巖土源熱泵在喀斯特地區的應用問題及對策

王 林，陳 橙，毛瑞勇，裴 鵬

1.貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院，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的巖土體、地下水和地表水中，具有可開發利用價值、溫度低于25 ℃的熱能［1］，其具有取用方便、可循環再生、清潔環保、分布廣泛、儲量巨大等特點［2］. 作為化石能源的替代資源，通過地源熱泵技術在336 個地級市以上城市進行開發利用，每年將節省約標準煤7×108t 的能源量［3］，能夠有效減少二氧化碳和污染物排放［4］，對促進節能減排、應對全球氣候變化和綠色生態文明建設、實現碳達峰及碳中和目標等具有非常重要的現實和戰略意義［5-8］.

巖土源熱泵系統是目前使用最為廣泛的熱泵類型［9］，通過地埋管閉式系統對地表0～200 m 內的巖土體進行換熱［10］，基本不會造成地下水破壞或污染. 系統運行穩定性和可靠性強［11］，不會輕易引發地質災害或環境污染等問題. 盡管熱泵技術目前已較為成熟，但是在喀斯特地區，其施工過程及換熱機理較為復雜，受眾多影響因素的制約. 前人利用Fluent 模擬軟件［12］、回填材料的導熱系數變化［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地質條件及鉆井技術影響因素的報道.

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

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條件的影響

巖土源熱泵系統的應用受區域氣候條件、地質構造、地層、水文地質因素的影響［15］，這些因素使地源熱泵在不同地區適應性不同. 同時由于喀斯特地區地形地貌的特殊性［16］，即使是在同一地區，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，孔深在150 m 左右，原砂回填鉆孔. 喀斯特地區獨特的巖溶特征使得碳酸鹽巖地層溶蝕構造比較發育，鉆孔剖面及地表很容易觀察到形成期次不同、方向不同及規模不同的溶隙和溶洞. ZK4 溶隙相對發育（圖1b），ZK5 地層較完整（圖1c），換熱器在ZK4 的環境中得不到充分的換熱空間，同時溶蝕構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. 通過現場調查，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，綜合導熱系數可達到10 W/m℃以上.

測試結果（圖2）顯示，當換熱孔所處的地質條件相當時（如ZK1、ZK2、ZK4、ZK5），靜止水位標高與綜合導熱系數成負相關關系，即當靜止水位較高，離地表距離越近時，鉆孔的綜合導熱系數相對增強. 反之，當靜止水位在垂向上距離地表越深時，鉆孔的綜合導熱系數相對減弱. 綜合導熱系數的變化直接導致巖土源熱泵系統的換熱能力受到影響，導熱系數越大，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生的變化比吸熱量要敏感.

圖2 試驗孔靜水位與綜合導熱系數、延米釋熱量及延米吸熱量關系圖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條件和巖溶構造環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利用適宜性分區，為建設巖土源熱泵系統提供了有利條件；另一方面巖溶發育且地下水富水含水性差的區域，巖土體物性會表現出較大的差異，當熱物性參數有10%的偏差就會導致鉆井數目和深度有5%的變化［2,5］，從而影響初投資成本，制約了系統的可持續開發利用.

2 潛孔錘鉆井技術存在的問題

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驅動，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

喀斯特地區使用空氣潛孔錘鉆井可以較大程度應對碳酸鹽巖較硬的地層條件和喀斯特地貌的地下復雜地質環境，在保證成孔率的基礎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，這些缺點亦會導致建設完成后系統運行效果達不到預期. 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，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熱系數與巖層綜合導熱系數相近，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熱系數［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施工流程繁瑣且為隱蔽工程（圖4），施工細節難以全面管控，出現的各種細節問題堆積會造成系統不能正常運行，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

喀斯特地區地下地質環境復雜，巖溶發育，部分區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近地端內熱阻小，遠地端鉆孔熱阻過大［23］的現象. 通過對不同換熱井進行熱響應實驗，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；近地端則出現熱短路，使內熱阻變小.

3.3 熱熔縮頸和溶瘤

對熱熔點隨機抽查，部分熱熔位置會發生縮頸現象（圖5b），尤其在現場交叉施工的情況下，地面尚未進行水平聯管的鉆孔熱交換器常被損壞，進行水平聯管時會出現大量熔接點. 熱熔縮頸和熔瘤會影響流經管路中換熱介質的流量和流速，通過使用ANSYS 軟件建模模擬管路縮頸與出現的熔瘤對流速的影響［24］，發現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

喀斯特地區鉆進過程中常見成片溶洞，存在換熱孔分布不均勻的現象. 水平聯管時少量鉆孔熱交換器距離偏遠，深化設計不足，個別鉆孔熱交換器水力失衡，無法運行. 埋管系統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，系統建設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，發現聯結特殊孔位的水平聯管出現水力失衡.

3.5 換熱孔短路

埋管系統隱蔽后整體試壓正常，但運行時個別支管出現管路短路情況［25］. 通過開挖核查短路的水平聯結管路，發現鉆孔熱交換器下管深度小于鉆進深度，系統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，致該組水平管聯結的鉆孔熱交換器全部失效，使埋管系統換取熱量大大降低. 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生坍孔；系統運行一段時間后，井內堵孔的碎石、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結部位.

4 建議與對策

1）注重基礎調查工作，做好開發利用評估

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

2）改進工藝技術，提升換熱能力

針對喀斯特地區使用空氣潛孔錘鉆進出現的問題，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熱阻，提高換熱井換熱量；原砂收集不易，可根據巖石破碎后膨脹系數計算單孔回填量，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，可用篩網和回填器篩取黏度小、粒徑合適的原砂注水回填.

3）優化施工過程，確保工程質量

針對喀斯特地區巖土源熱泵施工中出現的問題，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，而在近地端使用導熱系數較小的回填材料，盡可能避免出現熱短路；熱熔出現縮頸，可使用電熔配件進行熔接，防止出現熔瘤與縮頸，或對露出地面的熱交換器進行進一步保護，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水力失衡，可以選擇加長套管穿越溶洞區域繼續鉆井或調節主管平衡閥；下管時出現下管深度小于鉆進深度，可能支管會出現短路，可使用混凝土對換熱井進行封孔.

5 結語

巖土源熱泵在喀斯特地區應用時潛孔錘鉆井工藝與施工中存在問題會造成系統運行效果達不到預期.針對特殊的地質地貌條件、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對策，使巖土源熱泵在喀斯特地區能夠更好地應用，節能效果更為顯著. 同時為喀斯特地區地源熱泵施工技術規范和標準的制定提供一定方向，也為喀斯特地區巖土源熱泵的進一步研究方向給出一些引導.