矿井及交通隧道地热能开发利用现状研究

薛祯祯　孙沙沙　徐汉文　王天奇　马明辉

摘  要：地热能是极具开发潜力的可再生能源，矿井及交通隧道是目前进行地热开发尝试较多的两种地下工程，文章分析了现阶段矿井及交通隧道的地热能利用技术以及取热用途，为未来的地下工程地热能开发技术研究提供参考。

关键词：地热;矿井;交通隧道;废热

中图分类号：TK529         文献标志码：A         文章编号：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，中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家，技术水平与建设成就均已走在世界前列[1]。而随着挖掘深度的增加，地层内储存的地热资源愈加稳定和丰富，高效开发利用这部分地热能对于提高资源利用率、开展可再生能源开发利用具有重要意义。地下工程的类型有很多种，根据其结构及用途，交通隧道、矿井以及地下停车场等城市地下空间是可最大限度开发利用地热能的地下工程，而矿井及地铁交通隧道是目前进行地热能开发利用尝试较多的两种。

1 矿井地热能利用

1.1 现役矿井地热能利用技术

现役矿井中的地热能回收技术多与深井热害控制系统相结合，深井热害的产生原因包括井下岩层散热以及井下各类设备、空气压缩以及矿物氧化等的直接产热等，其中岩层高温即深井地热是井下高温的主要原因。早在20世纪初，国际上已有学者对矿井热害问题进行了研究，我国对矿井热环境的研究始于1964年淮南九龙岗矿的局部降温实验。

经过半个多世纪的发展，现阶段矿井热害防治方式主要分为机械式和非机械式制冷技术两种，而根据矿井降温的现场经验来看，传统的非机械式制冷技术和单一的机械式制冷技术均无法满足问题的解决，同时投资与降温效果的不平衡也是矿井热害解决方案所面临的主要问题。因此，国内外学者将目光投向了热泵技术，将余热利用技术与井下降温相结合，通过热泵将其低品位热量提升后用于地面建筑的室温调节、井口防冻及洗浴等[2]。目前的热泵技术多以巷道乏风或井下涌水中的余热为热源，利用热管系统与热泵系统相结合的复合深井热害控制系统正在试验研究阶段[3]。

1.1.1 矿井乏风余热利用

现役矿井中乏风余热资源丰富且温度稳定、流量大、含湿量大，乏风焓值较高[4]。矿井乏风余热利用技术主要有以下三种：

“喷淋式取热+水源热泵”技术，利用冷水对矿井乏风喷淋，被加热后的喷淋水流经水源热泵蒸发器放热供给热用户，该技术对回风的温度要求较高且取热效率较低，并未大范围推广。

“取热与分体热泵”技术，该技术将热泵机组内的蒸发器放置于矿井回风井的上方直接吸收乏风热量，机组的热利用率有显著提高且对回风温度的要求有所降低，但总体取热量并不十分理想。

“深焓取热”与“高温及大温差供热”技术，取热箱吸收乏风中的热量并供给乏风热泵，热泵机组再将这部分低品位热能转换为高品位热能输出。该技术采用独特的模块化多功能乏风取热机组，可以根据负荷调整取热焓差，热泵供热温度可达70℃，具有可靠、高效、可无人值守的特点。

1.1.2 井下涌水余热利用

煤矿在生产开采过程中会有大量的矿井涌水排出，矿井涌水水量稳定且温度普遍在15～20℃之间，是水源热泵机组的理想低温热源。利用矿井涌水的水源热泵，其工作原理与乏风热泵基本相同，只是热泵機组蒸发器侧的热源由矿井乏风变为矿井涌水提供。该技术不仅可以用于冬季井筒防冻、建筑采暖、提供洗浴热水，由于涌水水温低于夏季空气的温度也可用于夏季供冷，同时水源热泵系统仅利用矿井水中的热量/冷量，对矿井水的水质没有影响，使用过的矿井水仍可用做生产、生活用水。

1.2 废弃矿井地热能利用技术

废弃矿井的地热能开发利用形式更加多样化，包括矿井回风、地下土壤源、矿井水、污水源、热蒸汽等多源热泵技术，回收的地热能可用于调节室内温度（供暖/供冷）或用于发电。

1.2.1 利用地源热泵技术调节室内温度

利用地热能进行室内温度调节主要分为两种方式：一种是直接利用地热水，将矿井下温度较高的地热水通过供暖管道为建筑物供暖;另一种是利用地源热泵，在浅层地表内利用地热交换器提取热量，再将热量通过热泵送入室内温度调控系统中，可起到冬季供暖、夏季制冷的作用。

以徐州市卧牛矿矿区为例，卧牛矿业位于徐州市西南方向，是典型的城区型废弃矿区[5]。借助矿区内地下遗留的3条总长约57.84km主巷道，进行矿井井下加固，融合地源热泵、涡轮机等技术，提取地热能为周边居民住宅提供供暖，使得退役矿区成为新的能源基地。

