浅层地热能开发的地质环境问题及关键技术研究

【摘要】：目前,国内浅层地热能开发利用的主要方式有水源热泵和土壤源地埋管热泵两种。其中,地下能源采集系统工程设计的合理性和工程质量直接影响着周边地质环境和热交换效率稳定性问题。为此,针对存在的突出问题通过大量的调研、资料收集分析研究了浅层地热能开发过程中由于工程问题导致的热贯通、地下水位下降、地面塌陷、水质恶化等地质环境问题；结合工程实践和专题试验从成井管材、施工工艺、材料选择提出了具体的解决措施和技术方案。特别是针对传统的“一井抽多井回”模式存在的占地面积大、回灌困难问题,提出了“单井抽回两用系统”和“PVC-U塑料管成井技术”设计思路,并结合生产实际进行了室内和生产性试验。其中,郑州荥阳鑫苑小区“单井抽回两用系统”解决了细颗粒松散地层回灌困难等问题,通过4年的运行情况证实：系统参数稳定、供热制冷效果可靠,取得了显著地经济效益、社会效益和环境效益。浅层地热能是一种可再生绿色能源,其能量相当于9.4×1020KJ的热能或3.2×105亿t标准煤的热量。具有埋藏浅、分布广泛、开发成本低等特点,在目前技术经济条件下,浅层地热能通过热泵机组进行能量的提取和交换,可以替代煤炭、石油、天然气实现建筑物供暖制冷。我国在浅层地热能开发领域虽然起步较晚,但发展速度较快,尤其是近1 0年,我国的华北平原、东北、西北等地区逐步大面积开发利用浅层地热能。同时,国家及相关部委也相继出台了一系列鼓励政策和优惠措施。在目前实际开发利用情况来看：许多地区存在着前期适宜性勘查评价滞后、管理混乱、盲目建设、从业人员技术参差不齐等,从而因为工程技术问题导致了一系列地质环境和热交换效率稳定性问题。如：地下水回灌困难、能量交换系统热贯通等,由此造成地下水浪费、区域地下水位下降、地面沉降塌陷、水质污染恶化和生态环境的破坏。针对存在的突出问题,在通过大量调研和试验,从地质环境问题、工程技术问题为切入点进行课题研究,并提出合理的解决措施,对今后浅层地热能科学、合理、可持续开发利用、国家能源结构优化和节能减排具有积极的意义。浅层地热能开发涉及水工环地质、腐蚀科学、钻探、暖通和机电安装等专业领域。其中,地下能源采集系统是整个供暖制冷系统的关键。开发利用的合理性直接影响着生态环境和地质环境。通过TRT-9型车载式岩土热响应测试仪对现场实际土壤温度的测试、地层冷热平衡的分析研究和地源热泵运行监测可知：在供暖制冷2个工况下,其运行时间大致相同时,地层基本可以达到冷热平衡；在北方或南方地区,仅用于供暖或制冷或者供暖制冷2个工况运行时间相差较大时,地层冷热平衡会随时间而发生变化,最终导致地层的冷热平衡的破坏。由此可直接影响土壤中微生物种群数量、植被的生长速度、地下N2O和CH4集中释放、地层孔隙度变化、水质变化等；当回灌率低时,将造成地下水资源浪费、水位下降、地面沉降塌陷等地质环境问题。地下水源热泵还是土壤源地埋管热泵系统,在开发浅层地热能时都存在着系统腐蚀结垢问题。特别是地下水源热泵系统是开式系统,地下水在整个管网和设备系统腐蚀结垢更加严重。许多地区的地下水源热泵系统,由于水源井工程和管材选择问题导致系列的腐蚀结垢,而出现水量逐年下降、回灌困难、水质恶化、地面管道堵塞等。腐蚀结垢问题严重影响着整个换热系统的使用寿命、运行效果和地质环境。目前,我国多数的地下水源热泵水井成井的管材有水泥管、铸铁管、普通钢管,最常用的是普通钢管和镀锌桥式过滤管组合的成井管柱。通过常用成井材料的腐蚀结垢试验证明：所有的金属管材都存在着腐蚀结垢现象,特别是镀锌桥式过滤管腐蚀速度最快,在第7d时开始腐蚀结垢,150d时其过水缝隙几乎全部堵塞。而PVC-U塑料管无论是在什么水质和时间中均不存在腐蚀结垢和溶解析出问题,是成井的最佳材料。研究与实际检测发现：地下水源热泵成井管材选择与成井工艺决定着抽水井和回灌井的使用寿命和运行质量。其中,成井工艺中,钻井方法与钻进速度、钻井液选择、洗井方法选择及成井质量与水源井的抽水和回灌量和效果有着直接关系。