地下储能系统的研究与应用

刘洋 王荣岩 孙振 杨静

天津市节约用水事务管理中心 天津300071

1.地下储能系统现状及研究意义

为了节约能源、保护环境，降低运行费用，采用地下水储能技术实现建筑物的中央空调。该项技术涉及到地下水开采与回灌。

为促进水资源的优化配置和可持续利用，保障建设项目的合理用水要求，根据《取水许可制度实施办法》和《水利产业政策》，对于直接从江河、湖泊或地下取水并需申请取水许可证的新建、改建、扩建的建设项目利用水资源，必须遵循合理开发、节约使用、有效保护的原则；符合江河流域或区域的综合规划及水资源保护规划等专项规划，按照《建设项目水资源论证管理办法》规定进行建设项目水资源论证。地下储能技术国内外发展状况

利用地下水进行地下储能的技术最早出现在中国，上世纪六十年代初，为了缓解地面沉降和解决工厂的储能问题，北京、上海和天津采用了地下水人工回灌措施。储能方法大都采用单井回灌方式，每年冬季或夏季，需用冷能或热能的工厂，用管井回灌的方法，将冷水或热水灌入含水层储存起来，在生产需用冷能或热能时再抽取使用。目前上海市有储冷井400余眼，冬灌冷水约2000×104m3；储热井130余眼，夏灌热水600×104m3。天津市九十年代中期有回灌井78眼，年回灌量170万m3，目前回灌量已降低。江苏省无锡、苏州、常州一带地下水回灌规模也较大。由于成井技术及回灌技术存在一定问题，回灌井出现物理堵塞、化学沉淀堵塞、生物化学堵塞，导致回灌规模难于扩大。

在国外，地埋管式地源热泵系统发展较早，在二十世纪上半叶则已成熟，但规模不大。利用地下水储能技术则是在上世纪八十年代末期开始。此项技术处于领先地位的是荷兰I F技术股份有限公司,该公司从事地下水储能技术研究和开发多年，在吸取中国地下水回灌技术经验的基础上，针对我们难于解决的前述几方面的问题进行研究，逐步得以解决，创造出荷兰式地下储能技术。上世纪九十年代在荷兰、比利时、挪威等国推广地下储能工程近二百项，均为较大型的储能工程。该项技术是最早采用对井，互为灌采井，对成井技术、回灌技术进行研究和改进，实现地下水灌采平衡。利用地下含水层储能，并与热泵、热交换器联合使用实现建筑物冷暖空调。

近几年来，在受荷兰地下储能技术的影响，天津市进行多项地下储能工程试验和建设，取得了一定进展。但就目前我们的技术水平来讲，与荷兰地下储能技术尚存在一定的差距。在灌采井施工机械、施工工艺、设备选材和回灌技术等方面均需改进和提高，目前仍处于探索阶段。

2.地下储能技术原理

地下储能技术是把大气的冷热能源以地下水为介质，储存在含水层中，供使用期间提取。它与风能、太阳能一样，是一种低维修，高能效的利用自然能的方法，是不产生环境污染的“绿色能源”。其工作原理非常简单，在冬季，水从所谓的“热井”中抽出，利用热泵技术释放的热能，为建筑物供热，经过冷却后的水回灌至所谓“冷井”。在夏季，过程正好相反，从“冷井”中抽出的冷水，经热交换器（或热泵）交换，为建筑物或工艺过程供冷，工作完温度升高的水回灌至“热井”。这种储能方式，可通过一对井或几对井实现，这要视工程所需能量而定。还有一种形式，即分别于相对较远的对应井群，注水井群只用来注水，抽水井群只用来抽。不同季节注入水量温度平均值等于地下水温度，经过一定距离流动，水温接近常温，可供空调系统用水。受水文地质条件的限制，目前多数采用前者。

