.2m,降深4.2m）這樣當回灌水進入含水層后，由于受到采水井的作用，會加強對含水層的滲透、補給，并向采水井方向轉移。所以在一定程度上控制了回灌井內的水位水位上升，增大了回灌量。

本課題專家鑒定意見附下：

由天津市金大地能源工程技術有限公司與天津新技術產業園區房地產開發有限公司承擔的“管井灌采地下水應用于冷暖空調的試驗研究”課題，經市科委鑒定s（2002）1-104號文授權天津市水利局組織本課題鑒定。鑒定會于2002年9月18日舉行，由市水利局組織，經鑒定委員會評審提出如下鑒定意見：

（1）該項目以可以持續發展的能源戰略為研究指導思想，具有節約能源、保護資源、消除環境污染等技術特點，符合當前國家后續能源研究開發的總體思路，立項目標明確，意義重大。

（2）課題組對該項目設計的內容作了廣泛的調研，分析了應用中存在的問題，并進入了有目地的研究改進。提供的鑒定材料內容詳實，文件齊全，數據可信，符合鑒定要求。

（3）該課題針對國內地熱源中存在的問題，研究開鑿了適合第四系細砂含水層的具有籠狀雙層過濾器的灌采兩用井。由于采用兩用井冬夏互為灌采并達到灌采平衡的技術，使所采地下水全部回灌至同一水層中，保證了含水層水量不至減少，并能疏通各種形式賭塞，還防止了涌砂現象，井的使用壽命大大延長。

（4）研制并規范了井口及泵管密封系統，采用負壓回灌工藝有效地控制了回灌井水位上升，提高了回灌量，使平均灌采量分別達到45.3m³/h(冬季)55.28 m³/h（夏季），最大量灌采量達到67.1 m³/h尚有灌采量增加余地。當達到灌采平衡時，單位回灌量與單位出水量之比達到0.504：1，單位井自身灌采達到0.74：1，比靜止使用的回灌井的灌采比提高兩倍以上。上述兩項指標在國內數領先水平。

（5）課題研究找出了單位建筑面積（萬平方米）與冷熱負荷一定時應用溫差與采水量的關系，為發展的地源熱泵技術對設備型號及選擇鑿井數量，起到規范作用。

（6）該課題與其它形式的冷暖空調系統相比，有明顯的經濟效益與環境效益，且不排放任何污染物，有利于控制地面沉降，因而有廣闊的應用前景。

（7）該課題從管井灌采地下水存在的實際問題出發，通過改進管井濾水器結構及地面井口灌采系統的密封裝置，應用負壓回灌工藝等技術，在保證冬夏兩季室內溫度標準的情況下，全面解決了在同一含水層的對井灌采系統的關鍵問題，并建立了具有工程規模且效益顯著的示范基地，為在濱海地區第四系粉細砂含水層灌采地下水應用于地源熱泵采暖、空調系統提供了全面的技術與經驗。其成果總體已達國內領先水平，鑒定委員會同意通過鑒定評審。

通過實驗驗證了回灌井的經濟和環境效益，目前天津市應用以上成果已應用近40戶100萬m², 建筑面積冷暖空調工程，取得了較大的經濟和環境效益。作為管井人工回灌工程技術作者，我們將再接再厲不斷開拓管井人工回灌新技術，特別是該成果對地面沉降及對水質的影響等方面進一步探討，積極穩妥推廣此項技術，造福社會。