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)
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(chǔ)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。
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(chǔ)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。
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)?;毓嗄芰Φ拇笮Q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)。
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。
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。
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
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
3.4.1 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。
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。
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)。
(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。