某水源熱泵抽灌試驗及建筑物沉降影響分析

劉洋（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

某水源熱泵抽灌試驗及建筑物沉降影響分析

劉洋
（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

水源熱泵在一些項目中應用時，存在缺乏前期論證、過度開采等問題。文中結合某水源熱泵項目開展試驗研究工作，通過抽灌試驗數據，對場地管井的布置、土壤的滲透系數、影響半徑、建筑物的沉降影響進行了分析計算。

水源熱泵； 抽水回灌試驗； 建筑物沉降

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.013

0　引言

水源熱泵技術是暖通空調領域近些年應用較廣的一種節能環保的制冷供暖方式。但也引發了學術界不少的探討與擔憂［1～3］，如推廣初期重視經濟效益、過度開采而忽略環境效益，或缺乏前期論證和后期監管等。國家標準《地源熱泵系統工程技術規程》（GB50366-2005）中強調地源熱泵要對工程場地、水溫、地質資料等進行勘察后方可進行設計，并加強對抽灌水及水質的定期監測［4］，但對于建筑物的沉降、結構安全問題均未提及，該方面的研究報道在國內也較少見。

本文結合某工程水源熱泵實例，對前期勘測數據及后期運行效果進行論述，并結合試驗數據對抽水、回灌量進行細致的分析，重點對區域水資源、建筑物基礎的影響進行了計算和評估。

1　項目概述

項目位于遼寧省丹東市，氣候特點屬于寒冷Ⅱ（A）區［5］，夏季空調室外計算干球溫度為29.6℃，濕球溫度為25.3℃，冬季空調室外計算溫度為-15.9℃［6］。項目所處地區河流眾多、水系發達，本項目建筑面積53350.20m2，地下一層，地上二十二層，建筑高度95.65m。主要功能為辦公樓，建筑物采用中央空調風機盤管系統，滿足冬夏季的送冷送熱需求。經負荷計算，夏季空調冷負荷為3900kW，冬季供暖熱負荷為3000kW。冷熱源擬采用地下水水源熱泵系統。

2　地下抽水及回灌試驗

2.1水源場地勘測情況

項目靠近江邊，水源場地距江邊垂向距離約為90m。根據建設單位提供的現場勘測數據，地質條件具體如下：場地主要地層由素土、沖填土、淤泥質粘土、粉細砂和圓礫層組成。地下水主要分布在第四系粉細砂層和圓礫層中，其中圓礫層孔隙率大、顆料粗，滲透能力強，賦存豐富的地下水，為場地的主要含水層，深度約在16.5～24m。

2.2抽水試驗

抽水井的布置方案：共布置兩眼試驗井，編號為SJ1和SJ2，平行布置于本項目北側距離33m處，兩井間距為25m，井深26m（至巖石層），具體方法是SJ1抽水、SJ2觀測，抽灌試驗的Q-S曲線如圖1、圖2所示。

圖1　單井抽水試驗Q-S曲線

圖二　單井設計流量連續抽水試驗曲線

圖1為抽水井的流量與降深關系曲線，分析數據：對應規范［4］最大允許降深5m時，最大抽水流量為180m3/h；而在本次設計抽水流量為80～90m3/h狀態下進行觀測，抽水井對應降深為1.65m。

圖2中曲線1為SJ1試驗井在抽水試驗前24h的觀測靜水位的波動曲線，水位最高值為4.75m，最低值為6.35m，水位最大波動幅度為1.8m；曲線2為曲線1靜水位計算平均值5.73m；曲線3為SJ1井在設計流量80m3/h狀態下連續抽水時，觀測井SJ2的水位變化曲線，對應降深為0.2～0.3m；曲線4為抽水開始后，抽水井的水位變化曲線，基本降深較靜水位平均值（曲線2）下降1.8～2.2m。

