淺層地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)研究

薛頎

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327 地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230011）

1 概述

2021 年9 月，國(guó)家發(fā)改委、能源局、財(cái)政部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、住建部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局八部委共同發(fā)布了“關(guān)于促進(jìn)地?zé)衢_發(fā)利用的若干意見”（國(guó)能發(fā)新能規(guī)【2021】43 號(hào)）。意見指出：地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、穩(wěn)定可靠的可再生能源。大力開發(fā)利用地?zé)崮?，?duì)深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院最新研究成果，我國(guó)每年約100 億噸的二氧化碳排放中，終端排放源主要為工業(yè)（約占68.1%）、建筑（約占17.6%）和交通（約占10.2%），因此，控制建筑碳排放是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和工作的重要領(lǐng)域。開發(fā)利用地?zé)崮転榻ㄖ┡ㄖ评洌┯刑烊坏倪m配性，可就地取材，是建筑能源低碳高效利用的必然選擇，是完成非化石能源利用目標(biāo)、建設(shè)清潔低碳社會(huì)、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

2 現(xiàn)行地?zé)崮荛_采方法

現(xiàn)行地?zé)崮苤饕兴疅嵝秃透蔁嵝投N開采方法，簡(jiǎn)述如下。

2.1 水熱型地?zé)崮荛_采方法

2016 年，中石化新能源公司在河北雄縣創(chuàng)建了全國(guó)首個(gè)供暖“無(wú)煙城”，城區(qū)95%的建筑（約450 萬(wàn)m2）全部實(shí)現(xiàn)地?zé)峁┡?，使用費(fèi)用由燒煤時(shí)的22 元/m2降到16 元/m2。雄縣地下水資源豐富，主要采集埋深超過2000m 的地下水，通過梯級(jí)綜合利用為建筑供暖，高溫?zé)崴苯庸┡?，溫度降低后，再通過熱泵提高溫度繼續(xù)為建筑供暖，將地?zé)帷俺愿烧簟?，充分利用。這是水熱型地?zé)崮荛_發(fā)利用的標(biāo)志性工程。其優(yōu)點(diǎn)是初投資少、運(yùn)行效率高。缺點(diǎn)是水文地質(zhì)條件要求高，取水換熱對(duì)環(huán)境影響較大，政策限制多，普適性差。

2.2 干熱型地?zé)崮荛_采方法

U 型地埋管換熱技術(shù)是干熱型地?zé)衢_采的主要技術(shù)方法，換熱介質(zhì)（一般是水）在地下封閉循環(huán)，通過人為制造換熱介質(zhì)與周邊巖土的溫差，實(shí)現(xiàn)熱交換。冬季供暖，換熱介質(zhì)溫度低于埋管外巖土溫度，從地下取熱；夏季制冷，換熱介質(zhì)溫度高于埋管外巖土溫度，向地下釋熱。

U 型地埋管能提取到的地?zé)崮芷肺徊桓撸ê戏始s18℃），沒有達(dá)到直接為建筑供暖（制冷）的品位，熱泵技術(shù)將低品位地?zé)崮苻D(zhuǎn)換為高品位熱（冷）能，為建筑提供“無(wú)燃燒”供暖（制冷），這就是目前廣泛應(yīng)用的地埋管地源熱泵技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是取熱不取水，環(huán)境影響小、零排放、可就地取材，普適性好。缺點(diǎn)是受PE 管承壓限制，埋管深度淺（小于120m)、單井換熱效率低（約3-6kw），工程埋管數(shù)量多，占地面積大，制約了地?zé)崮艿耐茝V利用。

3 地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)

地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)包括高效能源井設(shè)計(jì)、施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)裝置、能源井測(cè)試與計(jì)算、地下水熱平衡、群井相互干擾以及熱泵機(jī)組、室內(nèi)末端等方面。