1.2.2 利用地热发电

利用地热发电也有两种方式，一种是借助中间介质提取热能形成双循环发电系统，矿井地热水温度一般较低不容易直接生成蒸汽，因此需要以低沸点工质作为工作介质，利用地热水加热工作介质产生低沸点工质蒸气后送入汽轮机机组;另一种是将矿井进一步钻探至4000～6000m深的干热岩层，将废弃矿井开发为干热岩发电系统，将冷水或其他介质注入地下，冷介质在流经人工压裂形成的干热岩缝隙的过程中产生高温蒸气推动汽轮机机组发电，做功后的蒸气经冷凝器冷却后再次注入地下进行闭合环路循环。

荷兰海尔伦市对废弃矿井的改造，就是利用地热能发电并通过热泵与循环系统为建筑物提供取暖与降温的经典案例，该地热发电站于2008年建成并投入使用，据悉新型地热发电站建成后，二氧化碳排放量可减少55%，极大地降低了对环境的污染[6]。

2 交通隧道地热能利用

地铁、公路交通隧道中除围岩结构本身所储存的地热能外还有列车或机动车等运行产生的热量、相关设备及照明产热等，这些热量的大量堆积会导致隧道热环境的恶化。近年来，国内外研究人员提出了多种隧道废热的回收方法，主要集中在土壤源热泵、空气源热泵以及复合式热泵系统三种[7]，取热主要用于为周围建筑供暖/供冷、提供热水或用于寒区隧道洞口段的保温。

隧道土壤源热泵机组通过埋于地下或岩体中的前端换热器提取周围的土壤或岩体中的热量。目前，常用的前端换热器包括：“能源土工布”、竖直地埋管换热器、水平U型管换热器、交联聚乙烯管换热器、PE热交换管换热器、毛细管前端换热器和TES系统前端吸收器[8]。

竖直地埋管和水平U型管是最常用的两种土壤源热泵地下换热器的形式，具有换热量大、效率高等特点，但其占地面积较大、初期投资比较高。同时，地埋管的垂直或水平埋放形式无法贴合隧道岩壁，对于堆积再隧道围岩内的热量无法高效回收，“能源土工布”、毛细管网则可有效利用隧道围岩内的热量，热效率及稳定性也更高。TES系统是将以蜿蜒方式布置的吸收管放置于隧道节段中以使吸热潜力最大化，该系统不仅可以吸收围岩内的热量也可以直接利用隧道内的空气废热[8]。

地铁或其他机动车在隧道内运行时产生的热量首先释放到隧道内空气中，然后再传递到周围的围岩及土壤中，因此使用空气源热泵是利用隧道废热的一种普遍方式，但是由于隧道内的空气温度受季节变化影响较大，其热量并不稳定，单纯依靠空气中的废热作为低品位热源无法实现热量的稳定提取，因此空气源热泵系统多与电加热系统或土壤源热泵复合使用以提高其运行稳定性，但这也相应地会增加系统的初期投资成本。

3 结束语

人类对可再生能源的需求日益增加，地热能的规模化、系统化开发利用势在必行。以现有技术分析，目前，矿井及交通隧道地下工程中地热能的回收利用多与热泵技术相结合，热泵的低温热源包括土壤（围岩）、空气（矿井乏风）、涌水/蒸汽等。

礦井乏风、矿井涌水以及更深层的矿井热蒸汽都是非常优质的低温热源，乏风及涌水取热多用于矿区井筒防冻、建筑室内温度调节以及提供洗浴热水等;热蒸汽可直接用于供暖或通过汽轮机组进行发电。交通隧道内废热的大量堆积会导致地下热环境的恶化，可以利用这部分废热为周围建筑供暖/供冷、提供热水、寒区隧道洞口段的保温等。在目前采取的各种利用隧道废热的热泵系统中，采用毛细管网的土壤源热泵系统以及复合式热泵系统在运行效率、运行稳定性等方面有较大优势，未来可做深入探索研究。

地热能的开发利用对于矿井及交通隧道的能量回收、节能环保有着重要意义，应根据工程情况以及实际需要选择合理地回收方式，进一步改进回收系统，使得地热资源得到合理利用。

参考文献：

[1]王梦恕，等.中国隧道及地下工程修建技术[M].人民交通出版社，2010，5.

[2]陈军.深井热害治理及地热能利用研究现状[J].山西焦煤科技，2019（8）：4-10.

[3]朱海亮，柳静献，常德强，等.热泵与动力热管复合的深井热害控制试验研究[J].金属矿山，2020，000（001）：101-107.

[4]秦红正.煤矿余热综合利用系统工业应用实践[J].煤炭加工与综合利用，2019（12）：61-64.

[5]段忠诚，李佳珺，姚刚.徐州市权台废弃矿区地下空间开发策略研究[J].工业建筑，2017，47（06）：49-52.

[6]杨舒怡.荷兰矿城供热“地道战”[N].西部时报，2008-12-05（4）.

[7]童力，卢山，季永明，等.地铁废热利用研究进展与关键问题[J].青岛理工大学学报，2019，40（06）：97-102+132.

[8]王依梅，刘国丹，胡松涛，等.隧道废热回收研究现状[J].青岛理工大学学报，2019，40（05）：85-90.