某水源热泵抽灌试验及建筑物沉降影响分析

刘洋（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

某水源热泵抽灌试验及建筑物沉降影响分析

刘洋
（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

水源热泵在一些项目中应用时，存在缺乏前期论证、过度开采等问题。文中结合某水源热泵项目开展试验研究工作，通过抽灌试验数据，对场地管井的布置、土壤的渗透系数、影响半径、建筑物的沉降影响进行了分析计算。

水源热泵； 抽水回灌试验； 建筑物沉降

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.013

0　引言

水源热泵技术是暖通空调领域近些年应用较广的一种节能环保的制冷供暖方式。但也引发了学术界不少的探讨与担忧［1～3］，如推广初期重视经济效益、过度开采而忽略环境效益，或缺乏前期论证和后期监管等。国家标准《地源热泵系统工程技术规程》（GB50366-2005）中强调地源热泵要对工程场地、水温、地质资料等进行勘察后方可进行设计，并加强对抽灌水及水质的定期监测［4］，但对于建筑物的沉降、结构安全问题均未提及，该方面的研究报道在国内也较少见。

本文结合某工程水源热泵实例，对前期勘测数据及后期运行效果进行论述，并结合试验数据对抽水、回灌量进行细致的分析，重点对区域水资源、建筑物基础的影响进行了计算和评估。

1　项目概述

项目位于辽宁省丹东市，气候特点属于寒冷Ⅱ（A）区［5］，夏季空调室外计算干球温度为29.6℃，湿球温度为25.3℃，冬季空调室外计算温度为-15.9℃［6］。项目所处地区河流众多、水系发达，本项目建筑面积53350.20m2，地下一层，地上二十二层，建筑高度95.65m。主要功能为办公楼，建筑物采用中央空调风机盘管系统，满足冬夏季的送冷送热需求。经负荷计算，夏季空调冷负荷为3900kW，冬季供暖热负荷为3000kW。冷热源拟采用地下水水源热泵系统。

2　地下抽水及回灌试验

2.1水源场地勘测情况

项目靠近江边，水源场地距江边垂向距离约为90m。根据建设单位提供的现场勘测数据，地质条件具体如下：场地主要地层由素土、冲填土、淤泥质粘土、粉细砂和圆砾层组成。地下水主要分布在第四系粉细砂层和圆砾层中，其中圆砾层孔隙率大、颗料粗，渗透能力强，赋存丰富的地下水，为场地的主要含水层，深度约在16.5～24m。

2.2抽水试验

抽水井的布置方案：共布置两眼试验井，编号为SJ1和SJ2，平行布置于本项目北侧距离33m处，两井间距为25m，井深26m（至岩石层），具体方法是SJ1抽水、SJ2观测，抽灌试验的Q-S曲线如图1、图2所示。

图1　单井抽水试验Q-S曲线

图二　单井设计流量连续抽水试验曲线

图1为抽水井的流量与降深关系曲线，分析数据：对应规范［4］最大允许降深5m时，最大抽水流量为180m3/h；而在本次设计抽水流量为80～90m3/h状态下进行观测，抽水井对应降深为1.65m。

图2中曲线1为SJ1试验井在抽水试验前24h的观测静水位的波动曲线，水位最高值为4.75m，最低值为6.35m，水位最大波动幅度为1.8m；曲线2为曲线1静水位计算平均值5.73m；曲线3为SJ1井在设计流量80m3/h状态下连续抽水时，观测井SJ2的水位变化曲线，对应降深为0.2～0.3m；曲线4为抽水开始后，抽水井的水位变化曲线，基本降深较静水位平均值（曲线2）下降1.8～2.2m。

分析上述试验数据：场地含水层总厚度为19.1m（从粉细砂层顶至圆砾层底），在设计取水流量下（G=80～90m3/h），井水降深较小，场地供水量较充足。观测数据显示静水位的变化规律与同一观测天江水的潮汐规律在时间上是吻合的，且连续抽水停泵后，地下水在短时间内可以补充，说明地下水受江潮汐影响较大，江水具有较强的补给性。

