淺層地熱能開發的地質環境問題及關鍵技術研究

推薦：淺層地熱能監測系統/地溫監測系統

【摘要】：目前,國內淺層地熱能開發利用的主要方式有水源熱泵和土壤源地埋管熱泵兩種。其中,地下能源采集系統工程設計的合理性和工程質量直接影響著周邊地質環境和熱交換效率穩定性問題。為此,針對存在的突出問題通過大量的調研、資料收集分析研究了淺層地熱能開發過程中由于工程問題導致的熱貫通、地下水位下降、地面塌陷、水質惡化等地質環境問題；結合工程實踐和專題試驗從成井管材、施工工藝、材料選擇提出了具體的解決措施和技術方案。特別是針對傳統的“一井抽多井回”模式存在的占地面積大、回灌困難問題,提出了“單井抽回兩用系統”和“PVC-U塑料管成井技術”設計思路,并結合生產實際進行了室內和生產性試驗。其中,鄭州滎陽鑫苑小區“單井抽回兩用系統”解決了細顆粒松散地層回灌困難等問題,通過4年的運行情況證實：系統參數穩定、供熱制冷效果可靠,取得了顯著地經濟效益、社會效益和環境效益。淺層地熱能是一種可再生綠色能源,其能量相當于9.4×1020KJ的熱能或3.2×105億t標準煤的熱量。具有埋藏淺、分布廣泛、開發成本低等特點,在目前技術經濟條件下,淺層地熱能通過熱泵機組進行能量的提取和交換,可以替代煤炭、石油、天然氣實現建筑物供暖制冷。我國在淺層地熱能開發領域雖然起步較晚,但發展速度較快,尤其是近1 0年,我國的華北平原、東北、西北等地區逐步大面積開發利用淺層地熱能。同時,國家及相關部委也相繼出臺了一系列鼓勵政策和優惠措施。在目前實際開發利用情況來看：許多地區存在著前期適宜性勘查評價滯后、管理混亂、盲目建設、從業人員技術參差不齊等,從而因為工程技術問題導致了一系列地質環境和熱交換效率穩定性問題。如：地下水回灌困難、能量交換系統熱貫通等,由此造成地下水浪費、區域地下水位下降、地面沉降塌陷、水質污染惡化和生態環境的破壞。針對存在的突出問題,在通過大量調研和試驗,從地質環境問題、工程技術問題為切入點進行課題研究,并提出合理的解決措施,對今后淺層地熱能科學、合理、可持續開發利用、國家能源結構優化和節能減排具有積極的意義。淺層地熱能開發涉及水工環地質、腐蝕科學、鉆探、暖通和機電安裝等專業領域。其中,地下能源采集系統是整個供暖制冷系統的關鍵。開發利用的合理性直接影響著生態環境和地質環境。通過TRT-9型車載式巖土熱響應測試儀對現場實際土壤溫度的測試、地層冷熱平衡的分析研究和地源熱泵運行監測可知：在供暖制冷2個工況下,其運行時間大致相同時,地層基本可以達到冷熱平衡；在北方或南方地區,僅用于供暖或制冷或者供暖制冷2個工況運行時間相差較大時,地層冷熱平衡會隨時間而發生變化,終導致地層的冷熱平衡的破壞。由此可直接影響土壤中微生物種群數量、植被的生長速度、地下N2O和CH4集中釋放、地層孔隙度變化、水質變化等；當回灌率低時,將造成地下水資源浪費、水位下降、地面沉降塌陷等地質環境問題。地下水源熱泵還是土壤源地埋管熱泵系統,在開發淺層地熱能時都存在著系統腐蝕結垢問題。特別是地下水源熱泵系統是開式系統,地下水在整個管網和設備系統腐蝕結垢更加嚴重。許多地區的地下水源熱泵系統,由于水源井工程和管材選擇問題導致系列的腐蝕結垢,而出現水量逐年下降、回灌困難、水質惡化、地面管道堵塞等。腐蝕結垢問題嚴重影響著整個換熱系統的使用壽命、運行效果和地質環境。目前,我國多數的地下水源熱泵水井成井的管材有水泥管、鑄鐵管、普通鋼管,常用的是普通鋼管和鍍鋅橋式過濾管組合的成井管柱。通過常用成井材料的腐蝕結垢試驗證明：所有的金屬管材都存在著腐蝕結垢現象,特別是鍍鋅橋式過濾管腐蝕速度快,在第7d時開始腐蝕結垢,150d時其過水縫隙幾乎全部堵塞。而PVC-U塑料管無論是在什么水質和時間中均不存在腐蝕結垢和溶解析出問題,是成井的好材料。研究與實際檢測發現：地下水源熱泵成井管材選擇與成井工藝決定著抽水井和回灌井的使用壽命和運行質量。