目前的成井管材和工艺使其使用寿命在2-8a,主要表现：由于腐蚀结垢堵塞使单井出水量和回灌量逐年减小管材腐蚀破裂后出混水、出砂、井内坍塌等。在土壤源地埋管设计和施工中,通过热阻、雷诺数、傅力叶方程等计算公式和分析研究可以看出：地埋管热交换效率和效果与地埋管材料、直径、管壁厚度、钻孔口径有着密切关系；不同的围填材料具有不同的导热系数,其换热效率及效果不同。砂、粘土均具有良好的导热性,是地埋管围填材料最经济适用的材料,可以就地取材,并且利用泥浆+钻屑混合物作为围填材料,可减少废渣和废浆处理费用。在泥浆+钻屑混合物中,砂或者岩石碎屑作为骨料,其粒径大小和均匀性对回填材料的性质有一定的影响,回填时骨料应选择粒径0.5～2mm的中粗砂为主。采用现场泥浆十钻屑混合物作为围填材料时,尽可能选择均匀的中粗砂(岩屑)和0.8%左右的膨润土混合材料,以便达到最佳的换热效果。影响浅层地热能开发的问题及因素很多,特别是地下水源热泵系统的地下能源采集系统质量的好坏将直接影响着整个换热效率和运行情况,是技术核心和关键。研究发现：传统的正循环泥浆钻进工艺存在着效率低、泥浆污染地层严重,洗井困难、成井质量较差,对单井抽水量和回灌量影响较大；而泵吸反循环和气举反循环等“欠平衡钻井”钻进方法具有井底干净、无重复破碎、钻井效率高、地层无污染、洗井容易等优点,成井质量好、能够真实反映单井的出水量和回灌量。所以,在设计和施工中对于松散地层推荐泵吸反循环和气举反循环工艺；对于基岩地层则推荐空气潜孔锤钻进工艺。PVC-U塑料管在成井过程中存在下入困难和井管爆裂2个问题,从而影响着塑料管的推广应用。PVC-U塑料管作为地下水源抽水井或回灌井管材使用,与金属管材相比具有不腐蚀结垢、成井速度快、使用寿命长等诸多优点。针对PVC-U塑料管物理力学性能指标和特点,采用“井内压力平衡法”下管工艺,解决了下管困难和爆裂问题。最大成井深度已达437m,填补了国内外空白。通过分析研究总结了井管内外压力差和动载荷(冲击载荷)是导致塑料管体爆裂事故的2个主要原因。井内的泥浆密度过大和过滤缝隙堵塞是塑料管下入困难的主要原因。所以,在实际工程中必须采取必要的技术措施,尽可能减少井管内外的压力差和动载荷(冲击载荷)。目前国内外的“同井回灌”技术在水文地质条件好的地区得到了一定范围的使用,其效果较好。但是,局限性较大、存在着不同程度的热贯通问题。作者在此基础上提出了“单井抽回两用系统”,利用单口井(并列抽水井管和回灌管)在地下垂向距离地下水缓慢上升过程来实现能量交换和提取。根据不同的水文地质条件确定了3种设计方案,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。结合工程在郑州荥阳鑫苑小区进行了2口井的设计和回灌试验,最终以2号井的设计和施工方案取得了成功,使回灌量达到了100%,并在小区16500m2建筑物得到了供暖制冷。经过4a的运行证明：系统运行稳定可靠、抽水回灌正常(70m3/h),取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。总而言之,本文以实际工程试验和大量的调查数据为依托,利用环境地质学、地下水科学和腐蚀科学理论系统对浅层地热能开发造成的地质环境问题进行了全面分析研究,以钻探和腐蚀科学学理论系统研究浅层地热能开发中水源热泵系统的关键技术,即：成井质量和地下水及时回灌,并提出了具体解决措施；通过试验与实际工程,自主创新提出了“单井抽回两用系统”技术方案和成井工艺方法,通过在实际应用取得了显著的效益。该研究成果对今后浅层地热能合理、科学开发利用提供了依据和技术支撑,为节能减排、可持续发展具有一定的推动作用。 【关键词】：浅层地热能 地质环境问题 工程技术问题 关键技术研究 单井抽回两用系统
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P314;TU83
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-28