2.3回灌试验

该工程回灌采用无压回灌方式，具体做法是一眼井进行抽水，向另一眼井进行回灌；试验的回灌强度分别为30 m3/h（曲线1）、40m3/h（曲线2）、50m3/h（曲线3）、60m3/h（曲线4）、70m3/h（曲线5）、80m3/h（曲线6），观测各种回灌强度内的水位抬升情况，图3所示为不同时间段内上述各回灌强度的观测数据整合曲线。

分析试验数据：当回灌水量为30～40m3/h时（曲线1和2），回灌井内水位变化不明显；当回灌水量为50～60 m3/h时（曲线3和4），回灌井内水位有抬升（0.8～1.5m）至一定高度后，随时间具有一定的变化规律；当回灌水量为70～80 m3/h时（曲线5和6），回灌井内水位持续抬升，无法满足回灌要求。考虑到本工程的用水量及使用规律，设计采用回灌井最大回灌量不超过65 m3/h，一般使用时回灌量在40～50 m3/h，可以满足良好的回灌效果，符合《地源热泵系统工程技术规范》中对回灌量的要求。

3　试验数据分析

3.1地下水循环水量计算及管井布置

通过6月份和12月份对井水的测试，该项目地下水温基本在12～13℃。由计算负荷，室外地下水侧循环温差冬季按5.5℃考虑，夏季按10℃考虑，计算地下水循环量冬季设计最大小时流量约为375m3/h，夏季设计最大小时流量为420m3/h。根据之前的抽灌实验，设计井数为七抽八灌，并设置三口备用抽水井；其中抽水井平行布置在场地远离江边的一侧，各井间距为25m，回灌井平行布置在场地靠近江边的一侧，各井间距为19.5m，该种布置方式与场地地下水向江边的径流方向一致，有利于地下水的回灌。为减轻含沙量对回灌井的沉淀，取水侧设多重除砂设备。

图2　回灌试验曲线

3.2土壤渗透系数计算

该工程水层属无压含水层完整井，按文献［7］基本满足含水层均布、地下水流稳定、水位下降漏斗供水半径与水位下降的关系可测的计算条件，可采用Dupuit，J.（裘布依）公式计算渗透系数。由于本次试验井开采地下水主要取自圆砾层，圆砾层以上全部封闭，因此公式1的计算结果只反映圆砾层的渗透性。场地的含水层由细砂层（XS）和圆砾层（YL）组成，中间无隔水层，考虑整个含水层的综合渗透系数采用公式（2）进行加权平均计算。

式中 下标XS—细砂层；

下标YL—圆砾层；

下标Z—综合系数；

K—各含水层渗透系数，m/d，（KXS按资料［7］取4.32m/d）；

H—含水层厚度，m，（HYL=.3m，HXS=12.8m）；

Q—每日设计出水量，m3/d，（按抽水量80m3/h计算，则Q为1920 m3/d）；

S0—抽水井降深与观测井降深的相对差值，m，（项目实测S0=1. 43m）；r1—影响半径，即抽水井至观测井的距离，m，（项目二井间距r1=25m）；

r0—抽水井过滤器半径，m，（项目r0=0.11m）。

计算可得：圆砾层渗透系数KYL=204. 5m/d，含水层综合渗透系数KZ=70.3 m/d。

3.3影响半径分析

该项目单井影响半径可参考无压含水层，按库萨金［8］经验公式计算。

式中 R—单井降深影响半径，m；

SW—单井抽水计算降深，m；

H0—含水层总厚度，m，（项目H0=HYL+HXS）。

前文所述，在设计拟开采强度为80～90 m3/h进行抽水试验观察，抽水井对应降深为1.65m，而在考虑本项目多口抽水井同时工作时，井群之间会出现互相干扰的情况，相关资料认为［7］：在出水量不变条件下，共同工作时各井的水位降落值大于各井单独工作时的水位降落值。故本文在计算时，按降深Sw=3m来进行相关的计算，上述参数代入公式计算得出影响半径R=220m。

