淺層地?zé)崮艿叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)適宜性評價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)
——以鄭州市淺層地?zé)崮苁痉豆こ虨槔?/h1>

2022-05-30 11:16:34尚永升申云飛

鉆探工程訂閱 2022年3期 收藏

關(guān)鍵詞：細(xì)砂淺層巖性

盧 瑋，尚永升，申云飛

（1.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；2.河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450053；3.河南省地?zé)崮荛_發(fā)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450053）

0 引言

人類規(guī)?；顒?dòng)導(dǎo)致氣候變化和生態(tài)環(huán)境惡化已經(jīng)成為不爭事實(shí)，也是人類共同面對的一個(gè)全球性問題。其中，CO2的產(chǎn)生幾乎都與人類對能源的需求和工業(yè)過程中傳統(tǒng)化石燃料的排放密切相關(guān)［1-2］，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示：我國化石類能源的消耗產(chǎn)生的CO2貢獻(xiàn)率達(dá)90%［3］，2020 年，我國CO2排放量近100 億t，位居世界第一［4］。所以，減少化石類能源消耗，尋找新的替代能源和資源勢在必行。

地?zé)豳Y源是一種儲量豐富、分布較廣、穩(wěn)定可靠的清潔可再生能源。從目前開發(fā)利用方式劃分，地?zé)豳Y源主要有淺層地?zé)崮?、中深層水熱型地?zé)岷透蔁釒r3 種類型，是目前和未來的重要能源和資源［5-6］。統(tǒng)計(jì)表明：地?zé)崮茉蠢孟禂?shù)高達(dá)73%，約是太陽能的5.4 倍、風(fēng)能的3.6倍［7］。2015-2020年，全球新增地?zé)岚l(fā)電約3649 GW，增長約27%，地?zé)嶂苯永每傃b機(jī)容量增長52.0%，全球每年地?zé)嶂苯永每蓽p少2.526 億t的CO2排放［8］。由此可見，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用對減少CO2排放和抑制全球氣候變化起到積極的作用［9］。

所以，大力推進(jìn)地?zé)豳Y源勘查開發(fā)，對保障國家能源資源安全，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要的意義。

本文結(jié)合2021 年度鄭州市淺層地?zé)崮苁痉豆こ探ㄔO(shè)項(xiàng)目，根據(jù)其適宜性評價(jià)原則，對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的地下水換熱和地埋管換熱2 種地下?lián)Q熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 淺層地?zé)崮艿叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)類型

目前，國內(nèi)淺層地?zé)崮艿叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)從換熱介質(zhì)類型劃分主要有地下水換熱系統(tǒng)和地埋管換熱系統(tǒng)2 種方式。這2 種淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式與其它供暖制冷系統(tǒng)相比，可以實(shí)現(xiàn)供暖（冷）區(qū)域的零污染排放，直接改善適用區(qū)域的大氣質(zhì)量，具有資源分布廣泛、儲量巨大、安全穩(wěn)定、開發(fā)便利、清潔高效等特點(diǎn)，屬于可再生綠色能源［10］。但2 種方式各有利弊，地下水換熱系統(tǒng)換熱效率高、占用地下空間少、投資較低，突出問題是在細(xì)顆粒地層回灌率較低，對地質(zhì)環(huán)境影響較大，水井及抽水設(shè)備需要持續(xù)維護(hù)保養(yǎng)，對水文地質(zhì)條件及水質(zhì)要求高；地埋管換熱系統(tǒng)對水文地質(zhì)條件適宜性較強(qiáng)、對地質(zhì)環(huán)境影響較小、地下系統(tǒng)不需要維護(hù)保養(yǎng)，不占用地面空間，存在問題是換熱效率相對地下水換熱系統(tǒng)低、占用較大地下空間、投資較水源系統(tǒng)高。

2 地下?lián)Q熱系統(tǒng)適宜性評價(jià)內(nèi)容

2.1 地下水換熱系統(tǒng)

地下水換熱系統(tǒng)主要由抽水井和回灌井組成，能否保證供暖制冷持續(xù)穩(wěn)定，主要取決于水資源量、回灌能力、成井質(zhì)量和設(shè)備使用壽命。所以，對于地下水源換熱系統(tǒng)重點(diǎn)應(yīng)從區(qū)域水文地質(zhì)條件、回灌能力、水質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境損害等方面進(jìn)行評價(jià)［11-14］。

（1）區(qū)域水文地質(zhì)條件評價(jià)。采用地下水源換熱系統(tǒng)供暖制冷時(shí)，首先考慮地下水資源量能否滿足需求，并且水位埋深和鉆井深度不宜過深。評價(jià)時(shí)重點(diǎn)考慮地下水的富水性、補(bǔ)給條件、開采潛力3個(gè)因素。