其中,成井工藝中,鉆井方法與鉆進速度、鉆井液選擇、洗井方法選擇及成井質量與水源井的抽水和回灌量和效果有著直接關系。目前的成井管材和工藝使其使用壽命在2-8a,主要表現：由于腐蝕結垢堵塞使單井出水量和回灌量逐年減小管材腐蝕破裂后出混水、出砂、井內坍塌等。在土壤源地埋管設計和施工中,通過熱阻、雷諾數、傅力葉方程等計算公式和分析研究可以看出：地埋管熱交換效率和效果與地埋管材料、直徑、管壁厚度、鉆孔口徑有著密切關系；不同的圍填材料具有不同的導熱系數,其換熱效率及效果不同。砂、粘土均具有良好的導熱性,是地埋管圍填材料經濟適用的材料,可以就地取材,并且利用泥漿+鉆屑混合物作為圍填材料,可減少廢渣和廢漿處理費用。在泥漿+鉆屑混合物中,砂或者巖石碎屑作為骨料,其粒徑大小和均勻性對回填材料的性質有一定的影響,回填時骨料應選擇粒徑0.5～2mm的中粗砂為主。采用現場泥漿十鉆屑混合物作為圍填材料時,盡可能選擇均勻的中粗砂(巖屑)和0.8%左右的膨潤土混合材料,以便達到好的換熱效果。影響淺層地熱能開發的問題及因素很多,特別是地下水源熱泵系統的地下能源采集系統質量的好壞將直接影響著整個換熱效率和運行情況,是技術核心和關鍵。研究發現：傳統的正循環泥漿鉆進工藝存在著效率低、泥漿污染地層嚴重,洗井困難、成井質量較差,對單井抽水量和回灌量影響較大；而泵吸反循環和氣舉反循環等“欠平衡鉆井”鉆進方法具有井底干凈、無重復破碎、鉆井效率高、地層無污染、洗井容易等優點,成井質量好、能夠真實反映單井的出水量和回灌量。所以,在設計和施工中對于松散地層推薦泵吸反循環和氣舉反循環工藝；對于基巖地層則推薦空氣潛孔錘鉆進工藝。PVC-U塑料管在成井過程中存在下入困難和井管爆裂2個問題,從而影響著塑料管的推廣應用。PVC-U塑料管作為地下水源抽水井或回灌井管材使用,與金屬管材相比具有不腐蝕結垢、成井速度快、使用壽命長等諸多優點。針對PVC-U塑料管物理力學性能指標和特點,采用“井內壓力平衡法”下管工藝,解決了下管困難和爆裂問題。大成井深度已達437m,*國內外空白。通過分析研究總結了井管內外壓力差和動載荷(沖擊載荷)是導致塑料管體爆裂事故的2個主要原因。井內的泥漿密度過大和過濾縫隙堵塞是塑料管下入困難的主要原因。所以,在實際工程中必須采取必要的技術措施,盡可能減少井管內外的壓力差和動載荷(沖擊載荷)。目前國內外的“同井回灌”技術在水文地質條件好的地區得到了一定范圍的使用,其效果較好。但是,局限性較大、存在著不同程度的熱貫通問題。作者在此基礎上提出了“單井抽回兩用系統”,利用單口井(并列抽水井管和回灌管)在地下垂向距離地下水緩慢上升過程來實現能量交換和提取。根據不同的水文地質條件確定了3種設計方案,即：中部抽水—上部和下部回灌、下部抽水—上部回灌、上部抽水—下部回灌等方案。結合工程在鄭州滎陽鑫苑小區進行了2口井的設計和回灌試驗,終以2號井的設計和施工方案取得了成功,使回灌量達到了100%,并在小區16500m2建筑物得到了供暖制冷。經過4a的運行證明：系統運行穩定可靠、抽水回灌正常(70m3/h),取得了顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。總而言之,本文以實際工程試驗和大量的調查數據為依托,利用環境地質學、地下水科學和腐蝕科學理論系統對淺層地熱能開發造成的地質環境問題進行了全面分析研究,以鉆探和腐蝕科學學理論系統研究淺層地熱能開發中水源熱泵系統的關鍵技術,即：成井質量和地下水及時回灌,并提出了具體解決措施；通過試驗與實際工程,自主創新提出了“單井抽回兩用系統”技術方案和成井工藝方法,通過在實際應用取得了顯著的效益。該研究成果對今后淺層地熱能合理、科學開發利用提供了依據和技術支撐,為節能減排、可持續發展具有一定的推動作用。

