王 林，陳 橙，毛瑞勇，裴 鵬

1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴州 貴陽 550000；2.昆明理工大學，云南 昆明 650000；3. 貴州綠能星新能源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550000；4. 貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025

0 引言

淺層地熱能一般指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中，具有可開發(fā)利用價值、溫度低于25 ℃的熱能［1］，其具有取用方便、可循環(huán)再生、清潔環(huán)保、分布廣泛、儲量巨大等特點［2］. 作為化石能源的替代資源，通過地源熱泵技術(shù)在336 個地級市以上城市進行開發(fā)利用，每年將節(jié)省約標準煤7×108t 的能源量［3］，能夠有效減少二氧化碳和污染物排放［4］，對促進節(jié)能減排、應(yīng)對全球氣候變化和綠色生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)碳達峰及碳中和目標等具有非常重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義［5-8］.

巖土源熱泵系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的熱泵類型［9］，通過地埋管閉式系統(tǒng)對地表0～200 m 內(nèi)的巖土體進行換熱［10］，基本不會造成地下水破壞或污染. 系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性強［11］，不會輕易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害或環(huán)境污染等問題. 盡管熱泵技術(shù)目前已較為成熟，但是在喀斯特地區(qū)，其施工過程及換熱機理較為復(fù)雜，受眾多影響因素的制約. 前人利用Fluent 模擬軟件［12］、回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化［13］及地埋管換熱模型［14］等方法分別在埋管方式、埋管深度及管內(nèi)流速等方面對地埋管換熱性能進行了研究，但缺乏針對喀斯特地區(qū)地質(zhì)條件及鉆井技術(shù)影響因素的報道.

筆者對貴州喀斯特地區(qū)巖土源熱泵系統(tǒng)的地質(zhì)條件及鉆井技術(shù)中存在的問題，結(jié)合工程實際的5 個換熱孔現(xiàn)場測試情況（圖1a），分析巖土源熱泵應(yīng)用出現(xiàn)問題的原因，對如何選擇有利地質(zhì)條件和保障鉆井技術(shù)提出建議，以期盡可能避免影響系統(tǒng)正常運行的問題出現(xiàn)，降低系統(tǒng)失敗的可能性，使系統(tǒng)正常運行或節(jié)能效果更為顯著.

圖1 巖土源熱泵試驗孔位置及碳酸鹽巖溶蝕特征Fig. 1 Location of rock-soil source heat pump test holes and corrosion characteristics of carbonate rocks

1 地層巖性及水文地質(zhì)條件的影響

巖土源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用受區(qū)域氣候條件、地質(zhì)構(gòu)造、地層、水文地質(zhì)因素的影響［15］，這些因素使地源熱泵在不同地區(qū)適應(yīng)性不同. 同時由于喀斯特地區(qū)地形地貌的特殊性［16］，即使是在同一地區(qū)，地層的巖土熱物性、地下水分布和滲流情況也會有較大的差異.

本研究5 口換熱孔均采用高密度聚乙烯PE100雙U 地埋管作為換熱器，以水作為換熱介質(zhì)，孔深在150 m 左右，原砂回填鉆孔. 喀斯特地區(qū)獨特的巖溶特征使得碳酸鹽巖地層溶蝕構(gòu)造比較發(fā)育，鉆孔剖面及地表很容易觀察到形成期次不同、方向不同及規(guī)模不同的溶隙和溶洞. ZK4 溶隙相對發(fā)育（圖1b），ZK5 地層較完整（圖1c），換熱器在ZK4 的環(huán)境中得不到充分的換熱空間，同時溶蝕構(gòu)造影響或改造了地下水的徑流條件，不利于保障滲流作用對提高換熱量的貢獻. 即便二者在相似的巖性條件下，且ZK4 地下水位淺于ZK5，但其換熱能力依然不如后者. 通過現(xiàn)場調(diào)查，ZK4 與ZK1 具有相似的地層巖性和地下水位條件，但ZK1 的地下水徑流條件更有利，涌水量可達到190 m3/d，綜合導(dǎo)熱系數(shù)可達到10 W/m℃以上.

