礦井及交通隧道地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀研究

薛禎禎　孫沙沙　徐漢文　王天奇　馬明輝

摘 ?要：地?zé)崮苁菢O具開發(fā)潛力的可再生能源，礦井及交通隧道是目前進(jìn)行地?zé)衢_發(fā)嘗試較多的兩種地下工程，文章分析了現(xiàn)階段礦井及交通隧道的地?zé)崮芾眉夹g(shù)以及取熱用途，為未來的地下工程地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：地?zé)?礦井;交通隧道;廢熱

中圖分類號：TK529 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0058-02

Abstract： Geothermal energy is a renewable energy with great development potential. Mines and traffic tunnels are two kinds of underground projects that try to develop geothermal energy at present. This paper analyzes the geothermal energy utilization technology and heat extraction use of mines and traffic tunnels at the present stage， in order to provide reference for the research of geothermal energy development technology of underground engineering in the future.

Keywords： geothermal; mine; traffic tunnel; waste heat

前言

如今，中國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家，技術(shù)水平與建設(shè)成就均已走在世界前列[1]。而隨著挖掘深度的增加，地層內(nèi)儲存的地?zé)豳Y源愈加穩(wěn)定和豐富，高效開發(fā)利用這部分地?zé)崮軐τ谔岣哔Y源利用率、開展可再生能源開發(fā)利用具有重要意義。地下工程的類型有很多種，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及用途，交通隧道、礦井以及地下停車場等城市地下空間是可最大限度開發(fā)利用地?zé)崮艿牡叵鹿こ蹋V井及地鐵交通隧道是目前進(jìn)行地?zé)崮荛_發(fā)利用嘗試較多的兩種。

1 礦井地?zé)崮芾?/p>

1.1 現(xiàn)役礦井地?zé)崮芾眉夹g(shù)

現(xiàn)役礦井中的地?zé)崮芑厥占夹g(shù)多與深井熱害控制系統(tǒng)相結(jié)合，深井熱害的產(chǎn)生原因包括井下巖層散熱以及井下各類設(shè)備、空氣壓縮以及礦物氧化等的直接產(chǎn)熱等，其中巖層高溫即深井地?zé)崾蔷赂邷氐闹饕?。早?0世紀(jì)初，國際上已有學(xué)者對礦井熱害問題進(jìn)行了研究，我國對礦井熱環(huán)境的研究始于1964年淮南九龍崗礦的局部降溫實驗。

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)階段礦井熱害防治方式主要分為機(jī)械式和非機(jī)械式制冷技術(shù)兩種，而根據(jù)礦井降溫的現(xiàn)場經(jīng)驗來看，傳統(tǒng)的非機(jī)械式制冷技術(shù)和單一的機(jī)械式制冷技術(shù)均無法滿足問題的解決，同時投資與降溫效果的不平衡也是礦井熱害解決方案所面臨的主要問題。因此，國內(nèi)外學(xué)者將目光投向了熱泵技術(shù)，將余熱利用技術(shù)與井下降溫相結(jié)合，通過熱泵將其低品位熱量提升后用于地面建筑的室溫調(diào)節(jié)、井口防凍及洗浴等[2]。目前的熱泵技術(shù)多以巷道乏風(fēng)或井下涌水中的余熱為熱源，利用熱管系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合深井熱害控制系統(tǒng)正在試驗研究階段[3]。

1.1.1 礦井乏風(fēng)余熱利用

現(xiàn)役礦井中乏風(fēng)余熱資源豐富且溫度穩(wěn)定、流量大、含濕量大，乏風(fēng)焓值較高[4]。礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)主要有以下三種：

“噴淋式取熱+水源熱泵”技術(shù)，利用冷水對礦井乏風(fēng)噴淋，被加熱后的噴淋水流經(jīng)水源熱泵蒸發(fā)器放熱供給熱用戶，該技術(shù)對回風(fēng)的溫度要求較高且取熱效率較低，并未大范圍推廣。

“取熱與分體熱泵”技術(shù)，該技術(shù)將熱泵機(jī)組內(nèi)的蒸發(fā)器放置于礦井回風(fēng)井的上方直接吸收乏風(fēng)熱量，機(jī)組的熱利用率有顯著提高且對回風(fēng)溫度的要求有所降低，但總體取熱量并不十分理想。

“深焓取熱”與“高溫及大溫差供熱”技術(shù)，取熱箱吸收乏風(fēng)中的熱量并供給乏風(fēng)熱泵，熱泵機(jī)組再將這部分低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位熱能輸出。該技術(shù)采用獨(dú)特的模塊化多功能乏風(fēng)取熱機(jī)組，可以根據(jù)負(fù)荷調(diào)整取熱焓差，熱泵供熱溫度可達(dá)70℃，具有可靠、高效、可無人值守的特點(diǎn)。