• §1.1 课题来源及研究目的和意义17-19
• 1.1.1 课题来源17
• 1.1.2 研究目的和意义17-19
• §1.2 国内外研究现状及趋势19-25
• 1.2.1 国内外研究现状及问题19-24
• 1.2.2 浅层地热清洁能源开发趋势24-25
• §1.3 课题研究内容和技术路线25-26
• 1.3.1 课题研究内容25
• 1.3.2 课题研究技术路线25-26
• §1.4 本章小结26-28
• 第二章 浅层地热能计算评价与地源热泵28-38
• §2.1 浅层地热能资源与政策28-29
• 2.1.1 浅层地热能概念及资源量28
• 2.1.2 浅层地热能开发政策28-29
• §2.2 浅层地热能潜力计算与节能减排评价29-32
• 2.2.1 国家节能减排目标29
• 2.2.2 浅层地热能潜力与经济价值计算29-30
• 2.2.3 供暖制冷面积计算30-31
• 2.2.4 标准煤替代量和温室气体减排量计算31
• 2.2.5 节能减排效益分析与评价31-32
• §2.3 地源热泵开发浅层地热能方式及特点32-36
• 2.3.1 地源热泵概念32
• 2.3.2 工作原理32-33
• 2.3.3 浅层地热能开发主要方式33-35
• 2.3.4 地源热泵主要特点35-36
• §2.4 本章小结36-38
• 第三章 浅层地热能开发地质环境问题研究38-64
• §3.1 地源热泵开发浅层地热能热污染问题38-53
• 3.1.1 土壤温度测试及变化规律38-45
• 3.1.2 地层冷热平衡分析研究45-49
• 3.1.3 热污染造成的环境问题49-53
• §3.2 地下水位下降与地面沉降问题53-59
• 3.2.1 地下水位降深计算53-55
• 3.2.2 区域地下水位下降与漏斗的形成55-57
• 3.2.3 地面沉降与塌陷57-59
• §3.3 地下水质污染问题59-62
• 3.3.1 地下水污染现状59-60
• 3.3.2 工程导致地下水污染原因及危害60-62
• §3.4 本章小结62-64
• 第四章 浅层地热能开发工程问题研究64-86
• §4.1 热泵系统腐蚀结垢问题与试验研究64-74
• 4.1.1 热泵系统中腐蚀结垢形式及危害64-65
• 4.1.2 地下管井腐蚀机理与类型65-68
• 4.1.3 常用过滤管腐蚀与结垢试验68-74
• §4.2 地下水源井工程现状及问题研究74-80
• 4.2.1 地下水源井工程现状74-75
• 4.2.2 地下水源井工程问题75-80
• §4.3 地下埋管工程现状及问题研究80-84
• 4.3.1 地下埋管工程现状80
• 4.3.2 埋管及围填材料问题研究80-84
• 4.3.3 钻孔口径及工艺问题研究84
• §4.4 本章小结84-86
• 第五章 浅层地热能开发关键技术研究应用86-109
• §5.1 地下水源井工程关键技术86-88
• 5.1.1 地下水源热泵井管材选择86
• 5.1.2 地下水源钻井技术86-88
• §5.2 PVC-U塑料管成井技术88-93
• 5.2.1 PVC-U塑料管特性88-89
• 5.2.2 PVC-U管物理力学性能89-90
• 5.2.3 PVC-U管成井关键技术90-91
• 5.2.4 PVC-U塑料管应用实例91-93
• §5.3 新型地下水源单井抽回两用系统应用研究93-107
• 5.3.1 地下水源热泵系统回灌主要类型与问题93-98
• 5.3.2 新型地下水源单井抽回两用系统设计与试验98-104
• 5.3.3 单井抽回两用系统技术应用情况104-105
• 5.3.4 单井抽回两用系统的特点105-106
• 5.3.5 效益分析106-107
• §5.4 本章小结107-109
• 第六章 结论与建议109-111
• 6.1 主要结论109-110
• 6.2 主要创新点110-111
• 致谢111-112
• 参考文献112-117