（2）地下?lián)Q熱系統(tǒng)回灌能力評價(jià)。回灌能力的大小決定區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的損害程度和工程成本，同時(shí)也決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。影響回灌效果的因素主要有含水層巖性、地下水位埋深和成井質(zhì)量。含水層顆粒越粗，越有利于回灌。據(jù)實(shí)際工程表明：一般情況下，構(gòu)造含水層和卵礫石含水層中回灌率為70%～100%；粗砂、中砂含水層中回灌率為40%～70%；中細(xì)砂含水層中回灌率為30%～50%；細(xì)砂、粉砂含水層中回灌率＜30%。水位埋深對總回灌量的大小影響明顯，在成井質(zhì)量理想的情況下，水位埋深越大、含水層顆粒越粗，單位回灌量越大。

（3）地下水水質(zhì)評價(jià)。水質(zhì)的好壞直接影響系統(tǒng)管網(wǎng)和設(shè)備的使用壽命。地下水水質(zhì)評價(jià)包括溫度、化學(xué)成分、渾濁度、含砂量、硬度、礦化度等，在此基礎(chǔ)上應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行腐蝕性評價(jià)。

（4）地質(zhì)環(huán)境損害評價(jià)。在水質(zhì)和腐蝕性評價(jià)基礎(chǔ)上，對可能造成的地下水位下降、水質(zhì)變化、地面沉降和尾水排放等進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)。

2.2 地埋管換熱系統(tǒng)

由于地下水換熱系統(tǒng)回灌問題、地下水保護(hù)區(qū)劃分和鉆井取水許可等政策限制，地下埋管換熱系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行適宜性評價(jià)時(shí)，一般包括以下內(nèi)容和指標(biāo)：

（1）場地巖土特性評價(jià)。場地地層條件和巖土特性是淺層地?zé)崮苜Y源賦存的基本條件，包括巖土體的地層巖性、結(jié)構(gòu)、顆粒度、密度、比熱、地層厚度、含水率和巖土力學(xué)參數(shù)等。重點(diǎn)考慮地埋管鉆探的經(jīng)濟(jì)性、鉆探方法和回填材料選擇，與此同時(shí)需要取樣測試，主要用于評價(jià)巖土層的導(dǎo)熱性能、換熱效率等。值得注意的是不同巖性其導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容數(shù)值相差較大，多數(shù)情況下鉆孔由不同巖性組成。所以，為了更加精準(zhǔn)取得巖土綜合熱物參數(shù)和優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，在此單項(xiàng)測試基礎(chǔ)上必須進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)［15］。需要說明的是單位孔深換熱量不是恒定不變的，它與很多因素有關(guān)［16-18］。因此，單位孔深換熱量的取值工程設(shè)計(jì)中應(yīng)加以注意。

（2）水文地質(zhì)條件評價(jià)。實(shí)踐證明區(qū)域水文地質(zhì)條件較好地區(qū)，其地下埋管系統(tǒng)換熱效率更高，因?yàn)榈叵滤牧鲃?dòng)減小了熱阻，為散熱和吸熱創(chuàng)造了有利條件。所以，在地下埋管換熱系統(tǒng)適宜性評價(jià)中應(yīng)進(jìn)行地層巖土體的含水率、含水層結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力條件、地下水徑流、地下水滲流等水文地質(zhì)條件評價(jià)。

（3）熱失衡評價(jià)。主要對供暖制冷2 個(gè)工況條件下冷熱失衡導(dǎo)致的換熱效率變化，地下水水質(zhì)和土壤中微生物、種群變化及影響的監(jiān)測評估。

3 鄭州市淺層地?zé)崮苁痉豆こ虄?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目來源及要求

鄭州市淺層地?zé)崮苁痉豆こ虨?021 年度鄭州市多要素城市地質(zhì)調(diào)查子項(xiàng)目，依托河南省黃河迎賓館原有和正在實(shí)施的節(jié)能改造項(xiàng)目進(jìn)行示范工程建設(shè)。工作內(nèi)容包括前期建設(shè)場地勘查試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、地下?lián)Q熱工程建設(shè)、監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和淺層地?zé)崮苷故鞠到y(tǒng)建設(shè)等，同時(shí)解決賓館部分別墅樓近31350 m2建筑面積的供暖制冷。

根據(jù)河南省黃河迎賓館地源熱泵（一期）項(xiàng)目情況，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括300 口雙U 型PE 管垂直地埋管系統(tǒng)，其中單口井換熱量5 kW，井深120 m，井徑180 mm，井與井的間距5 m，連接井之間的水平管采用同程連接，取得了良好的節(jié)能效果和環(huán)境效益。因此，本次設(shè)計(jì)擬采用原設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，對建設(shè)場地地下水換熱方式進(jìn)行可行性分析。

為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，開展了示范工程區(qū)內(nèi)抽水與回灌試驗(yàn)、示范項(xiàng)目前期試驗(yàn)和分析研究。

