废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

郭平业，王 蒙，孙晓明，何满潮

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

随着国家能源结构调整，部分资源枯竭、不符合安全生产要求的落后矿井已经或即将关停，据统计，自20世纪90年代末至2014年期间，全国累计关闭煤矿约7万处，至2016年底又关闭1 493处，其中包括国有大型煤矿和地方小煤矿，2016—2020年，我国共关停煤矿5 300个。废弃矿井在已完成的煤炭开采过程中，形成了包括不同开采水平的井下巷道、硐室群、工作面采空区等在内的大量地下空间。由于废弃矿井二次开发利用意识淡薄，多数矿井直接关闭，不仅造成巨大的地下空间资源浪费，还时常诱发安全和环境问题。因此，如何安全处置废弃矿井，实现废弃矿井地下资源高效二次利用是我国煤炭行业长期面临的重要问题。

随着我国城镇化的持续推进，建筑行业逐步成为碳排放的大户。2019年，我国建筑全过程碳排放总量占全国碳排放量的50.6%，其中建筑运行阶段碳排放量占全国碳排放的21.6%，仅北方地区供热碳排放约6亿t，因此，如何实现低碳(零碳)能源供应对建筑领域实现“碳达峰、碳中和”具有重要意义。降低建筑运行能耗的主要手段是进一步提高地热能、太阳能、风能等可再生清洁能源的使用比例。通过清洁能源为建筑供热供电，可大大减少煤炭等化石燃料的消耗，减少矿区建筑运行能耗，进而减少碳排放量。不仅可以对废弃矿井地下资源进行高效合理的二次利用，也为实现煤炭行业的“双碳”目标提供了有效的路径和助力。

笔者系统性梳理了国内外废弃矿井地下空间二次开发利用方式，重点分析了废弃矿井地下空间的储能利用方法，在此基础上提出了反季节循环储能利用技术，对其关键技术和问题进行了讨论，应用实例探讨了其可行性。

1 废弃矿井地下空间储能研究现状

欧美诸国现代采矿工业发达，造就了巨量的废弃矿井，正因如此，欧美国家也是废弃矿井开发利用的先驱。自20世纪60年代至今，美国、英国、德国等欧美国家针对废弃矿井开展了相关的研究与实践，成效显著。相比之下，我国对废弃矿井开发利用的研究起步较晚，且存在矿井地质条件复杂、阶段性关停矿井数量大等特殊条件。仅在煤矿瓦斯(煤层气)、煤炭地下气化、地下水库构建等能源化、资源化利用方面进行了工业性实验，开展了废弃矿井储气库、储油库以及工业旅游等功能利用方面的探索性研究。

废弃矿井开发利用可分为3个方面(图1)：① 伴生/残余资源开发，包括矿井水净化再利用、残余煤/瓦斯利用、地热利用等。例如德国Freiburg等城市将污染较小的关停矿井水经过反渗透处理，作为饮用水源；英国阿尔坎能源公司通过抽采关停的曼斯菲尔德煤矿地下瓦斯，为3台1.5 MW的发电机组发电；荷兰Heerlan市通过开发关停煤矿地热能资源，建成了一套区域性的供热供冷系统。② 地下空间利用，包括地下物资储存库、地下矿山博物馆、地下矿山酒店/游乐园、压缩空气储能等。例如美国Iron Mountain公司利用关停矿井地下空间建立了第1个地下文件储存中心；德国在Asse关停盐矿中放置中低放射性废物桶，是利用地下空间资源处置废弃物的典型案例；德国将1988年关停的Rammelsberg矿山改造为博物馆；南非约翰内斯堡在金矿旧址上建立了主题公园，游客可进入矿洞内参观游览；比利时于1975年在Anderlues建成关停煤炭矿井地下储气库，形成1.8亿m的储气能力。③ 井下特殊条件利用，包括利用井下高落差的井巷空间建立抽水蓄能电站、利用井下恒温恒湿环境建立地下医疗设施、利用深部低干扰等独特环境建立深地实验室等。例如美国新泽西州利用井下高落差的井巷空间，建成了霍普山抽水蓄能电站；乌克兰在喀尔巴什州位于地下206～282 m的岩盐矿井内利用井下恒温恒湿环境开办了一所用于治疗哮喘病人的医院；在美国南达科他州一处关停金矿，由于开采深度达到1 500 m，其地下空间被斯坦福大学用来建设深地实验室，用于提供暗物质直接探测实验等物理前沿领域研究所需要的深地低辐射、低干扰环境。

