浅层地热能地下换热系统适宜性评价与优化设计
——以郑州市浅层地热能示范工程为例

卢 玮，尚永升，申云飞

（1.河南省地矿局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053；2.河南省深部探矿工程技术研究中心，河南 郑州 450053；3.河南省地热能开发工程技术研究中心，河南 郑州 450053）

0 引言

人类规模化活动导致气候变化和生态环境恶化已经成为不争事实，也是人类共同面对的一个全球性问题。其中，CO2的产生几乎都与人类对能源的需求和工业过程中传统化石燃料的排放密切相关［1-2］，据统计显示：我国化石类能源的消耗产生的CO2贡献率达90%［3］，2020 年，我国CO2排放量近100 亿t，位居世界第一［4］。所以，减少化石类能源消耗，寻找新的替代能源和资源势在必行。

地热资源是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的清洁可再生能源。从目前开发利用方式划分，地热资源主要有浅层地热能、中深层水热型地热和干热岩3 种类型，是目前和未来的重要能源和资源［5-6］。统计表明：地热能源利用系数高达73%，约是太阳能的5.4 倍、风能的3.6倍［7］。2015-2020年，全球新增地热发电约3649 GW，增长约27%，地热直接利用总装机容量增长52.0%，全球每年地热直接利用可减少2.526 亿t的CO2排放［8］。由此可见，地热资源的开发利用对减少CO2排放和抑制全球气候变化起到积极的作用［9］。

所以，大力推进地热资源勘查开发，对保障国家能源资源安全，构建清洁低碳、安全高效能源体系，实现碳中和目标具有重要的意义。

本文结合2021 年度郑州市浅层地热能示范工程建设项目，根据其适宜性评价原则，对浅层地热能开发利用的地下水换热和地埋管换热2 种地下换热系统进行试验研究，并提出优化设计方案。

1 浅层地热能地下换热系统类型

目前，国内浅层地热能地下换热系统从换热介质类型划分主要有地下水换热系统和地埋管换热系统2 种方式。这2 种浅层地热能开发利用方式与其它供暖制冷系统相比，可以实现供暖（冷）区域的零污染排放，直接改善适用区域的大气质量，具有资源分布广泛、储量巨大、安全稳定、开发便利、清洁高效等特点，属于可再生绿色能源［10］。但2 种方式各有利弊，地下水换热系统换热效率高、占用地下空间少、投资较低，突出问题是在细颗粒地层回灌率较低，对地质环境影响较大，水井及抽水设备需要持续维护保养，对水文地质条件及水质要求高；地埋管换热系统对水文地质条件适宜性较强、对地质环境影响较小、地下系统不需要维护保养，不占用地面空间，存在问题是换热效率相对地下水换热系统低、占用较大地下空间、投资较水源系统高。

2 地下换热系统适宜性评价内容

2.1 地下水换热系统

地下水换热系统主要由抽水井和回灌井组成，能否保证供暖制冷持续稳定，主要取决于水资源量、回灌能力、成井质量和设备使用寿命。所以，对于地下水源换热系统重点应从区域水文地质条件、回灌能力、水质和地质环境损害等方面进行评价［11-14］。

（1）区域水文地质条件评价。采用地下水源换热系统供暖制冷时，首先考虑地下水资源量能否满足需求，并且水位埋深和钻井深度不宜过深。评价时重点考虑地下水的富水性、补给条件、开采潜力3个因素。

（2）地下换热系统回灌能力评价。回灌能力的大小决定区域地质环境的损害程度和工程成本，同时也决定了整个系统的成败。影响回灌效果的因素主要有含水层岩性、地下水位埋深和成井质量。含水层颗粒越粗，越有利于回灌。据实际工程表明：一般情况下，构造含水层和卵砾石含水层中回灌率为70%～100%；粗砂、中砂含水层中回灌率为40%～70%；中细砂含水层中回灌率为30%～50%；细砂、粉砂含水层中回灌率＜30%。水位埋深对总回灌量的大小影响明显，在成井质量理想的情况下，水位埋深越大、含水层颗粒越粗，单位回灌量越大。

（3）地下水水质评价。水质的好坏直接影响系统管网和设备的使用寿命。地下水水质评价包括温度、化学成分、浑浊度、含砂量、硬度、矿化度等，在此基础上应重点进行腐蚀性评价。

（4）地质环境损害评价。在水质和腐蚀性评价基础上，对可能造成的地下水位下降、水质变化、地面沉降和尾水排放等进行预测和评价。

2.2 地埋管换热系统

由于地下水换热系统回灌问题、地下水保护区划分和钻井取水许可等政策限制，地下埋管换热系统被广泛应用。在进行适宜性评价时，一般包括以下内容和指标：

（1）场地岩土特性评价。场地地层条件和岩土特性是浅层地热能资源赋存的基本条件，包括岩土体的地层岩性、结构、颗粒度、密度、比热、地层厚度、含水率和岩土力学参数等。重点考虑地埋管钻探的经济性、钻探方法和回填材料选择，与此同时需要取样测试，主要用于评价岩土层的导热性能、换热效率等。值得注意的是不同岩性其导热系数、容积比热容数值相差较大，多数情况下钻孔由不同岩性组成。所以，为了更加精准取得岩土综合热物参数和优化工程设计，在此单项测试基础上必须进行岩土热响应试验［15］。需要说明的是单位孔深换热量不是恒定不变的，它与很多因素有关［16-18］。因此，单位孔深换热量的取值工程设计中应加以注意。

