地下含水层储能技术探讨

2021-06-23中能建地热有限公司邬小波

暖通空调 2021年6期

中能建地热有限公司邬小波孟超

0 引言

目前，我国的能源生产和消费在世界上均排名第一位。与此同时，在维护全球能源安全方面，我国也发挥着越来越重要的积极作用。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。但是，传统能源占主导地位的一次能源消费模式并不具有可持续性，新能源的广泛利用才是解决能源危机的出口。

在过去的20年，国内对地下水源热泵的态度经历了一个比较大的转变，从最初在政策上给予大力扶持、补贴转变到现在的不提倡使用。这种转变，主要与人们对地下水难回灌和影响相应水文地质环境的担忧有关[1-2]，尤其是地面沉降和地下水资源浪费。

与此同时，荷兰一直在推广含水层储能(aquifer thermal energy storage，ATES)技术。使用含水层储能技术的空调系统与常规暖通空调系统相比，节能率达到60%～90%。作为节能减排、能源转型的主流技术，含水层储能技术在各行各业得到了广泛的应用，并得到了荷兰政府的推崇，在荷兰现行的《土壤保护法》中有着显著的地位。而在其他国家，含水层储能技术仍被视为高度创新的技术[3-4]。荷兰在含水层储能方面的成功主要归功于：一是荷兰拥有合适的含水层资源，二是拥有先进的成井工艺和相应的产业链。这几年，笔者所在的研究团队在国内含水层储能现有技术的基础上，从国外引进了一些关键工艺和技术，并针对国内不同的地质和气候条件进行了自主开发与创新[5]，成功地解决了地下水回灌难题，并将研究成果推向了国际[6]。

本文介绍和探讨先进的含水层储能技术与水源热泵系统的区别及部分案例。

1 地下储能与地源热泵

含水层储能是地下储能(underground thermal energy storage，UTES)的一种，地下储能还包括钻孔式储能(borehole thermal energy storage，BTES)和地下洞穴储能(cavern thermal energy storage，CTES)。与地源热泵和浅层地热的理念不同，地下储能理念是将地下水土作为冷量和热量的储存介质。

图1显示了典型的地下温度变化情况，除了近地表的15 m内地下温度有明显的季节性变化外，浅层地下温度竖直梯度基本上是每下降100 m升高3 ℃。采用松散层导热系数的大值2.5 W/(m·℃)进行估计，由地壳向地面传送的地热的热流密度为75 mW/m2，与在上海地区测得的56～65 mW/m2在同一个数量级。与暖通空调的冷热负荷相比，可以认为地热作用可以忽略不计。虽然地表的能量作用比较复杂，包括太阳的净辐射、空气对流、大气温度、地面和植被水的蒸腾蒸发、植被的光合作用等，但土壤的日平均热流密度与其他的能流相比，可以忽略不计。从近地表土壤受环境的温度影响来看，深度大于5 m的地下，温度基本不受地表的影响。因此，从竖直方向来看，自然的能量补给极其有限。

图1 典型的地下温度变化

水平方向能量的补给，依靠的是导热和对流。由于水平的温度梯度更小，因此，导热的能量补给更小，而对流仅限于含水层的地下水流动。地下水的对流会带入含水层上游的能量，其温度为自然温度，这种情形可以视为冷/热源，地下水回灌将会使周边地下土壤的温度产生变化，影响下游的其他井或项目，见图2。

注：红色表示热井，蓝色表示冷井。图2 地下水流速较大情况下的冷热井布置及温度影响区间

从地壳和地表补给的能源极为有限，不可能提供持续的冷量或热量，因此，除非是小型项目，地下能源能提供足够的补给，而且对地下温度场影响有限，否则，无论从热力学、还是从能源的可持续性角度来分析，很难将其认作是冷/热源。若将其作为设计的依据，无法保障系统能效的可持续性。所以，从热力学第一定律，即能量守恒来看，至少地下浅层土壤既不能产生“源”，也不存在“浅层地热”。在地下能源系统中，地下水和岩土的作用，就是储能。

2 含水层储能与地下水源热泵

含水层储能无论从工艺角度还是运行原理角度都要求必须进行地下水回灌。而对于地下水源热泵系统，从原理上讲，即使地下水只抽不灌，也能实现供冷供热，它以冬暖夏凉的地下水作为源。但是出于对地下水资源和对地质环境的保护，也需要地下水回灌。因此，二者的地下水系统非常相似[7]。

浅层的地下环境冬暖夏凉，适合暖通空调系统的冷热能储存。含水层储能的原理如图3所示。具体来说，在冬季，从“热井”抽出热的地下水经过热泵向建筑物供热，释放热量后的地下水变冷，回灌至“冷井”为夏季供冷。整个冬季供热过程中，“热井”周边的热水体由大变小，而“冷井”周边的冷水体由小变大。而到了夏季，可以利用冬季回灌至“冷井”的冷量，从“冷井”抽出冷的地下水经过换热器向建筑直接供冷，释放冷量后的地下水变热，回灌至“热井”为冬季供热。整个夏季供冷过程中，“冷井”周边的冷水体由大变小，而“热井”周边的热水体由小变大。这样，整个过程周而复始，含水层储能实现了“冬冷夏用”“夏热冬用”的季节性储能。地下储能的冷热水体变化情况如图4所示。