測試結(jié)果（圖2）顯示，當換熱孔所處的地質(zhì)條件相當時（如ZK1、ZK2、ZK4、ZK5），靜止水位標高與綜合導(dǎo)熱系數(shù)成負相關(guān)關(guān)系，即當靜止水位較高，離地表距離越近時，鉆孔的綜合導(dǎo)熱系數(shù)相對增強. 反之，當靜止水位在垂向上距離地表越深時，鉆孔的綜合導(dǎo)熱系數(shù)相對減弱. 綜合導(dǎo)熱系數(shù)的變化直接導(dǎo)致巖土源熱泵系統(tǒng)的換熱能力受到影響，導(dǎo)熱系數(shù)越大，單位延米的釋熱量和吸熱量隨之越高，總體上釋熱量隨之發(fā)生的變化比吸熱量要敏感.

圖2 試驗孔靜水位與綜合導(dǎo)熱系數(shù)、延米釋熱量及延米吸熱量關(guān)系圖Fig. 2 The relation of static water level to comprehensive thermal conductivity，heat release and heat absorption

因此，喀斯特獨特的水文地質(zhì)條件和巖溶構(gòu)造環(huán)境確實為地下水提供了良好的賦存空間和便利的通道. 一方面可消除或緩解熱積聚［17］，能使巖土體換熱能力增強［18］和使地埋管換熱器單位深度換熱功率增大［19］，通過對淺層地熱能進行開發(fā)利用適宜性分區(qū)，為建設(shè)巖土源熱泵系統(tǒng)提供了有利條件；另一方面巖溶發(fā)育且地下水富水含水性差的區(qū)域，巖土體物性會表現(xiàn)出較大的差異，當熱物性參數(shù)有10%的偏差就會導(dǎo)致鉆井數(shù)目和深度有5%的變化［2,5］，從而影響初投資成本，制約了系統(tǒng)的可持續(xù)開發(fā)利用.

2 潛孔錘鉆井技術(shù)存在的問題

空氣潛孔錘鉆進是以空氣壓縮機壓縮的空氣為動力，將壓縮空氣通過輸送管送入鉆桿，其潛孔錘產(chǎn)生的沖擊功率和沖擊頻率直接傳給鉆頭，再通過鉆機和鉆桿的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的脈動破碎能力，同時利用潛孔錘排出的壓縮空氣將破碎完成的巖石顆粒送上地面（圖3）.

圖3 空氣潛孔錘鉆井施工圖Fig. 3 Drilling operation of air pressure DTH hammer

喀斯特地區(qū)使用空氣潛孔錘鉆井可以較大程度應(yīng)對碳酸鹽巖較硬的地層條件和喀斯特地貌的地下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，在保證成孔率的基礎(chǔ)上縮短施工工期且對地層污染較小. 但其工藝仍存在一定缺點，這些缺點亦會導(dǎo)致建設(shè)完成后系統(tǒng)運行效果達不到預(yù)期. 主要問題如下：1）空氣潛孔錘鉆井靠鉆機自帶水平儀不能保證鉆井成孔偏差在1%以內(nèi)，鉆機鉆桿間螺紋連接，螺紋磨損使鉆桿間連接不夠緊密，多根鉆桿連接后無法保證鉆桿垂直度；鉆孔垂直度偏差較大會導(dǎo)致鉆桿岔孔，可能會將附近已完成下管的鉆孔換熱器破壞；同時會讓灌漿回填材料無法順利到達換熱井底部，在一定程度上使鉆孔換熱器換熱率降低. 2）通?？諝鉂摽族N鉆進遇碎石層超過1.5 m 時，脈動破碎震動較大，容易導(dǎo)致碎石層坍塌，造成卡鉆或埋鉆，致使每孔下管深度不足，增加鉆孔數(shù)量和換熱器長度的耗費. 3）吹出的原砂粒徑基本在4～8 mm 之間，利于孔隙的填充，可以使回填料之間有更多接觸，降低孔隙度，且此粒徑不會阻礙巖層有效孔隙度中裂隙水的滲流，可進一步提高鉆孔熱交換器的換熱率. 項目施工中為保證灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)與巖層綜合導(dǎo)熱系數(shù)相近，一般使用潛孔錘吹出的原漿、原砂注水回填［20］. 潛孔錘吹出原砂四散飛濺，原砂與泥漿混合后難收集，致回填材料的原位有效導(dǎo)熱系數(shù)［21］相差較大，同時原砂泥漿混合黏度較大，回填不易.