这种装置可取代制冷机组，比常规的水循环制冷效果好，其节能、节水、环保效果好。

目前国内俗称的“水源热泵系统”，与地下水储能系统尚存在一定区别。

2.1 地下储能系统的优点

（1）能效高：由于本系统可以利用地下水进行储热和储冷，系统制冷系数略高于压缩式水冷机组，一般可达4.5以上，制热系数达5.0以上。

（2）环保性能好：由于以电为动力源，无任何排放物，环保性能优越。

（3）一机多用：即可冬季供热又可夏季供冷，也可供应生活热水，夏季供冷还可省去冷却塔。

（4）投资与其他方法持平，运行费用较低：与电冷空调配燃油锅炉、溴化锂空调配燃油锅炉及溴化锂直燃式空调等方式比较，其投资持平，但运行费用仅为其他方式的一半或三分之一。

（5）技术成熟，自动化控制水平高，运行和维护简单。

2.2 地下水储能系统与普通水源热泵系统的差异

地下水储能系统通过地下水作为介质采集和储存能源，重视能源的储存和地下水资源保护，系统运行过程中，保持地下水采补平衡，对环境不产生影响。因所使用的井均为灌采两用井，为此，非常重视成井技术和成井质量。地下水不受气温变化的影响，温度比较稳定，储能效果显著。夏季储存的水温高于原含水层水温，冬季储存的水温低于原含水层水温，反季节利用，大幅度提高系统供暖和制冷效果，从而达到节能的目的。而利用地表水的水源热泵，因地表水受气温影响明显，能源储存效果较差。同时，受地表水体的限制，使用有一定局限性。目前，国内不少地区利用地下水作为水源的热泵系统，只采不灌，不重视成井技术和成井质量，不重视能源的储存，更不重视水资源和环境的保护。这在水资源严重缺乏的我国，是不允许的。为此，不少地区水资源管理部门严格限制这种形式水源热泵系统的发展。天津市因水文地质条件较差，地下水超采易引起环境地质问题，采用地下水作为介质的水源热泵系统，必需采取采灌并举的方法，使地下水采灌平衡，同时也起到储能的作用。

2.3 地下储能系统经济效益比较

“管井灌采地下水应用于冷暖空调的试验研究”曾对目前采用的几种冷暖空调系统的经济效益进行了分析对比，其结果如下：

固定设备投资：

地下储能系统每万m2投资为195万元。与其他空调设备比较如表2-1：

（比较条件：建筑面积1万m2，室内温度冬季保证18-22℃，夏季 24-28℃。）

前期投资（万元） 表2-1

其他三种设备每万m2平均初投资227.3万元,而使用地下储能可节省初投资32.3万元,节约14%。

运行费用比较：

冬夏两季与其他空调设备相比较，条件是电价按0.6元/度，燃油3.8元/L，人工费26.7元/d·人,管井灌采平衡。冬季运行11小时，夏季运行11小时。

运行费对比表（单位：万元）见表2-2。

从上表分析,三种空调年运行费平均为45.6万元,而使地下储能仅19.22万元。是其他平均运行费的42%。即每年平均节约运行费26.4万元，8年以内即可收回投资。

从以上对比可以看出，地下储能空调系统投资小，运行费用低。他的前期投资比其他类型空调系统节省20%左右的费用，运行费用连其他空调的一半都达不到。另外，使用地下储能占地面积也只有一般中央空调的1/3，对于寸土寸金的城市就显然是更为合理的选择。

3.地下水水质预测与分析

采用地下水源热泵系统的储能形式，对地下水质的重视原因在于：①地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量，可能对灌采两用井产生的腐蚀、堵塞等影响。②地下水质对热泵、循环系统可能产生的影响等。

储能系统的正常运行，回灌是关键的环节，而地下水水质至关重要，地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量，明显影响回灌效果。管井回灌由于地下水化学成分和物理成分往往引起物理堵塞（气相堵塞、悬浮物堵塞、砂堵）、化学堵塞、生物（细菌）堵塞等。储能系统中水封闭运行，与外界空气不接触，只要系统封闭性好，气体、细菌可避免混入。成井质量好可避免涌砂堵塞。但地下水中固有的化学成分将决定是否形成堵塞，因为地下水中往往含有多种可溶性盐类，但是它们并不都很稳定，当水中P H值变化，或者溶解氧、二氧化碳、氧离子、硫酸根离子、硫化氢等的含量变化时，以及水的温度和压力变化是都产生不同盐类的沉淀。