【關鍵詞】：淺層地熱能 地質環境問題 工程技術問題 關鍵技術研究 單井抽回兩用系統 
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P314;TU83
【目錄】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• *章 緒論17-28
• §1.1 課題來源及研究目的和意義17-19
• 1.1.1 課題來源17
• 1.1.2 研究目的和意義17-19
• §1.2 國內外研究現狀及趨勢19-25
• 1.2.1 國內外研究現狀及問題19-24
• 1.2.2 淺層地熱清潔能源開發趨勢24-25
• §1.3 課題研究內容和技術路線25-26
• 1.3.1 課題研究內容25
• 1.3.2 課題研究技術路線25-26
• §1.4 本章小結26-28
• 第二章 淺層地熱能計算評價與地源熱泵28-38
• §2.1 淺層地熱能資源與政策28-29
• 2.1.1 淺層地熱能概念及資源量28
• 2.1.2 淺層地熱能開發政策28-29
• §2.2 淺層地熱能潛力計算與節能減排評價29-32
• 2.2.1 國家節能減排目標29
• 2.2.2 淺層地熱能潛力與經濟價值計算29-30
• 2.2.3 供暖制冷面積計算30-31
• 2.2.4 標準煤替代量和溫室氣體減排量計算31
• 2.2.5 節能減排效益分析與評價31-32
• §2.3 地源熱泵開發淺層地熱能方式及特點32-36
• 2.3.1 地源熱泵概念32
• 2.3.2 工作原理32-33
• 2.3.3 淺層地熱能開發主要方式33-35
• 2.3.4 地源熱泵主要特點35-36
• §2.4 本章小結36-38
• 第三章 淺層地熱能開發地質環境問題研究38-64
• §3.1 地源熱泵開發淺層地熱能熱污染問題38-53
• 3.1.1 土壤溫度測試及變化規律38-45
• 3.1.2 地層冷熱平衡分析研究45-49
• 3.1.3 熱污染造成的環境問題49-53
• §3.2 地下水位下降與地面沉降問題53-59
• 3.2.1 地下水位降深計算53-55
• 3.2.2 區域地下水位下降與漏斗的形成55-57
• 3.2.3 地面沉降與塌陷57-59
• §3.3 地下水質污染問題59-62
• 3.3.1 地下水污染現狀59-60
• 3.3.2 工程導致地下水污染原因及危害60-62
• §3.4 本章小結62-64
• 第四章 淺層地熱能開發工程問題研究64-86
• §4.1 熱泵系統腐蝕結垢問題與試驗研究64-74
• 4.1.1 熱泵系統中腐蝕結垢形式及危害64-65
• 4.1.2 地下管井腐蝕機理與類型65-68
• 4.1.3 常用過濾管腐蝕與結垢試驗68-74
• §4.2 地下水源井工程現狀及問題研究74-80
• 4.2.1 地下水源井工程現狀74-75
• 4.2.2 地下水源井工程問題75-80
• §4.3 地下埋管工程現狀及問題研究80-84
• 4.3.1 地下埋管工程現狀80
• 4.3.2 埋管及圍填材料問題研究80-84
• 4.3.3 鉆孔口徑及工藝問題研究84
• §4.4 本章小結84-86
• 第五章 淺層地熱能開發關鍵技術研究應用86-109
• §5.1 地下水源井工程關鍵技術86-88
• 5.1.1 地下水源熱泵井管材選擇86
• 5.1.2 地下水源鉆井技術86-88
• §5.2 PVC-U塑料管成井技術88-93
• 5.2.1 PVC-U塑料管特性88-89
• 5.2.2 PVC-U管物理力學性能89-90
• 5.2.3 PVC-U管成井關鍵技術90-91
• 5.2.4 PVC-U塑料管應用實例91-93
• §5.3 新型地下水源單井抽回兩用系統應用研究93-107
• 5.3.1 地下水源熱泵系統回灌主要類型與問題93-98
• 5.3.2 新型地下水源單井抽回兩用系統設計與試驗98-104
• 5.3.3 單井抽回兩用系統技術應用情況104-105
• 5.3.4 單井抽回兩用系統的特點105-106
• 5.3.5 效益分析106-107
• §5.4 本章小結107-109
• 第六章 結論與建議109-111
• 6.1 主要結論109-110
• 6.2 主要創新點110-111

• 關鍵詞：地熱井遠程監控系統/地熱井遠程控制方案/地熱井遠程監測系統/地熱井自動化監控/地熱水井實時監控/地熱井GPRS遠程監控系統/地熱井測溫系統

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