岩土源热泵在喀斯特地区的应用问题及对策

王 林，陈 橙，毛瑞勇，裴 鹏

1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院，贵州 贵阳 550000；2.昆明理工大学，云南 昆明 650000；3. 贵州绿能星新能源开发有限公司，贵州 贵阳 550000；4. 贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025

0 引言

浅层地热能一般指蕴藏在地表以下一定深度范围内的岩土体、地下水和地表水中，具有可开发利用价值、温度低于25 ℃的热能［1］，其具有取用方便、可循环再生、清洁环保、分布广泛、储量巨大等特点［2］. 作为化石能源的替代资源，通过地源热泵技术在336 个地级市以上城市进行开发利用，每年将节省约标准煤7×108t 的能源量［3］，能够有效减少二氧化碳和污染物排放［4］，对促进节能减排、应对全球气候变化和绿色生态文明建设、实现碳达峰及碳中和目标等具有非常重要的现实和战略意义［5-8］.

岩土源热泵系统是目前使用最为广泛的热泵类型［9］，通过地埋管闭式系统对地表0～200 m 内的岩土体进行换热［10］，基本不会造成地下水破坏或污染. 系统运行稳定性和可靠性强［11］，不会轻易引发地质灾害或环境污染等问题. 尽管热泵技术目前已较为成熟，但是在喀斯特地区，其施工过程及换热机理较为复杂，受众多影响因素的制约. 前人利用Fluent 模拟软件［12］、回填材料的导热系数变化［13］及地埋管换热模型［14］等方法分别在埋管方式、埋管深度及管内流速等方面对地埋管换热性能进行了研究，但缺乏针对喀斯特地区地质条件及钻井技术影响因素的报道.

笔者对贵州喀斯特地区岩土源热泵系统的地质条件及钻井技术中存在的问题，结合工程实际的5 个换热孔现场测试情况（图1a），分析岩土源热泵应用出现问题的原因，对如何选择有利地质条件和保障钻井技术提出建议，以期尽可能避免影响系统正常运行的问题出现，降低系统失败的可能性，使系统正常运行或节能效果更为显著.

图1 岩土源热泵试验孔位置及碳酸盐岩溶蚀特征Fig. 1 Location of rock-soil source heat pump test holes and corrosion characteristics of carbonate rocks

1 地层岩性及水文地质条件的影响

岩土源热泵系统的应用受区域气候条件、地质构造、地层、水文地质因素的影响［15］，这些因素使地源热泵在不同地区适应性不同. 同时由于喀斯特地区地形地貌的特殊性［16］，即使是在同一地区，地层的岩土热物性、地下水分布和渗流情况也会有较大的差异.

本研究5 口换热孔均采用高密度聚乙烯PE100双U 地埋管作为换热器，以水作为换热介质，孔深在150 m 左右，原砂回填钻孔. 喀斯特地区独特的岩溶特征使得碳酸盐岩地层溶蚀构造比较发育，钻孔剖面及地表很容易观察到形成期次不同、方向不同及规模不同的溶隙和溶洞. ZK4 溶隙相对发育（图1b），ZK5 地层较完整（图1c），换热器在ZK4 的环境中得不到充分的换热空间，同时溶蚀构造影响或改造了地下水的径流条件，不利于保障渗流作用对提高换热量的贡献. 即便二者在相似的岩性条件下，且ZK4 地下水位浅于ZK5，但其换热能力依然不如后者. 通过现场调查，ZK4 与ZK1 具有相似的地层岩性和地下水位条件，但ZK1 的地下水径流条件更有利，涌水量可达到190 m3/d，综合导热系数可达到10 W/m℃以上.

测试结果（图2）显示，当换热孔所处的地质条件相当时（如ZK1、ZK2、ZK4、ZK5），静止水位标高与综合导热系数成负相关关系，即当静止水位较高，离地表距离越近时，钻孔的综合导热系数相对增强. 反之，当静止水位在垂向上距离地表越深时，钻孔的综合导热系数相对减弱. 综合导热系数的变化直接导致岩土源热泵系统的换热能力受到影响，导热系数越大，单位延米的释热量和吸热量随之越高，总体上释热量随之发生的变化比吸热量要敏感.

