利用地下水的地热系统
从水文地质观点来看，利用传热液从地下水源中抽取热能，但前者并不源自地下土层，而是渗透下来的地面水。这种液体渗入地层后，一旦与高热的地质构造接触，就构成了中高温热库。如果液体穿过与特定热力现象无关的岩石和土层，则形成了低温热库，只能供热泵使用，而其冷源正是由地下水构成的。这种设备为开环型，因为传热液只将热能从土层输送给该设备，并不循环使用，而是在经过与设备的第一次也是唯一一次热交换之后排泄。上述系统包括了一个抽吸（抽取地下水）过滤子系统、一个设置在热泵蒸发器换热下游的抽水机子系统及最后的地下水回灌子系统或地热流体排泄子系统。
地下土层中的水
地下水渗入土层，占据了不固结地质构造中的砂子、砾石和岩石之间的空隙。在某些场合，当致密的岩石因构造现象出现裂缝时，也会有这类空隙存在。此外，地下水还充盈于成层岩两个不同部分间的不连续周界中的开放空隙以及矿化岩的片理面之中。
因此，从水力学观点讲，地层的性质就是一种多孔介质，只是特殊情况下构成了地下水的集流区或河床。仅仅在碳酸盐岩的场合（即沉积构成为碳酸钙和碳酸镁），才可能形成由空穴、岩洞、地下暗河或湖泊构成的喀斯特构造系统。
地下水几乎都是来自降雨落在地面上后的渗透，及通过河床或湖床和灌溉的分散和渗漏。大量渗入地下的水汇集在不同的分层和不同的深度，一般可按其维持的压力状态加以区分。
当地下水处在接近大气压力的状态时，该土层就称作含水层，而若地下水受到的压力高于大气压力，则该土层被称为自流含水层。含水层这个术语就是存在于多孔性地层内的分层水体，而一般称为含水层的该土层更确切的应称作为具有含水层多孔特征的含水岩层或含水土层。
从水文地质角度讲，地下土层的构成如图2所示。如果设想从地面出发向下穿过土层，则首先遇到的是不饱和土层，也称为通气层或风化层。在这部分地下土层中，土体中的气孔、裂隙和断续内主要充满了空气。通气状态终止于该层深处、地下水不饱和位置与饱和位置之间的中间层。这个中间区域就是毛细管边缘层的上部，在该土层下面的地下水因毛细现象趋向于沿土层中的气孔上升。毛细管边缘层下面即含水层的上面而被定义为地下水位。毛细管边缘层上部所含的、并回流入不饱和区的水被水文地质工作者称为渗流水。毛细管边缘层下作为饱和层的起点，构成了自由型的第一含水层，而在该土层中不存在压力（除非不饱和区不是由一层不透水层构成，如泥岩）。在第一饱和区的下部一般存在着第二层岩石或不饱和土层，之下为第二自由含水层或第二压力含水层，如果上面的不饱和层是不透水的。此不透水层下面毗连着地质工作者所称的自流含水层。
汲取地下水的深井
地下水深井是由垂直钻孔而成的，孔内插入一根外径略小于钻孔直径的钢管作为深井衬管。衬管端部有一段四周钻有小圆孔或腰子孔，亦称通孔过滤段。过滤段位于井的最深部分，也可由其它装置构成，如桥式滤水管、连续螺旋滤水管和精密滤水管。井中装入潜水泵和提升管，地下水经此管抽汲到地面上。潜水泵用一根固定在井顶托架上的密封钢丝绳悬吊在井中。因此，在井中插入控制地下水位的探头和一根水泵电源电缆。井顶部分为直径扩大了的井口，内中安装了托架；在提升管上安装了滤水器、记录抽水量的水表、截止阀和压力表。
若要在先前因需要安装供暖/空调系统而未钻井的地方钻掘地下水深井，需要验证该位置对于钻掘和建成深井的可能性是否最有利，并考虑所欲利用的含水层的特点及当地利用地下水资源的法律法规。对于利用地下水来说，至关重要的是应了解地下水位高度、地下水流动的范围和方向以及地下水利用最有利的地块。
首先确定钻井位置，便能有效地证实区域内是否存在有利于最佳利用地下含水层的排水轴线，对此可利用实际案例证实。
对于预定用于回灌所汲取地下水的设备，也需要验证钻掘排水井的最佳位置，并考虑可能存在的渗透区域和水流趋向。所有工作通过研究等压水头图或询问承揽该工程的地质工作者或钻井人员所掌握的数据和信息便可完成。
需要考虑的其它现象是因强制抽取井水，深井周围地面会形成沉降漏斗。当开始从井中抽取地下水时，深井周围的土壤的滑移就会加大。这种滑移在土层的气孔和裂隙中的循环增加动态受到了水泵抽水所不断释放空间的激发而加剧。因此，气孔中的孔隙很快被周围土层中吸来的水侵占。井水抽得越多，这种现象也因从含水层远端吸引过来的水越多而越严重。这种水力现象有使地下水位局部降低和偏斜的作用，而所有这一切结果加大了深井抽水量的提高。
当很多沉降漏斗相互并合和相互作用时，会降低当地的地下水，造成对环境的负面影响，故其影响范围也非常大。为此，有效的对策是对含水层实施回灌，以求重建含水层的水力平衡，最大限度地减轻对运行环境的影响，只要回灌水不增加来自设备的污染或其水温不会扰乱当地地下土层的热力状态。相对于含水层的热污染可能性，法规中一般规定了最高的回灌温度值或抽水与回灌之间的最大温度差，这一切都是为了保护当地的环境资源。
