一种基于风光储能的含水硬岩浅层地热能增强开发方法

技术领域

本发明属于可再生能源利用领域，尤其是涉及基于风光储能的浅层地热能的开发技术。

背景技术

与干热岩、水热型地热资源相比，浅层地热能具有适用范围广、技术成熟的优势。浅层地热能资源开发是利用地源热泵转移地层热量或者冷量。在冬季，地源热泵把热量从地层中转移到建筑物内；在夏季，再把地层的冷量转移到建筑物内，形成一个冷热循环。开发浅层地热能资源不破坏地层结构，不抽取地下水、不造成地层污染，具备零污染的良好环保品质，适合大规模推广。一般情况下，北方地区冬季从地层抽取的热量远大于夏季向地层输入的热量。因此，需要对地层补充热量维持能量收支平衡。虽然土层或岩层具有巨大的蓄热蓄冷能力，但是地层吸热是漫长过程，影响地埋管地源热泵系统的使用效率。

为了提高浅层地热系统的换热效率，增加地埋管与地层换热面积是目前常用技术途径，例如使用多管地埋管换热器、螺旋形地埋管换热器、梅花管换热器。近期，也有采用水力压裂方法来增大换热面积。例如：中国专利公开号CN110566175A公开的一种浅层地热能中增大换热面积装置及其操作方法，以及中国专利授权公告号CN205400702U公开的一种坚硬岩层浅层地热井压裂设备，这类技术的缺陷，一是设备结构复杂，增加使用成本，且对施工人员技术水平要求高，很难达到设计效果；二是由于浅层地热能系统广泛应用在建筑密集区域，虽然采用水力压裂地层能够改善地热储层的传质传热特性，但水力压裂缝会对建筑地基稳定性造成未知影响；三是浅层地热能系统的使用寿命需要在十年以上，而水力压裂缝的寿命仅在三年以内，在这种情况下，必须进行重复压裂才能维持地层的导热性能，增加了使用成本；四是从致密油气、页岩气藏开发工程证实压裂液不仅浪费水资源，而且压裂液反排困难会污染地层，这严重制约了水力压裂方法在浅层地热能源的应用，降低了开发效率及经济效益。鉴于诸多原因，有人提出采用冷冲击致裂方式增强岩体裂隙网络连通性、提高换热效率，例如，中国专利公开号CN112377162 A公开的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，中国专利授权公告号CN112414882B公开的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统及方法，不难看出，此类专利只考虑对深层的高温岩石进行冷冲击致裂，不适用浅层的低温岩体。

由于浅层温度不高于25

发明内容

为了克服开发浅层地热能的现有技术缺陷，实现利用可再生能源互补的浅层地热高效开发，本发明提供一种基于风光储能的含水硬岩浅层地热能增强开发方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于风光储能的含水硬岩浅层地热能增强开发方法，该方法是基于地埋管地源热泵系统和太阳能-风能蓄热单元实现的，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：首先在需要取热的硬岩地层钻取换热井和冷热冲击井，然后对从冷热冲击井取出的钻孔岩芯进行不同高温条件下冷冲击试验，确定岩石开裂的临界温度，为岩层提供加热温度参数；

第二步：每年从供暖季结束到进入制冷季期间，先利用蓄热单元对冷热冲击井的含水层加热，再进行冷冲击，目的是增加含水层裂缝数量，改善冷热冲击井与换热井之间含水层的连通性，增强基岩裂隙水流动；

第三步：进入制冷（夏）季，地源侧回水流入换热井内地埋管，回水的热量分别以热传导方式被基岩、以热对流方式被裂隙水吸收，回水温度降低后回流地源热泵；

第四步：从制冷季结束到进入供暖季期间，利用蓄热单元对冷热冲击井的含水层持续蓄热，在基岩热传导与裂隙水热对流作用下，热量蓄积在冷热冲击井的井周区域形成热储层；

第五步：进入供暖（冬）季，地源侧回水流入换热井内地埋管，基岩与裂隙水中热量分别以热传导方式、热对流方式被回水吸收，回水温度升高，同时储能电池对冷热冲击井壁持续蓄热，维持热源温度；

上述蓄热单元以及地源热泵运行能源均优先利用风能和太阳能的储能。

进一步的：为了实现对冷热冲击井实施加热-注冷冲击，在冷热冲击井内安装有电热管与注液氮管，电热管紧贴冷热冲击井含水层的井壁，风光储能电池对电热管供电，注液氮管路末端喷嘴对准冷热冲击井的加热区段。

进一步的，第二步中所述的先加热再注冷冲击方法为：利用蓄热单元对冷热冲击井的含水层加热，使井壁温度稳定在设定温度值；然后将注液氮管接通液氮罐，对冷热冲击井壁的加热区段喷射液氮，使高温岩体迅速降温。在此过程中，井周岩石内热应力会诱发裂隙从井壁向远端呈放射性扩展，增多冷热冲击井与周围换热井之间基岩裂隙水的流动通道，增强地下水与地埋管之间的对流换热效应。