经调查，在该影响半径范围内，没有其它开采地下水的用户；而距离本项目最近的采用水源热泵技术的项目距本工程约1600m，因此该方案对周边的影响不大。

3.4对建筑物地面沉降的分析

国家标准《地源热泵系统工程技术规程》（GB50366-2005）的内容仅限于系统本身的设计、施工，而对于建筑物的沉降、结构安全性的问题确少有相关的研究。事实上，水泵运行抽取地下水期间，影响半径内的建筑物地基中的地下水会有一定程度的下降，降水漏斗范围内的场地及建筑沉降应成为值得考虑的相关课题。

砂层和砾层有着良好的透水性，由固结引起的滞后变形影响很小，可以认为其变形是瞬间完成的，符合虎克弹性定律公式［9］计算变形的条件，计算结果见表1。

式中 s—含水土层的变形量，m；

Δh—水位变幅，m；

γ—水的重度，10 kN/m3；

h—土层的厚度，m；

EW—土层的弹性模量，MPa。

表1　不同地质层对应的计算沉降量

上述计算结果表明，由于地源热泵抽水形成的场地沉降值为37.82mm，该数值小于《建筑地基基础设计规范》GB 5000-2011中规定的体型简单的高层建筑基础的允许平均沉降量200mm［10］，且本建筑采用静压管桩基础，坐落在岩石层上，抗沉降及变形能力较强。抽水方案对建筑物的基础沉降影响满足设计要求。

4　结语

2012年12月冬季运行记录，丹东地区室外最低气温约为-10℃，地源侧出水温度为12.8℃，空调热水供回水设定温度40/35℃，室内实测气温为20～22℃，空调系统满足要求。夏季由于地下水的温度远低于常规冷却塔的冷却水，达到了较好的节能效果。地下水在运行期间取水量为240～320m3/h，回灌井的回灌状态一直良好。

傍江区域地下水量充足，如对该类地区进行规范的勘采，利用水源热泵技术作为制冷供暖方式，COP值高，可产生较好的节能效益；但应合理确定抽、灌水量，重视抽、灌水井形成的地下水位下降对周围区域及建筑物基础的影响，这也是水源热泵技术能否得到推广应用和持续发展的关键。

［1］云桂春，成徐州.人工地下水回灌［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［2］李圭白，李星.水的良性社会循环与城市水资源［J］.中国工程科学2001，3（6）：37～40.

［3］马最良，姚杨，姜益强，等.地下水源热泵若不能100%回灌地下水将是子孙后代的灾难［J］.制冷技术，2007，（4）：5～8.

［4］中华人民共和国建设部.GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［5］辽宁省住房和城乡建设厅.DB21/T 1899-2011，公共建筑节能（65%）设计标准［S］.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［7］严煦世范瑾初.给水工程［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［8］供水水文地质手册［M］.第二册.北京：中国建筑工业出版社，1983.

［9］单明，刘忠昌，舒昭然，等.水源热泵抽取和回灌地下水对建筑物沉降的影响［J］建筑结构，2010，（1）：62～64.

［10］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 5000-2011，建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

Pumpwater&Recharge Experimental of a Water-source Heat Pump and Analysis of Building Settlement Influence

LIU Yang
（Dalian Institute of architectural Design and Research，Dalian 116021，China.）

The application of ground source heat pump in some projects，there is a lack of pre feasibility studies，overexploiting problems.This paper combined with the experimental research work of a ground source heat pump project，Which analyses the arrangement of the site well、the permeability coefficient of soil、radius of influence and building settlement according to the pumping and recharging water test data；

groundwaterheatpump（GWHP）； pumpwater&recharge experimental； building settlement

TU443

B

2095-3429（2015）01-0048-04

刘洋（1978-），男，辽宁营口人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：建筑能耗分析。

2014-12-10

2015-03-09