3 施工中存在的問題

巖土源熱泵埋管系統(tǒng)施工流程繁瑣且為隱蔽工程（圖4），施工細節(jié)難以全面管控，出現(xiàn)的各種細節(jié)問題堆積會造成系統(tǒng)不能正常運行，且隱蔽后難以檢查是何種原因造成.

圖4 地源熱泵施工流程圖Fig. 4 Flowchart of ground source heat pump

3.1 串孔

喀斯特地區(qū)地下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖溶發(fā)育，部分區(qū)域存在密且寬的裂隙，鉆孔、管井沖洗時潛孔錘吹出的壓縮空氣沿裂隙送至相鄰的換熱井，壓縮空氣將回填材料從換熱井返出地面，形成串孔（圖5a）. 壓縮空氣經(jīng)過裂隙并裹挾尖銳碎石，很容易造成相鄰已完成下管的鉆孔熱交換器破壞；管井內(nèi)灌漿回填材料返出地面會造成換熱井鉆孔熱阻過大和坍孔，降低換熱率.

圖5 串孔及熱熔縮頸Fig. 5 Serial holes and hot-melt necking

3.2 回填不充分

高效的回填材料有利于提高地埋管的換熱效率［22］，但回填換熱井往往出現(xiàn)近地端內(nèi)熱阻小，遠地端鉆孔熱阻過大［23］的現(xiàn)象. 通過對不同換熱井進行熱響應(yīng)實驗，將鉆孔熱交換器的進出口水溫與近地端溫度對比. 分析認為遠地端熱阻異常原因可能是灌漿回填材料下沉不到位、不密實，使鉆孔熱阻變大；近地端則出現(xiàn)熱短路，使內(nèi)熱阻變小.

3.3 熱熔縮頸和溶瘤

對熱熔點隨機抽查，部分熱熔位置會發(fā)生縮頸現(xiàn)象（圖5b），尤其在現(xiàn)場交叉施工的情況下，地面尚未進行水平聯(lián)管的鉆孔熱交換器常被損壞，進行水平聯(lián)管時會出現(xiàn)大量熔接點. 熱熔縮頸和熔瘤會影響流經(jīng)管路中換熱介質(zhì)的流量和流速，通過使用ANSYS 軟件建模模擬管路縮頸與出現(xiàn)的熔瘤對流速的影響［24］，發(fā)現(xiàn)流速變化在一定程度上會使鉆孔熱交換器換熱效率降低.

3.4 換熱孔分布不均

喀斯特地區(qū)鉆進過程中常見成片溶洞，存在換熱孔分布不均勻的現(xiàn)象. 水平聯(lián)管時少量鉆孔熱交換器距離偏遠，深化設(shè)計不足，個別鉆孔熱交換器水力失衡，無法運行. 埋管系統(tǒng)水力失衡在隱蔽后難以檢測，可以通過施工中記錄特殊孔位的鉆孔熱交換器，系統(tǒng)建設(shè)完成運行一段時間后測量二級分集水器每組支管流量進行對比，發(fā)現(xiàn)聯(lián)結(jié)特殊孔位的水平聯(lián)管出現(xiàn)水力失衡.

3.5 換熱孔短路

埋管系統(tǒng)隱蔽后整體試壓正常，但運行時個別支管出現(xiàn)管路短路情況［25］. 通過開挖核查短路的水平聯(lián)結(jié)管路，發(fā)現(xiàn)鉆孔熱交換器下管深度小于鉆進深度，系統(tǒng)運行一段時間后鉆孔熱交換器下沉，將支管四通熱熔連接部位扯斷，致該組水平管聯(lián)結(jié)的鉆孔熱交換器全部失效，使埋管系統(tǒng)換取熱量大大降低. 下管深度小于鉆進深度的原因一般是洗井不充分或鉆桿提升過程中，鉆桿與井壁碰觸，巖層不密實位置發(fā)生坍塌造成孔堵或下管過程中鉆孔熱交換器與井壁碰觸發(fā)生坍孔；系統(tǒng)運行一段時間后，井內(nèi)堵孔的碎石、回填材料下沉，鉆孔熱交換器懸空扯斷地面支管與水平管聯(lián)結(jié)部位.