分析上述試驗數據：場地含水層總厚度為19.1m（從粉細砂層頂至圓礫層底），在設計取水流量下（G=80～90m3/h），井水降深較小，場地供水量較充足。觀測數據顯示靜水位的變化規律與同一觀測天江水的潮汐規律在時間上是吻合的，且連續抽水停泵后，地下水在短時間內可以補充，說明地下水受江潮汐影響較大，江水具有較強的補給性。

2.3回灌試驗

該工程回灌采用無壓回灌方式，具體做法是一眼井進行抽水，向另一眼井進行回灌；試驗的回灌強度分別為30 m3/h（曲線1）、40m3/h（曲線2）、50m3/h（曲線3）、60m3/h（曲線4）、70m3/h（曲線5）、80m3/h（曲線6），觀測各種回灌強度內的水位抬升情況，圖3所示為不同時間段內上述各回灌強度的觀測數據整合曲線。

分析試驗數據：當回灌水量為30～40m3/h時（曲線1和2），回灌井內水位變化不明顯；當回灌水量為50～60 m3/h時（曲線3和4），回灌井內水位有抬升（0.8～1.5m）至一定高度后，隨時間具有一定的變化規律；當回灌水量為70～80 m3/h時（曲線5和6），回灌井內水位持續抬升，無法滿足回灌要求。考慮到本工程的用水量及使用規律，設計采用回灌井最大回灌量不超過65 m3/h，一般使用時回灌量在40～50 m3/h，可以滿足良好的回灌效果，符合《地源熱泵系統工程技術規范》中對回灌量的要求。

3　試驗數據分析

3.1地下水循環水量計算及管井布置

通過6月份和12月份對井水的測試，該項目地下水溫基本在12～13℃。由計算負荷，室外地下水側循環溫差冬季按5.5℃考慮，夏季按10℃考慮，計算地下水循環量冬季設計最大小時流量約為375m3/h，夏季設計最大小時流量為420m3/h。根據之前的抽灌實驗，設計井數為七抽八灌，并設置三口備用抽水井；其中抽水井平行布置在場地遠離江邊的一側，各井間距為25m，回灌井平行布置在場地靠近江邊的一側，各井間距為19.5m，該種布置方式與場地地下水向江邊的徑流方向一致，有利于地下水的回灌。為減輕含沙量對回灌井的沉淀，取水側設多重除砂設備。

圖2　回灌試驗曲線

3.2土壤滲透系數計算

該工程水層屬無壓含水層完整井，按文獻［7］基本滿足含水層均布、地下水流穩定、水位下降漏斗供水半徑與水位下降的關系可測的計算條件，可采用Dupuit，J.（裘布依）公式計算滲透系數。由于本次試驗井開采地下水主要取自圓礫層，圓礫層以上全部封閉，因此公式1的計算結果只反映圓礫層的滲透性。場地的含水層由細砂層（XS）和圓礫層（YL）組成，中間無隔水層，考慮整個含水層的綜合滲透系數采用公式（2）進行加權平均計算。

式中 下標XS—細砂層；

下標YL—圓礫層；

下標Z—綜合系數；

K—各含水層滲透系數，m/d，（KXS按資料［7］取4.32m/d）；

H—含水層厚度，m，（HYL=.3m，HXS=12.8m）；

Q—每日設計出水量，m3/d，（按抽水量80m3/h計算，則Q為1920 m3/d）；

S0—抽水井降深與觀測井降深的相對差值，m，（項目實測S0=1. 43m）；r1—影響半徑，即抽水井至觀測井的距離，m，（項目二井間距r1=25m）；

r0—抽水井過濾器半徑，m，（項目r0=0.11m）。

計算可得：圓礫層滲透系數KYL=204. 5m/d，含水層綜合滲透系數KZ=70.3 m/d。

3.3影響半徑分析

該項目單井影響半徑可參考無壓含水層，按庫薩金［8］經驗公式計算。

式中 R—單井降深影響半徑，m；

SW—單井抽水計算降深，m；

H0—含水層總厚度，m，（項目H0=HYL+HXS）。

前文所述，在設計擬開采強度為80～90 m3/h進行抽水試驗觀察，抽水井對應降深為1.65m，而在考慮本項目多口抽水井同時工作時，井群之間會出現互相干擾的情況，相關資料認為［7］：在出水量不變條件下，共同工作時各井的水位降落值大于各井單獨工作時的水位降落值。故本文在計算時，按降深Sw=3m來進行相關的計算，上述參數代入公式計算得出影響半徑R=220m。