在管井回灌过程中比较常见的是铁质、钙质的沉淀。当回灌水中含有较多的溶解氧时，或回灌水混入空气，空气中的氧溶解于地下水中，这时氧与水中二价铁作用最终生成不溶于水的氢氧化铁，沉淀在过滤器的网眼或砂层孔隙里，产生化学沉淀堵塞。当地下水中含有大量钙离子和重碳酸离子时，则以碳酸钙沉淀为主。重碳酸钙是一种溶解于水，但又非常不稳定的物质，当压力、温度变化时就不溶解于水而沉淀下来，同样造成过滤器和含水砂层的堵塞。

我国尚未颁布地下水回灌水质标准，依据上海市水文地质大队多年回灌实践总结出的“回灌水化学性质指标”（以下简称“指标”）进行分析，该“指标”认为，P H值以6.5-7.5为宜、氯离子含量不能超过250m g/L、溶解氧不超过7m g/L、铁含量不宜超过0.5m g/L,最好在0.3m g/L以下。锰含量不宜超过0.1m g/L。所取层位地下水水质基本符合回灌水质要求。

4.回灌技术方法

4.1 回灌方法

回灌方法分为负压回灌与压力回灌,因该项目井组选择第Ⅳ含水组，该含水组水位埋深较深，适于选择负压回灌。负压回灌方式较之加压回灌具有节能的优点。密封是回灌的关键环节，无论是负压回灌还是加压回灌，均需做好密封。泵管接头、井口法兰、闸阀、井管道上安装的压力表、温度计、电缆等联接部位均需密封。

负压回灌是指在泵管内形成-0.1Mpa压力的条件下,由泵管将回灌水灌入井下含水层的一种方法,其操作程序为：

初始回灌量和压力应由小到大逐步调节，以使含水层逐渐适应，一定时间内逐渐加大回灌量，增加到一定程度后，灌量不再增加，

此时的回灌量为最大回灌量。如一开始即用大灌量，会造成井下滤层的破坏。

4.2 回扬

由于回灌水中悬浮物及化学沉淀物等可导致井堵塞，需定期清除，多年来我国技术界认为较为有效的方法为回扬。荷兰I F公司的储能技术在改进钻进技术、成井工艺、选材及回灌方法等方面取得了进步，因而从根本上解决了地下水回灌的堵塞问题，其系统无需经常回扬，一般说来，每年仅需回扬几次。

国内地下水回灌由于存在诸多需要改进的方面，目前仍需频繁回扬，根据上海市浦东新区人工回灌经验,回扬频率为回灌24小时,回扬一小时，以水清砂净为止。实际回扬水量为回灌量的4.2%。

为节约用水，保护水资源，系统中应安装精滤装置，回扬水可经精滤装置过滤后重新回灌使用，但需注意封闭运行，以防气体混入。

随着钻井技术、成井技术的提高和采灌方法的改进，频繁回扬的现象可以克服。近年来我市发展的储能项目中，有的实际运行已经做到了采补平衡，如：天津市农垦集团公司办公大楼、天津市技术监督局质检所、天津市三达铸造有限公司综合办公楼等

5.结论

2006年8月6日国务院颁布的《关于加强节能工作的决定》明确指出“优化用能结构。大力发展高效清洁能源。大力发展风能、太阳能、生物质能、地热能、水能等可再生能源和替代能源。”并提出采取多种措施，建立健全节能保障机制，大力推进节能技术进步。目前天津市在各种大型建筑项目中，凡是有条件的都倡导优先利用地下储能技术，该项技术必将会得到健康、快速的发展。

[1]季学武.水文分析计算与水资源评价.水利水电出版社,2008-6-1:

[2]建设项目水资源论证培训教材.中国水利水电出版社,2005-7-1:

[3]建设项目水资源论证技术标准汇编.水利部水资源管理司水利部水资源管理中心,2006-3:

[4]中国北方平原区地下水通报2006年第三期（总第19期）