本发明的优点是：

1.本发明针对地埋管与地层的换热机制，本发明专利从热源温度和换热面积两方面着手，利用太阳能、风能对地层蓄热，一方面构建人工储热层，提高热源温度；另一方面，对蓄热岩层注冷冲击改善岩石渗透性，利用地下水流动增强岩石的热传导与裂隙水热对流效应，增大地源侧回水在制冷季的放热量、在供暖季的吸热量，该方法克服了地埋管与岩石换热效率低的弊端，提高了地源热泵的能效比。利用风能与太阳能改善浅部硬岩层的储热条件与孔隙结构，发挥可再生能源利用潜力，解决地埋管地源热泵系统全年冷热负荷不平衡技术难题，所需设备成本低，可操作性强。本发明尤其适合开发含水硬岩浅层地热能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法中涉及到的地源热泵系统与换热井和蓄热单元与冷热冲击井的布置图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图1，对本发明技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明基于风光储能的含水硬岩浅层地热能增强开发方法涉及到的系统包括冷热冲击井、换热井、蓄热单元和冷冲击单元。蓄热单元包括光伏模块、风电模块、储能电池组、电热管及线路，其中冷冲击单元包括液氮罐与注液氮管路，电热管与储能电池组连接，太阳能与风能存储于储能电池组。

本发明具体操作过程为：

首先，根据《浅层地热能竖直地埋管施工技术规程DB37/T4306-2021》，在目标区域钻井，各井深度超过含水层深度，各井间距3米左右。将位于地下水流向上游的井确定为冷热冲击井，地下水流向下游的井确定为换热井。确定冷热冲击井内含水层段位置（深度）。在冷热冲击井内安装电热管与注液氮管，电热管紧贴在井壁内含水层区段，注液氮管路末端设有喷嘴，并对准加热区，液氨罐以及储能电池组安装在冷热冲击井口，光伏模块和风电模块一年四季为储能电池组蓄电；在换热井内安装U型地埋管，地埋管连通地源热泵系统的地源热泵；

然后，从冷热冲击井的钻孔岩芯中选取不少于5块岩石样品，在岩样中心位置钻取贯通圆孔，直径约1cm，记录岩石表面的裂隙形态，然后，将金属筛管插入岩石的圆孔。再将岩石样品放入加热炉内，分别升温至60

由于地源热泵仅在供暖季与制冷季运行，以某年11月至第二年3月为供暖季，6月至8月为制冷季为例，详细说明一个循环年内如何实施风-光-浅层地热能增强开发过程，如表一所示。

表一

参照表一，从4月至5月，也就是从供暖季结束后，对冷热冲击井实施加热，提高冷热冲击井含水层的温度，然后实施注冷冲击；加热-注冷冲击方法是：储能电池组对电热管供电，加热冷热冲击井壁的含水层，使井壁温度升至预设温度值；然后，将注液氮管接通液氮罐，对冷热冲击井壁的加热区喷射液氮，迅速降低冷热冲击井壁温度，在此过程中，岩石热应力会诱发岩层中裂隙从井壁向远端呈放射性扩展，改善冷热冲击井与周围换热井之间基岩裂隙水的流动通道，增强地下水与地埋管之间的对流换热效应。

从6月至8月，也就是进入制冷季，换热井地层吸收地源侧回水的热量，使回水温度降低，在此过程中储能电池组优先对地源热泵供电，当电量不够时切换市电为地源热泵供电。由于在4至5月，对冷热冲击井实施了热-冷冲击，含水岩层经过热-冷冲击后基岩裂隙水流动加速，使得在制冷季换热井周岩体吸收地埋管热量效率提升；

从9月至10月，也就是从制冷季结束到进入供暖季期间，地源热泵停止工作，储能电池组优先对冷热冲击井的含水层持续加热，在基岩热传导与裂隙水热对流作用下，蓄积热量在冷热冲击井周区域聚集形成热储层，由于地下水径流会携带热量迁移，使地层内蓄热区域不断扩张，蓄存热量不断增加，为后期供暖季做准备；

从11月至第二年3月进入供暖季，地源侧回水流入换热井内地埋管，基岩热量以热传导方式、裂隙水热量以热对流方式被回水吸收，回水温度升高后回流地热泵用于供暖，储能电池组对冷热冲击井壁持续补热，在此过程中裂隙水流动增强地埋管吸收地层内储存热量，提高了地源热泵的能效比。

上述是本发明的实施例，并不代表对本发明技术方案的限制，尤其是供暖期和制冷季月份的选择，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。