經調查，在該影響半徑范圍內，沒有其它開采地下水的用戶；而距離本項目最近的采用水源熱泵技術的項目距本工程約1600m，因此該方案對周邊的影響不大。

3.4對建筑物地面沉降的分析

國家標準《地源熱泵系統工程技術規程》（GB50366-2005）的內容僅限于系統本身的設計、施工，而對于建筑物的沉降、結構安全性的問題確少有相關的研究。事實上，水泵運行抽取地下水期間，影響半徑內的建筑物地基中的地下水會有一定程度的下降，降水漏斗范圍內的場地及建筑沉降應成為值得考慮的相關課題。

砂層和礫層有著良好的透水性，由固結引起的滯后變形影響很小，可以認為其變形是瞬間完成的，符合虎克彈性定律公式［9］計算變形的條件，計算結果見表1。

式中 s—含水土層的變形量，m；

Δh—水位變幅，m；

γ—水的重度，10 kN/m3；

h—土層的厚度，m；

EW—土層的彈性模量，MPa。

表1　不同地質層對應的計算沉降量

上述計算結果表明，由于地源熱泵抽水形成的場地沉降值為37.82mm，該數值小于《建筑地基基礎設計規范》GB 5000-2011中規定的體型簡單的高層建筑基礎的允許平均沉降量200mm［10］，且本建筑采用靜壓管樁基礎，坐落在巖石層上，抗沉降及變形能力較強。抽水方案對建筑物的基礎沉降影響滿足設計要求。

4　結語

2012年12月冬季運行記錄，丹東地區室外最低氣溫約為-10℃，地源側出水溫度為12.8℃，空調熱水供回水設定溫度40/35℃，室內實測氣溫為20～22℃，空調系統滿足要求。夏季由于地下水的溫度遠低于常規冷卻塔的冷卻水，達到了較好的節能效果。地下水在運行期間取水量為240～320m3/h，回灌井的回灌狀態一直良好。

傍江區域地下水量充足，如對該類地區進行規范的勘采，利用水源熱泵技術作為制冷供暖方式，COP值高，可產生較好的節能效益；但應合理確定抽、灌水量，重視抽、灌水井形成的地下水位下降對周圍區域及建筑物基礎的影響，這也是水源熱泵技術能否得到推廣應用和持續發展的關鍵。

［1］云桂春，成徐州.人工地下水回灌［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［2］李圭白，李星.水的良性社會循環與城市水資源［J］.中國工程科學2001，3（6）：37～40.

［3］馬最良，姚楊，姜益強，等.地下水源熱泵若不能100%回灌地下水將是子孫后代的災難［J］.制冷技術，2007，（4）：5～8.

［4］中華人民共和國建設部.GB50366-2005，地源熱泵系統工程技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［5］遼寧省住房和城鄉建設廳.DB21/T 1899-2011，公共建筑節能（65%）設計標準［S］.

［6］中華人民共和國建設部.GB 50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［7］嚴煦世范瑾初.給水工程［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，1999.

［8］供水水文地質手冊［M］.第二冊.北京：中國建筑工業出版社，1983.

［9］單明，劉忠昌，舒昭然，等.水源熱泵抽取和回灌地下水對建筑物沉降的影響［J］建筑結構，2010，（1）：62～64.

［10］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 5000-2011，建筑地基基礎設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，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

劉洋（1978-），男，遼寧營口人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2014-12-10

2015-03-09