3.1 封閉換熱井換熱量數(shù)學(xué)表達(dá)式

U 型地埋管換熱器與高效能源井都屬于封閉換熱井，其換熱量遵循熱傳導(dǎo)定律：

Q=λA（T0-T）

Q——換熱井的換熱量，單位J/h；

λ——綜合導(dǎo)熱系數(shù)，單位w/（m.℃）；

A——換熱井外壁與巖土接觸的面積，單位m2；

T0——換熱井深度范圍內(nèi)巖土平均溫度，單位℃；

T——換熱井內(nèi)循環(huán)介質(zhì)平均溫度，單位℃。

沒有溫差就沒有熱交換，當(dāng)T0＞T 時(shí)，換熱井吸熱，為冬季工況；當(dāng)T0=T 時(shí)，換熱井換熱量為0；當(dāng)T0＜T 時(shí)，換熱井釋熱，為夏季工況；|T0－T|越大，換熱井換熱量越大。

3.2 地?zé)崮芨咝茉淳?/h3>

地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)核心是高效能源井的設(shè)計(jì)，基于熱傳導(dǎo)基本定律，主要從以下方面提高能源井換熱效率，包括：

（1）提高換熱井管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；

（2）增大換熱管外壁與巖土的接觸面積；

（3）通過調(diào)整換熱井的埋管深度，調(diào)節(jié)井外巖土平均溫度，增大換熱介質(zhì)與巖土的溫差。

地?zé)崮芨咝Q熱井按如下方法建造，在鉆孔中安裝導(dǎo)熱系數(shù)高的鋼管，作為孔壁支護(hù)管，同時(shí)也是換熱管，鋼管的底部和管壁完全密封，在鋼管內(nèi)安裝導(dǎo)流循環(huán)管，鋼管的頂部做好密封，僅保留進(jìn)出口。換熱介質(zhì)由側(cè)孔進(jìn)入，自上而下，在井底進(jìn)入導(dǎo)流循環(huán)管，再自下而上，從頂部導(dǎo)流循環(huán)管中流出，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)循環(huán)。（圖1）

圖1 地?zé)崮芨咝Q熱井結(jié)構(gòu)示意圖

地?zé)崮芨咝茉淳哂幸韵绿攸c(diǎn)：

(1)換熱介質(zhì)全封閉循環(huán)，換熱過程中，與外圍巖土形成熱量交換而無(wú)水量、水質(zhì)交換，由此確保對(duì)巖土及地下水不形成污染風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)孔壁采用鋼管永久性支護(hù)，換熱井建造不降低地層抗壓、抗剪強(qiáng)度，在孔數(shù)較多且較密集條件下，也不會(huì)對(duì)建筑物基礎(chǔ)形成安全隱患。

(3)換熱介質(zhì)在循環(huán)過程中，與巖土的接觸面積大幅度提高，同時(shí)，循環(huán)介質(zhì)在換熱區(qū)的流態(tài)為紊流狀態(tài)、支護(hù)管外采用永久性固結(jié)材料充填密實(shí)無(wú)空腔，這些措施極大地提高了換熱效率。較傳統(tǒng)的U 型地埋管換熱器，每延米換熱效率提高2～3 倍。

(4) 高效換熱井具有一定的原位可修復(fù)性，這為系統(tǒng)的長(zhǎng)效性、穩(wěn)定性提供了基本保障。

(5) 所有可以鉆探成孔的地層，都可以應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的高效能源井，具有很強(qiáng)的普適性。

綜合考慮工程狀況、地質(zhì)條件、氣候條件和經(jīng)濟(jì)性，可靈活設(shè)計(jì)高效能源井的結(jié)構(gòu)、管徑和深度，融合其他技術(shù)，可調(diào)節(jié)高效換熱系統(tǒng)的取熱量和釋熱量，保持地下熱平衡。

4 地?zé)崮芨咝茉淳畵Q熱量

在工程示范中，用相同的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法，測(cè)量了部分高效能源井和U 型地埋管換熱器的換熱量，列表如表1-2。252m 的高效能源井與100m 單U 相比，單井釋熱增加4.7 倍，吸熱量增加7.0 倍；300m 的高效能源井與100m 單U相比，單井釋熱增加4.5 倍，吸熱量增加9 倍；相同結(jié)構(gòu)的高效能源井，深度加深，單位取熱量增加，單位釋熱量降低。