图3 含水层储能原理

图4 上海崇明岛国家设施农业含水层储能的温度场三维动态模拟结果(红色表示热量，蓝色表示冷量)

地下水源热泵系统与含水层储能的相同之处：

1) 从地质环境和水资源保护角度而言，二者都需要抽灌地下水，而且是地下水的全面回灌，对地质环境的影响也一样。

2) 二者都会采用热泵。当含水层储能直接供冷供热达不到温度需求时，含水层储能也会使用热泵调温。当然，随着含水层高温储热技术的成熟，将来会有无热泵直接供热的可能性。

可见，含水层储能和地下水源热泵如此相似，涉及的学科之多，即使业内资深专家有时也难以分辨二者的差异。一些含水层储能的理念和做法也逐渐渗透到地下水源热泵，如地下水的全面回灌、地下全年的冷热平衡等。而含水层储热也往往会用热泵进行供热升温。

含水层储能与地下水源热泵系统的不同之处：

1) 回灌温度不同。含水层储能对回灌的温度有一定要求，需要控制回灌温度。对供冷而言，冬季回灌温度越低越好，以保证回灌冷量在夏季能直接供冷，即通常所说的免费供冷；对于供热，由于供热要求的温度高，一般需要使用热泵提升温度。而地下水源热泵一般对回灌的温度不作控制，夏天也是使用热泵进行低温供冷。

2) 设计理念不同。地下水源热泵利用的是地下水冬暖夏凉的自然温度，通常认为是“取之不尽，用之不竭”的冷热源。含水层储能需要根据冷热需求量精心设计储能系统。但事实上，一旦进行地下水回灌，含水层的温度场就会受到扰动。含水层储能基于“量入而出”的原则，并根据含水层的热物性和井群的布置模拟，核算含水层冷热储存和释放特性及温度响应特性，见图2。

3) 施工工艺不同。传统水源热泵一般采用泥浆正循环成井工艺，但在成井过程中泥浆易堵塞水通道，这是地下水源热泵回灌难的主要问题之一。笔者所在团队在工程中采用气举反循环清水钻井工艺，解决了传统地下水源热泵因泥浆护壁造成的储能井污染问题，既可以确保地下含水层水路畅通，也可以根据不同地质作技术调整以保证成井的可靠性。

4) 成井材料不同。传统的水源热泵多采用铸铁滤水管等，会因氧化、锈蚀等造成滤水管损坏，不能有效阻隔泥沙，这是地下水源热泵泥浆堵塞的主要原因之一。笔者所在的团队在含水层储能项目中所采用的进口PVC滤管滤缝达到微米级，同时在滤料的选择上也严格与含水层砂径匹配，有效解决了地下水源热泵泥浆堵塞的问题。

5) 能效不同。含水层储能因能实现部分直供，系统能效高于地下水源热泵。地下水源热泵供冷COP为5左右，供热COP为4左右，而含水层储能供冷(含直供)COP可达10～20，供热COP可达5左右。

3 地下含水层储能技术应用案例

含水层储能技术成功应用的关键在于对地下含水层的热物性研究、含水层储能井井群的布置模拟、精准的地下热模拟和水力模拟(储能过程中对环境的影响)、钻井工艺等。

地下含水层储能技术可以应用在农业、房地产开发、码头等领域。早在1966年，上海就已经通过回灌来进行地下水位下降的控制和改善，134口井同时回灌使地下水位升高了10 m[8]。笔者所在团队在2014年将含水层储能技术成功地应用于襄阳高新区检察院项目中(襄阳地区的地质主要以黄土为主，打含水层储能井有一定的困难)，该项目是国内首个将ATES国产化的成功案例，并且在荷兰含水层储能实施经验基础上有了新的技术突破；2013年和2015年分别在上海地区的崇明岛和鲜花港的农业项目中开展了含水层储能技术的实施，在崇明岛的流沙层土壤中成功实施了含水层储能技术，为该技术在国内的推广提供了理论和实践依据。

4 含水层储能技术在荷兰的进展

荷兰的含水层储能采用全密封地下水系统，实现地下水100%回灌。经过30年的发展，荷兰的含水层储能成为一种成熟的、标配的人工环境技术。现有的含水层储能应用主要是低温储能，即地下水的温度在25 ℃以下，这也是欧盟国家对于浅层地下水能源系统的限定。在地质环境方面，通过现场检测和实验室试验，并没有发现低温(<25 ℃)ATES系统对地下矿物平衡等方面有明显的影响[9]。政策方面，为了加速含水层储能技术的应用，除了免除具有争议的地下水资源费外，在项目审批时，采用交通信号灯模式[10]：对于符合条件的项目，无需审批，一律绿灯放行；对于与其他地下空间拥有方有利益冲突的项目，采用先入为主的原则，优先保护现有用户，即黄灯模式；而对于水源保护区，采用红灯模式，放权由地方水务局进行评估审理。

为了实现太阳能和工业余热的直接供暖，进一步提高供暖能效，目前的研究热点是高温含水层储能，即地下水回灌温度突破25 ℃限制，甚至高于60 ℃[11-12]。随着荷兰含水层储能的大面积推广，储能的地下水循环总量已经超过其他用水循环流量之和[13]。虽然含水层储能不消耗地下水，只是作为冷热传送介质，但如此大规模的利用对地质环境究竟有没有潜在影响呢？荷兰学者作了深入的研究，其研究成果可为我们发展含水层储能技术提供参考。