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

地源热泵长期运行对生态环境的影响    王艳霞;蒋绿林;高伟;

中国东部主要平原地下水质量与污染评价    文冬光;林良俊;孙继朝;张兆吉;姜月华;叶念军;费宇红;钱永;龚建师;周迅;张玉玺;

地下水开采导致总应力变化对地面沉降的影响    王静;唐仲华;邓青军;喻鹏;

绳索取心工艺在大口径深部钻探中的应用研究    卢予北;吴烨;陈莹;

塑料井管参考资料    

塑料井管在深井中的应用    

华北平原地下水资源功能衰退与恢复途径研究    杨丽芝;曲万龙;刘春华;

回灌水温对水源井抽水量的影响分析    戚美;

单井抽回两用系统在浅层地热能开发中的应用    卢予北;陈莹;

水源热泵系统应用对地下水环境的影响    廖荣;丁跃元;刘立才;罗遵兰;

地源热泵地埋管换热系统热堆积分析    朱娜

北京平原区地下水源热泵数值模拟研究    王海龙

新型杀菌灭藻剂ClO_2的特点、制备及经济性评价    牛金岭,逯宜媛

冻融作用对土壤理化及生物学性质的影响综述    魏丽红;

莴苣皮对铬离子吸附条件的优化    蒋新龙;

水冷器泄漏危害分析    姚杰;席宗敬;吴洪福;吴洪涛;李芙蓉;张立勇;

钢铁企业的绿色经营策略    李学东;

中型氮肥厂循环水的处理方案研究    崔执应;

酸性水的预防及控制    宁中和,史金霞

环境友好型阻垢剂聚天冬氨酸毒理性研究    赵哲,马放,杨士林

企业开展污水回用工作存在的主要问题及对策    马隽文;

焦化厂螺旋板换热器清洗与腐蚀和泄漏的关系    戴万红;王翠英;叶文红;

可见光响应纳米Cu_2O-TiO_2材料的制备及光催化性能研究    刘辉

循环冷却水水质条件对生物粘泥性质及控制的影响研究    马涛

季节冻土地区圆形基坑冻结壁模型试验研究    吉植强

地源热泵空调系统运行建模研究及能效分析    雷飞

地下水源热泵影响下的沈阳城区地下水系统数值模拟研究    周浩

低碳经济视阈下天津城市生态环境治理路径研究    姜仁良

磷酸盐控制释放玻璃的特性及其在水处理中的应用    高华生

煤焦油瓷漆研究    徐昌学

大豆活性成分的结构与功能评价    黄进

化学氧化活性染料及其降解机理的研究    章飞芳

曝气生物滤池技术在炼油污水回用中的应用    贺兆伟

氧化锌的制备、改性及其光催化性能的研究    徐超

模拟深海环境阴极保护初期钙镁沉积层的研究    曹振宇

有机硅缓蚀阻垢剂的应用研究    何程程

竹材加工剩余物制备竹活性炭及其吸附性能的研究    胡迅

聚天冬氨酸的合成及阻垢性能研究    刘政艳

沈阳城区地下水源热泵适宜性评价及应用模式研究    臧海洋

基于Fuzzy和重复PI控制的光伏并网发电系统的研究    孙晓玲

污水换热器结垢规律及在线清洗装置研究    冯源

环空保护液中油井管电偶腐蚀及牺牲阳极研制    曹亮

我国可再生能源的发展现状和策略    孔继君;郎南军;和丽萍;陈鹏;郑科;郭永清;彭明俊;袁瑞玲;向振勇;