图2 试验孔静水位与综合导热系数、延米释热量及延米吸热量关系图Fig. 2 The relation of static water level to comprehensive thermal conductivity，heat release and heat absorption

因此，喀斯特独特的水文地质条件和岩溶构造环境确实为地下水提供了良好的赋存空间和便利的通道. 一方面可消除或缓解热积聚［17］，能使岩土体换热能力增强［18］和使地埋管换热器单位深度换热功率增大［19］，通过对浅层地热能进行开发利用适宜性分区，为建设岩土源热泵系统提供了有利条件；另一方面岩溶发育且地下水富水含水性差的区域，岩土体物性会表现出较大的差异，当热物性参数有10%的偏差就会导致钻井数目和深度有5%的变化［2,5］，从而影响初投资成本，制约了系统的可持续开发利用.

2 潜孔锤钻井技术存在的问题

空气潜孔锤钻进是以空气压缩机压缩的空气为动力，将压缩空气通过输送管送入钻杆，其潜孔锤产生的冲击功率和冲击频率直接传给钻头，再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的脉动破碎能力，同时利用潜孔锤排出的压缩空气将破碎完成的岩石颗粒送上地面（图3）.

图3 空气潜孔锤钻井施工图Fig. 3 Drilling operation of air pressure DTH hammer

喀斯特地区使用空气潜孔锤钻井可以较大程度应对碳酸盐岩较硬的地层条件和喀斯特地貌的地下复杂地质环境，在保证成孔率的基础上缩短施工工期且对地层污染较小. 但其工艺仍存在一定缺点，这些缺点亦会导致建设完成后系统运行效果达不到预期. 主要问题如下：1）空气潜孔锤钻井靠钻机自带水平仪不能保证钻井成孔偏差在1%以内，钻机钻杆间螺纹连接，螺纹磨损使钻杆间连接不够紧密，多根钻杆连接后无法保证钻杆垂直度；钻孔垂直度偏差较大会导致钻杆岔孔，可能会将附近已完成下管的钻孔换热器破坏；同时会让灌浆回填材料无法顺利到达换热井底部，在一定程度上使钻孔换热器换热率降低. 2）通常空气潜孔锤钻进遇碎石层超过1.5 m 时，脉动破碎震动较大，容易导致碎石层坍塌，造成卡钻或埋钻，致使每孔下管深度不足，增加钻孔数量和换热器长度的耗费. 3）吹出的原砂粒径基本在4～8 mm 之间，利于孔隙的填充，可以使回填料之间有更多接触，降低孔隙度，且此粒径不会阻碍岩层有效孔隙度中裂隙水的渗流，可进一步提高钻孔热交换器的换热率. 项目施工中为保证灌浆回填材料导热系数与岩层综合导热系数相近，一般使用潜孔锤吹出的原浆、原砂注水回填［20］. 潜孔锤吹出原砂四散飞溅，原砂与泥浆混合后难收集，致回填材料的原位有效导热系数［21］相差较大，同时原砂泥浆混合黏度较大，回填不易.

3 施工中存在的问题

岩土源热泵埋管系统施工流程繁琐且为隐蔽工程（图4），施工细节难以全面管控，出现的各种细节问题堆积会造成系统不能正常运行，且隐蔽后难以检查是何种原因造成.

图4 地源热泵施工流程图Fig. 4 Flowchart of ground source heat pump

3.1 串孔

喀斯特地区地下地质环境复杂，岩溶发育，部分区域存在密且宽的裂隙，钻孔、管井冲洗时潜孔锤吹出的压缩空气沿裂隙送至相邻的换热井，压缩空气将回填材料从换热井返出地面，形成串孔（图5a）. 压缩空气经过裂隙并裹挟尖锐碎石，很容易造成相邻已完成下管的钻孔热交换器破坏；管井内灌浆回填材料返出地面会造成换热井钻孔热阻过大和坍孔，降低换热率.

图5 串孔及热熔缩颈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换热效率［22］，但回填换热井往往出现近地端内热阻小，远地端钻孔热阻过大［23］的现象. 通过对不同换热井进行热响应实验，将钻孔热交换器的进出口水温与近地端温度对比. 分析认为远地端热阻异常原因可能是灌浆回填材料下沉不到位、不密实，使钻孔热阻变大；近地端则出现热短路，使内热阻变小.

3.3 热熔缩颈和溶瘤

对热熔点随机抽查，部分热熔位置会发生缩颈现象（图5b），尤其在现场交叉施工的情况下，地面尚未进行水平联管的钻孔热交换器常被损坏，进行水平联管时会出现大量熔接点. 热熔缩颈和熔瘤会影响流经管路中换热介质的流量和流速，通过使用ANSYS 软件建模模拟管路缩颈与出现的熔瘤对流速的影响［24］，发现流速变化在一定程度上会使钻孔热交换器换热效率降低.