（2）水文地质条件评价。实践证明区域水文地质条件较好地区，其地下埋管系统换热效率更高，因为地下水的流动减小了热阻，为散热和吸热创造了有利条件。所以，在地下埋管换热系统适宜性评价中应进行地层岩土体的含水率、含水层结构、水动力条件、地下水径流、地下水渗流等水文地质条件评价。

（3）热失衡评价。主要对供暖制冷2 个工况条件下冷热失衡导致的换热效率变化，地下水水质和土壤中微生物、种群变化及影响的监测评估。

3 郑州市浅层地热能示范工程优化设计

3.1 项目来源及要求

郑州市浅层地热能示范工程为2021 年度郑州市多要素城市地质调查子项目，依托河南省黄河迎宾馆原有和正在实施的节能改造项目进行示范工程建设。工作内容包括前期建设场地勘查试验、设计、地下换热工程建设、监测系统建设和浅层地热能展示系统建设等，同时解决宾馆部分别墅楼近31350 m2建筑面积的供暖制冷。

根据河南省黄河迎宾馆地源热泵（一期）项目情况，地源热泵空调系统建设内容包括300 口双U 型PE 管垂直地埋管系统，其中单口井换热量5 kW，井深120 m，井径180 mm，井与井的间距5 m，连接井之间的水平管采用同程连接，取得了良好的节能效果和环境效益。因此，本次设计拟采用原设计方案，同时，对建设场地地下水换热方式进行可行性分析。

为了优化设计，开展了示范工程区内抽水与回灌试验、示范项目前期试验和分析研究。

3.2 示范工程区抽水与回灌试验

示范工程位于郑州市北部黄河冲积平原内，含水层以粉细砂为主，局部夹粗砂和砾石，顶板埋深10～15 m，地下水位埋深5～15 m。本次示范工程首先在黄河迎宾馆3 个地下水环境影响监测孔中，分别进行3 个落程的稳定流抽水试验及自流回灌试验。

3.2.1 抽水试验

根据潜水含水层单孔稳定流抽水试验资料，按下式计算水文地质参数：

式中：K——渗透系数，m/d；Q——稳定抽水量或注水量，m3/d；H——未抽水时含水层厚度，m；h——抽水含水层厚度，m；S——水位降深或升深，m；R——影响半径，m；r——过滤器半径，m。

三组抽水试验主要参数成果见表1。

从表1 可以看出：三组抽水试验的单位涌水量平均值为9.36 m3/（h·m），表明建设区含水层富水性较好，渗透系数平均值为8.14 m/d，渗透性相对较差。

表1 抽水试验主要参数成果Table1 Main parameter results of pumping test

3.2.2 回灌试验

该区岩性主要由粉砂岩及粉细砂岩组成，从表1 可知，其渗透性较差，根据抽水回灌试验所得数据，绘制其回灌量变化曲线（如图1 所示）。回灌时，前20 min 内，水位变化较快，随着时间的延长，水位增加，回灌速率越来越慢，根据场地SJ2 孔回灌试验数据，其回灌量为107.37 m3/d。另外，建设区含水层水位埋深基本在5～15 m，埋深较浅，总体评价含水层回灌能力较弱。

图1 SJ2 孔回灌量变化曲线Fig.1 Recharge volume change curve

3.3 岩土热物性参数测试

本次在4 个热响应试验孔和14 个地质孔中共采取原状土样200 组进行热物性参数测试，获取了不同岩性岩土体的热物性指标（见表2 及图2～4）。

表2 不同岩性热物性参数统计Table 2 Summary of thermophysical parameters of different lithology

从图2～4 关系曲线反映出不同岩性热物理参数具有以下特征：

图2 不同岩性平均热物性参数曲线Fig.2 Curves of average thermophysical parameters for different lithologies

（1）随岩性颗粒变细，导热系数λ、热扩散系数α有增大的趋势，容积比热容C则呈减小的趋势。

（2）不同岩性中，随着岩性颗粒变细，岩石含水量呈减小的趋势。

（3）不同岩性的导热系数λ、热扩散系数α与含水量呈负相关，容积比热容C与含水量则呈正相关。

图3 不同岩性平均含水量曲线Fig.3 Average water content curves of different lithologies

3.4 岩土热响应试验

3.4.1 现场热响应试验分析

在示范区内选择4 个点进行了4 组热响应试验，测试孔钻孔深度152 m，换热器类型为双U 型，埋管深度152 m，埋管直径为DN32 mm，壁厚3.0 mm。分别对岩土体初始平均温度、小功率恒热流、大功率恒热流进行了试验，每次加热（冷）负荷停止后，均进行了地温恢复试验，试验结果见表3 及图5。