我国多年冻土的主要特征    周幼吾,郭东信

试论中国高海拔多年冻土带的划分    程国栋,王绍令

1:400万中国冻土分布图的编制    徐斅祖,郭东信

地源热泵-供暖空调节能环保技术    李新国,胡璟,赵军,朱强,王施力

地源热泵的工程应用与 特性分析    涂锋华,赵军,朱强,宋佳钫,龚宇烈

地源热泵系统防冻液的选择    曲云霞,张林华,方肇洪,李安桂

温室效应对淡水生态系统的影响    刘靖,王建厅,张为华,杜桂森

地下热水回灌过程中渗透系数研究    何满潮,刘斌,姚磊华,徐能雄,任红艳

地下含水层热储井位置选择和布置    王明育,马捷,郝振良

基坑降水引起的沉降变形时空规律及降水控制研究    张莲花

自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究    王景刚

德州深层地下水位降落漏斗演变机制与可调控性研究    杨丽芝

PVC-U塑料管水井成井技术应用研究    卢予北

基于应力增量的场地降水地面沉降计算    胡志敏

基坑降水引起的地面沉降分析    李志平

北京平原区地下水源热泵数值模拟研究    王海龙

《北京市浅层地热能调查评价工作方案》通过评审    

我国浅层地热能利用趋热    

浅层地热能开发利用若干问题的思考    卫万顺;李宁波;冉伟彦;杨俊伟;

浅谈湖北省浅层地热能开发管理与环境保护    王泽锋;刘长宪;肖建红;

浅层地热能开发前景广阔    贺娇;

河北省衡水市区浅层地热能特征及应用前景分析    苏永强;刘忠凯;

在“上海市浅层地热能开发利用研讨会”上的讲话    陈华文;

上海如何开发利用浅层地热能    冯经明;

许昌市浅层地热能评价    洪念明;涂良权;王鑫;胡继华;陈瑾;涂金飞;

我国浅层地热能开发现状与发展趋势(三)    王秉忱;

区域浅层地热能调查    韩再生;

河南省浅层地热能开发利用现状、问题及对策    张德祯;

天津市浅层地热能研究浅析    靳宝珍;杨永江;李丹;刘斐;高亮;

浅层地热能的属性和利用    韩再生;

我国浅层地热能开发利用浅析    周洁;

安徽省浅层地热能开发利用    官煜;黄多成;陈学锋;李永红;

湖北省浅层地热能开发利用现状及存在的问题    牛俊强;周衍龙;李嵘;

浅层地热能的开发利用现状及在江西的发展前景    孙占学;

上海市浅层地热能资源及勘察利用方向探讨    徐剑斌;杨树彪;

天津市浅层地热能开发利用动态监测网建设    田光辉;程万庆;曾梅香;宋美钰;蔡芸;刘九龙;

我首部浅层地热能勘查评价技术规范即将出台    于德福

南昌启动浅层地热能调查    应勇华

浅层地热能的“搬运工”    本报记者 李响

南昌调查浅层地热能    应勇华

我国浅层地热能利用趋热    记者 孙宇浩　段金平

浅层地热能利用技术趋热    记者 周楚军 段金平

浅层地热能开发利用步入规范化轨道    记者 孙宇浩　段金平

大力推进浅层地热能开发利用    记者 于德福 段金平

我国浅层地热能开发步入规范化轨道    记者 段金平

河南:计划3～5年查明浅层地热能分布    严珊珊

浅层地热能开发的地质环境问题及关键技术研究    吴烨

上海浅层地热能分布规律及开发应用研究    章长松

宁夏沿黄河经济带重点城市浅层地热能利用适宜性评价研究    王涛

驻马店某地区浅层地热能调查评价    古艳艳

开封市城区浅层地热能资源评价研究    阮强

加格达奇区浅层地热能资源评价    孙永泉

宁夏重点地区地埋管现场热响应试验及浅层地热能资源评价    陈宇飞

滨海新区浅层地热能赋存规律及其开发利用对策研究    唐永香

河北省平原地区节能建筑中浅层地热能的应用研究    檀丽丽

天津市浅层地热能地质环境监测研究    陈海波

太阳能—浅层地热能复合空调监控系统    王玉红