从实际角度看，为设计汲水系统，沉降漏斗的局部作用非常重要。当泵系统运行时，该作用会降低井水水位。水位降低不会立即发生，也不会瞬间减少潜水泵的排水量，而是逐渐减少直至井中不能达到新的水力平衡工况。显而易见，井中汲水点的位置（泵的设置深度）与井水水位下降的幅度（S）有关联。
因此，为了能够确定井的有效深度和井中泵的位置，必须计算水位降低值。当井中的泵吸过程中断时，不会立即重建抽水过程刚开始前的状态。水位会根据含水层的特点和先前的汲水强度而缓慢地重新升高。在过度利用水井能力（排水量过大）的场合，会发生抽水作业之前的水位随着时间的经过再也不会恢复且会出现永久性的局部水位降低。当然，只有通过自觉正确地设计设备，才能避免这种含水层的反常条件。
图4所示为地下水深井的剖面简图，在设计汲水系统时需推断和考虑地下水位、沉降漏斗和各项高度的位置。图中凸显了与集水井内部有关的几个高度：Sa 技术术语上称为“汲水段”，一般定为1米左右；Δmin 井水自由面与井管开端之间的高度（基于动态泵唧条件），一般定为1米。高度 Zf 为开始接触到地下水的深度，高度 S 为泵唧作用期间形成了沉降漏斗时的井水自由表面。
确定井水水位降低值的参数 S 与抽水量 G（单位 m3/s）、土层渗透系数 T（单位 m2/s），沉降漏斗半径 R（半径 m）、所利用的含水层的厚度 b（单位 m）和水井直径 D（单位 m）都有关联。
地质工作者和钻井公司持有针对各自职责范围内地理区域的全部必要的计算数据。在对利用含水层的地热设备进行热力设计期间，需要这类专业数据与资料。
热力设备的必要排量
对于热力设备的必要排量，须根据与地热源换热的热功率和当地法规允许的温度差 ΔT，对深井进行计算。必须对冬季的数据进行验证，而若夏季空调系统也利用该系统，也须验证夏季的数据。
Ginv = Qc/ΔT·cp·ρ·3600 (1)
Gest =Qh/ΔT·cp·ρ·3600 (2)
在上述公式中，符号含义如下：Ginv 为供暖时最大热负荷条件下需要的地下水排量，单位：m3/h；Gest 为供冷时最大冷负荷条件下需要的地下水排量，单位：m3/h；Qh 为夏季供给热泵冷凝器而用于在中间换热器内与地下水热交换的供热功率，单位：kW；Qc 为冬季供给热泵蒸发器而用于在中间换热器内与地下水热交换的供冷功率，单位：kW；ΔT 为地下水的预期温差，单位：K；cp 为地下水的比热，单位：kJ/(kg K)；ρ 为地下水在平均温度下的密度，单位：kg/m3。
采用式（1）和式（2）算出的地下水排量表示两个不同的供暖和供冷季节中空调设备的最大需求。显然，若要确定抽水泵和地下水深井的规格和尺寸，可以利用算出的最大排量。相反，如果需要设计单纯供暖或供冷的技术设备，显然不需改变计算方式，但是应立即选择，对于热泵的单纯供热服务，必须利用式（1），验算为变更供给热泵蒸发器的最大制冷功率所需要的地下水排量。相反，在考虑热泵的单纯供冷服务时，应当利用式（2），验算为变更供给热泵冷凝器的最大供热功率所需要的地下水排量。
在用式（1）和式（2）算出设备系统所需的能力，基本上说明了热泵的性能，同时也确定了地下水深井的最大需要排量 Gf。为了确定整个系统的规模和尺寸，必须计算或验算水井的水文地质能力，确定是否能够随着时间的进程以恒定的排量满足设备需要。
必须基于最大需要排量 Gf，验算深井尺寸，考虑地下水位的局部下降量，特别是需要估算能从深井抽出的最大排量 Gf,max, 确保其值大于或等于 Gf 值。验算可抽水的最大排量能够有效地确保不会造成含水层的水文地质条件迅速弱化而致使水井枯竭。
总的来说，上述考量和计算都是地质人员或深井钻掘人员的任务，当深井准备启用时，也必须做这样的验证，因为之前挖掘的井可能是为了其它目的或其它设备 。
地下水回灌
在一定情况下，回灌换热后的井水对于抑制含水层的弱化是绝对有效的。在这种情况下，意大利当局规定了具体的温度差和最高回灌温度。按技术要求将使用过的井水排入含水层有助于保持地下水位，不会显著地打乱水力梯度。但是，从另一个角度讲，这一切不应造成对环境的破坏。必须提前避免对地下土层的一切热污染，并且在这个意义上有必要由政府当局规定对排水温度的限制。此外，还必须确保回灌水从化学角度讲基本上没有变质。
如果决定建一口回灌井并带设备，一般需要应用多孔排泄管，将其插入充填泄水砾石的回灌井内。对于回灌井来说，需要配置图5所示的设备。
一般，高度 Sa 定为1米左右；Δmin 为井水自由面（水位）与排泄管长度之间的高度差，一般定为1米。高度 Zf 为开始接触到地下水的深度。在含水层内，水的流动为零或可忽略不计，而极有意义的是，建造季节性储能系统 ATES（含水层热能储存）。对于这类系统，需要钻掘两口不同的井，既能按汲水模式运行，又能按回灌模式工作。冬季抽水的井在夏季转作回灌，反之则相反（图6）。在季节性储能系统ATES工作场合，一般，水泵不采用潜水泵，而是采用卧式水泵，安装在井外的专用泵房内。
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