图5 不同试验孔岩土热物性参数曲线Fig.5 Curves of the geotechnical thermophysical parameters of different test holes

表3 现场热响应试验结果统计Table 3 Summary of field thermal response test results

图4 不同岩性平均热物性参数与含水量相关性曲线Fig.4 Correlation curves between average thermophysical parameters and water content of different lithologies

从试验结果可以看出：

（1）大功率与小功率两个不同加热条件下，对岩石的热导率系数影响不大，在进行现场试验加热功率及试验参数选取时，应根据实际工程运行的参数进行设计和取值。本次暂按照不同功率热响应试验及室内试验参数加权取值确定参数。

（2）DJ1、DJ3 孔在同一场地，相距80 m，在基本相近的大加热功率的情况下取得的导热系数相差约14.1%，经分析认为14.1%的数值差异可能与埋管平均进水温度差异有关；DJ4 孔在两个差异加大的加热功率下取得的导热系数相同，在许可误差范围。

3.4.2 地埋管换热能力的确定

测试孔深度均为152 m，工作区152 m 以浅岩土体初始平均温度约为17.47～18.08 ℃，各孔测试回填方式及换热结果详见表4 及图6。

表4 测试孔现场热响应试验测试结果Table 4 Field thermal response test results of test holes

图6 不同试验孔换热能力曲线Fig.6 Heat transfer capacity curves of different test holes

试验结果表明：采用中细砂回填换热效果最好（DJ1 双U）；其次为原浆回填（DJ4）（钻遇地层累计砂层厚度较厚，原浆中砂含量较高）；之后为水泥+中细砂回填和膨润土+中细砂回填。

与原浆回填相比，采用中细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别提高4.3%和6.7%；采用水泥+细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别降低1.5%和4.8%；采用膨润土+中细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别降低5.7%和0.4%。

此外，根据DJ1 孔“双U”和“单U”两组试验的换热能力可以看出，与“双U”相比，“单U”每延米排热量下降20.69%，每延米取热量下降11.99%，说明“单U”虽然孔内换热管长度减半，但是仍具有较强的换热能力。

3.5 地质环境影响动态监测

采用地埋管换热系统，传热介质通过密闭的管内循环，实现传热介质与地下岩土层的热交换。整个换热过程与地下水无直接接触，避免了对地下水水质、水位等的侵扰。同时，为了评估项目运行对地质的环境影响，在场地不同位置布设15 个地质环境影响监测孔和3 个地下水环境影响监测孔，并按层位安装监测仪器，定期取样化验，以实现对地下土壤温度场，地下水水温、水质和微生物变化等进行长期动态监测。

3.6 优化设计结果

综上所述，建设场地含水层回灌能力较弱，建设区岩土具有较高的导热系数和容积比热容，有利于热量的传导与保持。相较于地下水换热系统，地埋管换热系统更适用于建设区浅层地热能开发利用。

示范工程最终在黄河迎宾馆湖底和树林区域优化设计地下换热孔360 个，采用De32 mm 双U 型PE管，换热孔间距5 m。根据场地岩土热物性参数分析，确定单孔有效深度150 m，钻孔孔径180 mm，既能节约建设成本，又能减少换热场地面积。

根据不同回填材料现场试验结果，下管完毕后设计采用中细砂回填。

设计水平管与双U 垂直换热孔采用双回路连接，在双U 换热孔内，一条支路出现故障废弃时，另一条支路可变换成单U 换热孔运行，仍具有较强的换热能力。

同时布设15 个地质环境影响监测孔和3 个地下水监测孔，对地下温度场、水质及微生物等环境影响进行监测和评价。

4 结论

（1）建设区位于郑州市北部的黄河冲积平原，黄河冲积平原为强富水性区，含水层以粉细砂为主，水位埋深浅，回灌量仅107.37 m3/d，回灌能力较差。

（2）根据对不同岩性热物理参数分析，认为随岩性颗粒变细，导热系数λ、热扩散系数α有增大的趋势，容积比热容C则呈减小的趋势。不同岩性中，随着岩性颗粒变细，岩石含水百分量呈减小的趋势。不同岩性的导热系数λ、热扩散系数α与含水量呈负相关，容积比热容C与含水量则呈正相关；其中粉细砂的导热系数λ和热扩散系数α平均值最大。

（3）根据现场热响应试验结果，采用中细砂回填换热效果最好，其次为原浆回填，最后为水泥+中细砂回填和膨润土+中细砂回填。

（4）通过综合研究分析，建设区岩土具有较高的导热系数和容积比热容，有利于热量的传导与保持。相较于地下水换热系统，地埋管换热系统更适用于建设区浅层地热能开发利用。