3.2 示范工程區(qū)抽水與回灌試驗(yàn)

示范工程位于鄭州市北部黃河沖積平原內(nèi)，含水層以粉細(xì)砂為主，局部夾粗砂和礫石，頂板埋深10～15 m，地下水位埋深5～15 m。本次示范工程首先在黃河迎賓館3 個(gè)地下水環(huán)境影響監(jiān)測孔中，分別進(jìn)行3 個(gè)落程的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)及自流回灌試驗(yàn)。

3.2.1 抽水試驗(yàn)

根據(jù)潛水含水層單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)資料，按下式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)：

式中：K——滲透系數(shù)，m/d；Q——穩(wěn)定抽水量或注水量，m3/d；H——未抽水時(shí)含水層厚度，m；h——抽水含水層厚度，m；S——水位降深或升深，m；R——影響半徑，m；r——過濾器半徑，m。

三組抽水試驗(yàn)主要參數(shù)成果見表1。

從表1 可以看出：三組抽水試驗(yàn)的單位涌水量平均值為9.36 m3/（h·m），表明建設(shè)區(qū)含水層富水性較好，滲透系數(shù)平均值為8.14 m/d，滲透性相對較差。

表1 抽水試驗(yàn)主要參數(shù)成果Table1 Main parameter results of pumping test

3.2.2 回灌試驗(yàn)

該區(qū)巖性主要由粉砂巖及粉細(xì)砂巖組成，從表1 可知，其滲透性較差，根據(jù)抽水回灌試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，繪制其回灌量變化曲線（如圖1 所示）?；毓鄷r(shí)，前20 min 內(nèi)，水位變化較快，隨著時(shí)間的延長，水位增加，回灌速率越來越慢，根據(jù)場地SJ2 孔回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其回灌量為107.37 m3/d。另外，建設(shè)區(qū)含水層水位埋深基本在5～15 m，埋深較淺，總體評價(jià)含水層回灌能力較弱。

圖1 SJ2 孔回灌量變化曲線Fig.1 Recharge volume change curve

3.3 巖土熱物性參數(shù)測試

本次在4 個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔和14 個(gè)地質(zhì)孔中共采取原狀土樣200 組進(jìn)行熱物性參數(shù)測試，獲取了不同巖性巖土體的熱物性指標(biāo)（見表2 及圖2～4）。

表2 不同巖性熱物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Summary of thermophysical parameters of different lithology

從圖2～4 關(guān)系曲線反映出不同巖性熱物理參數(shù)具有以下特征：

圖2 不同巖性平均熱物性參數(shù)曲線Fig.2 Curves of average thermophysical parameters for different lithologies

（1）隨巖性顆粒變細(xì)，導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)α有增大的趨勢，容積比熱容C則呈減小的趨勢。

（2）不同巖性中，隨著巖性顆粒變細(xì)，巖石含水量呈減小的趨勢。

（3）不同巖性的導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)α與含水量呈負(fù)相關(guān)，容積比熱容C與含水量則呈正相關(guān)。

圖3 不同巖性平均含水量曲線Fig.3 Average water content curves of different lithologies

3.4 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)

3.4.1 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)分析

在示范區(qū)內(nèi)選擇4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了4 組熱響應(yīng)試驗(yàn)，測試孔鉆孔深度152 m，換熱器類型為雙U 型，埋管深度152 m，埋管直徑為DN32 mm，壁厚3.0 mm。分別對巖土體初始平均溫度、小功率恒熱流、大功率恒熱流進(jìn)行了試驗(yàn)，每次加熱（冷）負(fù)荷停止后，均進(jìn)行了地溫恢復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3 及圖5。

圖5 不同試驗(yàn)孔巖土熱物性參數(shù)曲線Fig.5 Curves of the geotechnical thermophysical parameters of different test holes

表3 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of field thermal response test results

圖4 不同巖性平均熱物性參數(shù)與含水量相關(guān)性曲線Fig.4 Correlation curves between average thermophysical parameters and water content of different lithologies

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）大功率與小功率兩個(gè)不同加熱條件下，對巖石的熱導(dǎo)率系數(shù)影響不大，在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)加熱功率及試驗(yàn)參數(shù)選取時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和取值。本次暫按照不同功率熱響應(yīng)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)加權(quán)取值確定參數(shù)。

（2）DJ1、DJ3 孔在同一場地，相距80 m，在基本相近的大加熱功率的情況下取得的導(dǎo)熱系數(shù)相差約14.1%，經(jīng)分析認(rèn)為14.1%的數(shù)值差異可能與埋管平均進(jìn)水溫度差異有關(guān)；DJ4 孔在兩個(gè)差異加大的加熱功率下取得的導(dǎo)熱系數(shù)相同，在許可誤差范圍。