表1 高效能源井與U 型地埋管換熱器換熱量實(shí)測(cè)值

5 地?zé)崮芨咝茉淳疅嵊绊懛秶?/h2>

為研究高效能源井的熱影響范圍，在工大建藝館高效能源井井群中，設(shè)置了6 口觀測(cè)井（圖2）。圖中沒有標(biāo)號(hào)的為正常使用的高效能源井，井深220m，井間距為8m×8m，1#、2#、3#、4#、5#、6#為觀測(cè)井，不參與工作運(yùn)行。距工作能源井最近的是1#觀測(cè)井，間距為0.5m；最遠(yuǎn)的是6#觀測(cè)井，間距為5m（見表3）。

圖2 觀測(cè)井與高效能源井分布圖

分別在下列時(shí)間點(diǎn)測(cè)量各觀測(cè)井溫度：（1）冬季開機(jī)使用前5 天；（2）開機(jī)后第20 天；（3）開機(jī)后第50 天；（4）停機(jī)后第10 天；（5）停機(jī)后第50 天。測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 冬季使用前后觀測(cè)井內(nèi)平均溫度實(shí)測(cè)值

對(duì)比觀測(cè)井冬季使用前后井內(nèi)平均井溫變化，發(fā)現(xiàn)最近的1#觀測(cè)井溫度波動(dòng)僅1.7℃，2.5m 以外的觀測(cè)井溫度波動(dòng)小于0.3℃。停機(jī)10 天后，3.5m 以外的觀測(cè)井溫度基本恢復(fù)，50 天后所有觀測(cè)井溫度基本恢復(fù)。

6 地?zé)崮芨咝茉淳咐?/h2>

地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)先后在北京、合肥、河北等地建設(shè)示范工程10 多項(xiàng)，面積約百萬(wàn)平方米，部分項(xiàng)目使用年限已超過10 年。

6.1 北京萬(wàn)通會(huì)議中心項(xiàng)目：建筑面積約3000m2，熱負(fù)荷500kw，冷負(fù)荷480kw。項(xiàng)目建造了18 個(gè)高效能源井（井深200～300m），該項(xiàng)目已穩(wěn)定運(yùn)行8 年。經(jīng)工程驗(yàn)證，高效能源井同地埋管換熱器相比，單井取熱效率提高6.8 倍，釋熱效率提高5 倍，布井?dāng)?shù)量和占地面積減少80%。

6.2 北京大興采育中心醫(yī)院改造項(xiàng)目：建筑面積約12000m2，熱負(fù)荷1200kw，冷負(fù)荷980kw。改造前項(xiàng)目已采用地原熱泵供暖（制冷），在大樓地基下布置地埋管換熱器180個(gè)，但由于地下?lián)Q熱系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，多次維修仍無(wú)法正常使用。采用地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)，僅用28 口高效能源井（300m），在長(zhǎng)50m 的道路兩邊布井，就滿足了大樓的熱（冷）源需求。項(xiàng)目已穩(wěn)定運(yùn)行6 年。

6.3 合肥濱湖萬(wàn)象公館項(xiàng)目：建筑面積約300000m2，熱負(fù)荷21000kw，冷負(fù)荷27000kw。項(xiàng)目建造了600 個(gè)高效能源井（300m），該項(xiàng)目已穩(wěn)定運(yùn)行5 年。經(jīng)工程驗(yàn)證，高效能源井同地埋管換熱器相比，單井取熱效率提高9 倍，釋熱效率提高5 倍，布井?dāng)?shù)量和占地面積減少85%。

7 結(jié)論

干熱型地?zé)崮芊植紡V泛，無(wú)處不在，取之不盡，用之不竭，是繼太陽(yáng)能、風(fēng)能后，最具開發(fā)潛力的清潔可再生能源。地?zé)崮芨咝Q熱技術(shù)大幅提高干熱型地?zé)崮荛_發(fā)效率，可顯著減少建筑工程中換熱井?dāng)?shù)量和占地面積，為地?zé)嵩诮ㄖI(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和中擔(dān)當(dāng)重任，提供了可靠技術(shù)支撐，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

表2 不同深度高效能源井與單U 地埋管換熱器平均換熱量對(duì)比