1.1.2 井下涌水余熱利用

煤礦在生產(chǎn)開采過程中會有大量的礦井涌水排出，礦井涌水水量穩(wěn)定且溫度普遍在15～20℃之間，是水源熱泵機(jī)組的理想低溫?zé)嵩?。利用礦井涌水的水源熱泵，其工作原理與乏風(fēng)熱泵基本相同，只是熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的熱源由礦井乏風(fēng)變?yōu)榈V井涌水提供。該技術(shù)不僅可以用于冬季井筒防凍、建筑采暖、提供洗浴熱水，由于涌水水溫低于夏季空氣的溫度也可用于夏季供冷，同時水源熱泵系統(tǒng)僅利用礦井水中的熱量/冷量，對礦井水的水質(zhì)沒有影響，使用過的礦井水仍可用做生產(chǎn)、生活用水。

1.2 廢棄礦井地?zé)崮芾眉夹g(shù)

廢棄礦井的地?zé)崮荛_發(fā)利用形式更加多樣化，包括礦井回風(fēng)、地下土壤源、礦井水、污水源、熱蒸汽等多源熱泵技術(shù)，回收的地?zé)崮芸捎糜谡{(diào)節(jié)室內(nèi)溫度（供暖/供冷）或用于發(fā)電。

1.2.1 利用地源熱泵技術(shù)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度

利用地?zé)崮苓M(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)主要分為兩種方式：一種是直接利用地?zé)崴瑢⒌V井下溫度較高的地?zé)崴ㄟ^供暖管道為建筑物供暖;另一種是利用地源熱泵，在淺層地表內(nèi)利用地?zé)峤粨Q器提取熱量，再將熱量通過熱泵送入室內(nèi)溫度調(diào)控系統(tǒng)中，可起到冬季供暖、夏季制冷的作用。

以徐州市臥牛礦礦區(qū)為例，臥牛礦業(yè)位于徐州市西南方向，是典型的城區(qū)型廢棄礦區(qū)[5]。借助礦區(qū)內(nèi)地下遺留的3條總長約57.84km主巷道，進(jìn)行礦井井下加固，融合地源熱泵、渦輪機(jī)等技術(shù)，提取地?zé)崮転橹苓吘用褡≌峁┕┡?，使得退役礦區(qū)成為新的能源基地。

1.2.2 利用地?zé)岚l(fā)電

利用地?zé)岚l(fā)電也有兩種方式，一種是借助中間介質(zhì)提取熱能形成雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，礦井地?zé)崴疁囟纫话爿^低不容易直接生成蒸汽，因此需要以低沸點(diǎn)工質(zhì)作為工作介質(zhì)，利用地?zé)崴訜峁ぷ鹘橘|(zhì)產(chǎn)生低沸點(diǎn)工質(zhì)蒸氣后送入汽輪機(jī)機(jī)組;另一種是將礦井進(jìn)一步鉆探至4000～6000m深的干熱巖層，將廢棄礦井開發(fā)為干熱巖發(fā)電系統(tǒng)，將冷水或其他介質(zhì)注入地下，冷介質(zhì)在流經(jīng)人工壓裂形成的干熱巖縫隙的過程中產(chǎn)生高溫蒸氣推動汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)電，做功后的蒸氣經(jīng)冷凝器冷卻后再次注入地下進(jìn)行閉合環(huán)路循環(huán)。

荷蘭海爾倫市對廢棄礦井的改造，就是利用地?zé)崮馨l(fā)電并通過熱泵與循環(huán)系統(tǒng)為建筑物提供取暖與降溫的經(jīng)典案例，該地?zé)岚l(fā)電站于2008年建成并投入使用，據(jù)悉新型地?zé)岚l(fā)電站建成后，二氧化碳排放量可減少55%，極大地降低了對環(huán)境的污染[6]。

2 交通隧道地?zé)崮芾?/p>

地鐵、公路交通隧道中除圍巖結(jié)構(gòu)本身所儲存的地?zé)崮芡膺€有列車或機(jī)動車等運(yùn)行產(chǎn)生的熱量、相關(guān)設(shè)備及照明產(chǎn)熱等，這些熱量的大量堆積會導(dǎo)致隧道熱環(huán)境的惡化。近年來，國內(nèi)外研究人員提出了多種隧道廢熱的回收方法，主要集中在土壤源熱泵、空氣源熱泵以及復(fù)合式熱泵系統(tǒng)三種[7]，取熱主要用于為周圍建筑供暖/供冷、提供熱水或用于寒區(qū)隧道洞口段的保溫。