3.4.2 地埋管換熱能力的確定

測試孔深度均為152 m，工作區(qū)152 m 以淺巖土體初始平均溫度約為17.47～18.08 ℃，各孔測試回填方式及換熱結(jié)果詳見表4 及圖6。

表4 測試孔現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)測試結(jié)果Table 4 Field thermal response test results of test holes

圖6 不同試驗(yàn)孔換熱能力曲線Fig.6 Heat transfer capacity curves of different test holes

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用中細(xì)砂回填換熱效果最好（DJ1 雙U）；其次為原漿回填（DJ4）（鉆遇地層累計(jì)砂層厚度較厚，原漿中砂含量較高）；之后為水泥+中細(xì)砂回填和膨潤土+中細(xì)砂回填。

與原漿回填相比，采用中細(xì)砂回填方式，擬合工況條件下的排熱能力和取熱能力分別提高4.3%和6.7%；采用水泥+細(xì)砂回填方式，擬合工況條件下的排熱能力和取熱能力分別降低1.5%和4.8%；采用膨潤土+中細(xì)砂回填方式，擬合工況條件下的排熱能力和取熱能力分別降低5.7%和0.4%。

此外，根據(jù)DJ1 孔“雙U”和“單U”兩組試驗(yàn)的換熱能力可以看出，與“雙U”相比，“單U”每延米排熱量下降20.69%，每延米取熱量下降11.99%，說明“單U”雖然孔內(nèi)換熱管長度減半，但是仍具有較強(qiáng)的換熱能力。

3.5 地質(zhì)環(huán)境影響動(dòng)態(tài)監(jiān)測

采用地埋管換熱系統(tǒng)，傳熱介質(zhì)通過密閉的管內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)傳熱介質(zhì)與地下巖土層的熱交換。整個(gè)換熱過程與地下水無直接接觸，避免了對地下水水質(zhì)、水位等的侵?jǐn)_。同時(shí)，為了評估項(xiàng)目運(yùn)行對地質(zhì)的環(huán)境影響，在場地不同位置布設(shè)15 個(gè)地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測孔和3 個(gè)地下水環(huán)境影響監(jiān)測孔，并按層位安裝監(jiān)測儀器，定期取樣化驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對地下土壤溫度場，地下水水溫、水質(zhì)和微生物變化等進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

3.6 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

綜上所述，建設(shè)場地含水層回灌能力較弱，建設(shè)區(qū)巖土具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容，有利于熱量的傳導(dǎo)與保持。相較于地下水換熱系統(tǒng)，地埋管換熱系統(tǒng)更適用于建設(shè)區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。

示范工程最終在黃河迎賓館湖底和樹林區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱孔360 個(gè)，采用De32 mm 雙U 型PE管，換熱孔間距5 m。根據(jù)場地巖土熱物性參數(shù)分析，確定單孔有效深度150 m，鉆孔孔徑180 mm，既能節(jié)約建設(shè)成本，又能減少換熱場地面積。

根據(jù)不同回填材料現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，下管完畢后設(shè)計(jì)采用中細(xì)砂回填。

設(shè)計(jì)水平管與雙U 垂直換熱孔采用雙回路連接，在雙U 換熱孔內(nèi)，一條支路出現(xiàn)故障廢棄時(shí)，另一條支路可變換成單U 換熱孔運(yùn)行，仍具有較強(qiáng)的換熱能力。

同時(shí)布設(shè)15 個(gè)地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測孔和3 個(gè)地下水監(jiān)測孔，對地下溫度場、水質(zhì)及微生物等環(huán)境影響進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)。

4 結(jié)論

（1）建設(shè)區(qū)位于鄭州市北部的黃河沖積平原，黃河沖積平原為強(qiáng)富水性區(qū)，含水層以粉細(xì)砂為主，水位埋深淺，回灌量僅107.37 m3/d，回灌能力較差。

（2）根據(jù)對不同巖性熱物理參數(shù)分析，認(rèn)為隨巖性顆粒變細(xì)，導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)α有增大的趨勢，容積比熱容C則呈減小的趨勢。不同巖性中，隨著巖性顆粒變細(xì)，巖石含水百分量呈減小的趨勢。不同巖性的導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)α與含水量呈負(fù)相關(guān)，容積比熱容C與含水量則呈正相關(guān)；其中粉細(xì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ和熱擴(kuò)散系數(shù)α平均值最大。

（3）根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，采用中細(xì)砂回填換熱效果最好，其次為原漿回填，最后為水泥+中細(xì)砂回填和膨潤土+中細(xì)砂回填。

（4）通過綜合研究分析，建設(shè)區(qū)巖土具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容，有利于熱量的傳導(dǎo)與保持。相較于地下水換熱系統(tǒng)，地埋管換熱系統(tǒng)更適用于建設(shè)區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。

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