4 建議與對策

1）注重基礎(chǔ)調(diào)查工作，做好開發(fā)利用評估

喀斯特地區(qū)巖石較高的導(dǎo)熱系數(shù)和地下水活動帶來的冷熱自平衡，為淺層地熱能的開發(fā)利用提供了較好的基礎(chǔ)條件，使地源熱泵技術(shù)在該區(qū)域的成功應(yīng)用得到了充分融合. 但巖溶構(gòu)造（溶隙、溶洞等）發(fā)育且水文條件差的區(qū)域，不利于系統(tǒng)可持續(xù)的開發(fā)利用.因此，在喀斯特地區(qū)不可盲目開發(fā)利用淺層地熱能項目，應(yīng)先開展適宜性評估，尤其是使用地質(zhì)調(diào)查和地球物理探測等方法，查明場地地層巖性、斷層、巖溶構(gòu)造及水文地質(zhì)等情況，結(jié)合項目施工難易程度和投入產(chǎn)出比等因素，綜合研判是否需要應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，或者考慮“地源熱泵+”的多能互補方案.

2）改進工藝技術(shù)，提升換熱能力

針對喀斯特地區(qū)使用空氣潛孔錘鉆進出現(xiàn)的問題，提出以下建議：為鉆機配備鉆鋌或扶正器，以此提高鉆井垂直度；遇碎石層致下管深度不足的情況，在鉆孔熱交換器遠地端使用污染小、導(dǎo)熱性能好、粒徑合適的相變材料加強底部換熱，近地端使用熱阻小的相變材料，減小鉆孔熱交換器的內(nèi)熱阻，提高換熱井換熱量；原砂收集不易，可根據(jù)巖石破碎后膨脹系數(shù)計算單孔回填量，缺少的原砂使用熱阻大材料回填近地端鉆孔熱交換器；回填不易，可用篩網(wǎng)和回填器篩取黏度小、粒徑合適的原砂注水回填.

3）優(yōu)化施工過程，確保工程質(zhì)量

針對喀斯特地區(qū)巖土源熱泵施工中出現(xiàn)的問題，給出以下對策：鉆機鉆井遇串孔可采用水泥封堵裂隙后繼續(xù)鉆孔，在一定程度上可避免相鄰鉆孔熱交換器破壞和換熱井坍孔；換熱井回填率低可以使用原砂回填器勻速緩慢且多回次地回填，保證回填材料在緩慢下沉的過程中密實地填充換熱井，而在近地端使用導(dǎo)熱系數(shù)較小的回填材料，盡可能避免出現(xiàn)熱短路；熱熔出現(xiàn)縮頸，可使用電熔配件進行熔接，防止出現(xiàn)熔瘤與縮頸，或?qū)β冻龅孛娴臒峤粨Q器進行進一步保護，避免使用熱熔配件延長熱交換支管路；熱交換器分布不均出現(xiàn)水力失衡，可以選擇加長套管穿越溶洞區(qū)域繼續(xù)鉆井或調(diào)節(jié)主管平衡閥；下管時出現(xiàn)下管深度小于鉆進深度，可能支管會出現(xiàn)短路，可使用混凝土對換熱井進行封孔.

5 結(jié)語

巖土源熱泵在喀斯特地區(qū)應(yīng)用時潛孔錘鉆井工藝與施工中存在問題會造成系統(tǒng)運行效果達不到預(yù)期.針對特殊的地質(zhì)地貌條件、潛孔錘施工工藝及過程管理中存在的問題提出了改進建議和相應(yīng)對策，使巖土源熱泵在喀斯特地區(qū)能夠更好地應(yīng)用，節(jié)能效果更為顯著. 同時為喀斯特地區(qū)地源熱泵施工技術(shù)規(guī)范和標準的制定提供一定方向，也為喀斯特地區(qū)巖土源熱泵的進一步研究方向給出一些引導(dǎo).