隧道土壤源熱泵機(jī)組通過埋于地下或巖體中的前端換熱器提取周圍的土壤或巖體中的熱量。目前，常用的前端換熱器包括：“能源土工布”、豎直地埋管換熱器、水平U型管換熱器、交聯(lián)聚乙烯管換熱器、PE熱交換管換熱器、毛細(xì)管前端換熱器和TES系統(tǒng)前端吸收器[8]。

豎直地埋管和水平U型管是最常用的兩種土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的形式，具有換熱量大、效率高等特點(diǎn)，但其占地面積較大、初期投資比較高。同時，地埋管的垂直或水平埋放形式無法貼合隧道巖壁，對于堆積再隧道圍巖內(nèi)的熱量無法高效回收，“能源土工布”、毛細(xì)管網(wǎng)則可有效利用隧道圍巖內(nèi)的熱量，熱效率及穩(wěn)定性也更高。TES系統(tǒng)是將以蜿蜒方式布置的吸收管放置于隧道節(jié)段中以使吸熱潛力最大化，該系統(tǒng)不僅可以吸收圍巖內(nèi)的熱量也可以直接利用隧道內(nèi)的空氣廢熱[8]。

地鐵或其他機(jī)動車在隧道內(nèi)運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量首先釋放到隧道內(nèi)空氣中，然后再傳遞到周圍的圍巖及土壤中，因此使用空氣源熱泵是利用隧道廢熱的一種普遍方式，但是由于隧道內(nèi)的空氣溫度受季節(jié)變化影響較大，其熱量并不穩(wěn)定，單純依靠空氣中的廢熱作為低品位熱源無法實現(xiàn)熱量的穩(wěn)定提取，因此空氣源熱泵系統(tǒng)多與電加熱系統(tǒng)或土壤源熱泵復(fù)合使用以提高其運(yùn)行穩(wěn)定性，但這也相應(yīng)地會增加系統(tǒng)的初期投資成本。

3 結(jié)束語

人類對可再生能源的需求日益增加，地?zé)崮艿囊?guī)?；⑾到y(tǒng)化開發(fā)利用勢在必行。以現(xiàn)有技術(shù)分析，目前，礦井及交通隧道地下工程中地?zé)崮艿幕厥绽枚嗯c熱泵技術(shù)相結(jié)合，熱泵的低溫?zé)嵩窗ㄍ寥溃▏鷰r）、空氣（礦井乏風(fēng)）、涌水/蒸汽等。

礦井乏風(fēng)、礦井涌水以及更深層的礦井熱蒸汽都是非常優(yōu)質(zhì)的低溫?zé)嵩?，乏風(fēng)及涌水取熱多用于礦區(qū)井筒防凍、建筑室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)以及提供洗浴熱水等;熱蒸汽可直接用于供暖或通過汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。交通隧道內(nèi)廢熱的大量堆積會導(dǎo)致地下熱環(huán)境的惡化，可以利用這部分廢熱為周圍建筑供暖/供冷、提供熱水、寒區(qū)隧道洞口段的保溫等。在目前采取的各種利用隧道廢熱的熱泵系統(tǒng)中，采用毛細(xì)管網(wǎng)的土壤源熱泵系統(tǒng)以及復(fù)合式熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行效率、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面有較大優(yōu)勢，未來可做深入探索研究。

地?zé)崮艿拈_發(fā)利用對于礦井及交通隧道的能量回收、節(jié)能環(huán)保有著重要意義，應(yīng)根據(jù)工程情況以及實際需要選擇合理地回收方式，進(jìn)一步改進(jìn)回收系統(tǒng)，使得地?zé)豳Y源得到合理利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王夢恕，等.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].人民交通出版社，2010，5.

[2]陳軍.深井熱害治理及地?zé)崮芾醚芯楷F(xiàn)狀[J].山西焦煤科技，2019（8）：4-10.

[3]朱海亮，柳靜獻(xiàn)，常德強(qiáng)，等.熱泵與動力熱管復(fù)合的深井熱害控制試驗研究[J].金屬礦山，2020，000（001）：101-107.

[4]秦紅正.煤礦余熱綜合利用系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用實踐[J].煤炭加工與綜合利用，2019（12）：61-64.

[5]段忠誠，李佳珺，姚剛.徐州市權(quán)臺廢棄礦區(qū)地下空間開發(fā)策略研究[J].工業(yè)建筑，2017，47（06）：49-52.

[6]楊舒怡.荷蘭礦城供熱“地道戰(zhàn)”[N].西部時報，2008-12-05（4）.

[7]童力，盧山，季永明，等.地鐵廢熱利用研究進(jìn)展與關(guān)鍵問題[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2019，40（06）：97-102+132.

[8]王依梅，劉國丹，胡松濤，等.隧道廢熱回收研究現(xiàn)狀[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2019，40（05）：85-90.