3.4 换热孔分布不均

喀斯特地区钻进过程中常见成片溶洞，存在换热孔分布不均匀的现象. 水平联管时少量钻孔热交换器距离偏远，深化设计不足，个别钻孔热交换器水力失衡，无法运行. 埋管系统水力失衡在隐蔽后难以检测，可以通过施工中记录特殊孔位的钻孔热交换器，系统建设完成运行一段时间后测量二级分集水器每组支管流量进行对比，发现联结特殊孔位的水平联管出现水力失衡.

3.5 换热孔短路

埋管系统隐蔽后整体试压正常，但运行时个别支管出现管路短路情况［25］. 通过开挖核查短路的水平联结管路，发现钻孔热交换器下管深度小于钻进深度，系统运行一段时间后钻孔热交换器下沉，将支管四通热熔连接部位扯断，致该组水平管联结的钻孔热交换器全部失效，使埋管系统换取热量大大降低. 下管深度小于钻进深度的原因一般是洗井不充分或钻杆提升过程中，钻杆与井壁碰触，岩层不密实位置发生坍塌造成孔堵或下管过程中钻孔热交换器与井壁碰触发生坍孔；系统运行一段时间后，井内堵孔的碎石、回填材料下沉，钻孔热交换器悬空扯断地面支管与水平管联结部位.

4 建议与对策

1）注重基础调查工作，做好开发利用评估

喀斯特地区岩石较高的导热系数和地下水活动带来的冷热自平衡，为浅层地热能的开发利用提供了较好的基础条件，使地源热泵技术在该区域的成功应用得到了充分融合. 但岩溶构造（溶隙、溶洞等）发育且水文条件差的区域，不利于系统可持续的开发利用.因此，在喀斯特地区不可盲目开发利用浅层地热能项目，应先开展适宜性评估，尤其是使用地质调查和地球物理探测等方法，查明场地地层岩性、断层、岩溶构造及水文地质等情况，结合项目施工难易程度和投入产出比等因素，综合研判是否需要应用地源热泵技术，或者考虑“地源热泵+”的多能互补方案.

2）改进工艺技术，提升换热能力

针对喀斯特地区使用空气潜孔锤钻进出现的问题，提出以下建议：为钻机配备钻铤或扶正器，以此提高钻井垂直度；遇碎石层致下管深度不足的情况，在钻孔热交换器远地端使用污染小、导热性能好、粒径合适的相变材料加强底部换热，近地端使用热阻小的相变材料，减小钻孔热交换器的内热阻，提高换热井换热量；原砂收集不易，可根据岩石破碎后膨胀系数计算单孔回填量，缺少的原砂使用热阻大材料回填近地端钻孔热交换器；回填不易，可用筛网和回填器筛取黏度小、粒径合适的原砂注水回填.

3）优化施工过程，确保工程质量

针对喀斯特地区岩土源热泵施工中出现的问题，给出以下对策：钻机钻井遇串孔可采用水泥封堵裂隙后继续钻孔，在一定程度上可避免相邻钻孔热交换器破坏和换热井坍孔；换热井回填率低可以使用原砂回填器匀速缓慢且多回次地回填，保证回填材料在缓慢下沉的过程中密实地填充换热井，而在近地端使用导热系数较小的回填材料，尽可能避免出现热短路；热熔出现缩颈，可使用电熔配件进行熔接，防止出现熔瘤与缩颈，或对露出地面的热交换器进行进一步保护，避免使用热熔配件延长热交换支管路；热交换器分布不均出现水力失衡，可以选择加长套管穿越溶洞区域继续钻井或调节主管平衡阀；下管时出现下管深度小于钻进深度，可能支管会出现短路，可使用混凝土对换热井进行封孔.

5 结语

岩土源热泵在喀斯特地区应用时潜孔锤钻井工艺与施工中存在问题会造成系统运行效果达不到预期.针对特殊的地质地貌条件、潜孔锤施工工艺及过程管理中存在的问题提出了改进建议和相应对策，使岩土源热泵在喀斯特地区能够更好地应用，节能效果更为显著. 同时为喀斯特地区地源热泵施工技术规范和标准的制定提供一定方向，也为喀斯特地区岩土源热泵的进一步研究方向给出一些引导.