图1 废弃矿井二次开发利用分类

在“双碳”目标的背景下，随着能源结构调整，可再生能源占比逐年增加，尤其是风能和太阳能。但风能和太阳能具有随机性、波动性、反调峰性、间歇性、季节性和地域性等特点，能源供应的持续性和稳定性差，大规模并入电网会对电网造成严重冲击。为了减缓风能、太阳能等可再生能源大规模并网对电网的冲击，需要规模化的储能装置。现今国内外比较成熟的、具备电力大规模储存能力的储能技术主要有抽水蓄能技术和压缩空气储能技术。然而常规的地上抽水蓄能电站和压缩空气储能电站选址要求严格，需要大量、高落差的储能空间，适合建设储能电站的地点有限。而矿井在井工开采过程中形成的巨大的、高落差的地下空间，可以满足储能电站的建设要求。

1.1 抽水蓄能电站

图2为抽水蓄能发电的工作原理。煤炭开采过程中形成的巨大的、高落差地下空间，利用存在一定高差的2个储水空间，通过太阳能、风能等清洁能源发电，经水泵与水轮机将电能与水体位势能之间进行转换，实现电能的转换、储存与释放。美国麻省于20世纪初注册了半地下、半地表蓄能装置的专利；美国1993年在新泽西州建成的霍普山抽水蓄能电站，其下水库利用的是地下约760 m深处已废弃的矿洞，有效库容均为620万m，装机容量为204万kW。世界上首个半地下抽水蓄能电站Nassfeld于2006年建在奥地利的阿尔卑斯山;2012年，Gridflex Energy公司计划在Maysville石灰岩矿中修建抽水蓄能电站;2013年10月Mineville抽水蓄能项目初具雏形，预计在纽约的关停矿井中建造抽水蓄能设施;2014年4月New Summit Hydro公司设计在Norton，Ohio中建造一个总储量1.5 GW的蓄能电站，申请了“Summit Project”的项目;德国下萨克森州能源研究中心计划利用废弃的金属矿巷道建立全地下的抽水蓄能电站。维也纳Energis/Pablo Spitzer公司计划开展Pfaffenboden项目，上水库由隧道群组成，总长1.5 km，储水量1.2 Mm，下水库由天然水系组成，总装机容量300 MW。美国一直研究在明尼苏达废弃铁矿建设地下抽水蓄能电站。而在欧洲德国的Harz和Ruhr矿区一直尝试研究利用废弃煤矿建造地下抽水蓄能电站。南非(2016年)也开始尝试利用废弃矿井建设地下抽水蓄能电站。比利时已经开始尝试利用废弃采石矿和石板岩矿地下空间建设抽水蓄能电站。

图2 抽水蓄能电站空间分布及工作原理

1.2 压缩空气储能电站

图3为压缩空气储能工作原理，它通过太阳能、风能等清洁能源发电，将空气压缩后储存于矿井地下空间中，在需要时，将高压空气释放进入燃烧室与燃料一同燃烧升温，然后高温高压燃气进入汽轮机膨胀做功发电。压缩空气储能通常储存在地下直接开挖的硬岩硐室、盐层中融浸开采的洞穴、废弃矿山、枯竭的油气藏储层和含水层等地质介质中。例如，目前世界上仅有的2座正在商用运营的压缩空气储能电站，分别是德国于1978年建造的290 MW的Huntorf电站和美国于1991年在阿拉巴马州建造的110 MW的McIntosh电站,2个电站的储气库都建在盐岩地层的地下洞穴中，机组的压缩机功率为60，290 MW，发电功率为50，110 kW。目前，除了这2座已经商业运行的压缩空气储能电站，世界各国还有许多正在建设或计划建设的压缩空气储能电站项目以及相关研究试验。从2001年开始，美国的Norton压气储能电站计划在Ohio州建造一座大型的压缩空气储能电站，其地下储气库是利用原有的位于地下670 m深的废弃石灰岩矿洞,计划输出功率为2 700 MW。早在20世纪90年代，日本就实施了2项压缩空气储能的相关试验，其中一个修建在日本北海道Kamimasagawa市的一个煤矿内，地质条件为泥质砂岩，另一个试验硐室建造在岐阜县神冈一个锌矿的巷道中。韩国的压缩空气储能电站试点项目于2011年开始建设，硐室位于地下100 m深的石灰岩中,该项目的主要目的是研究内衬岩石硐室的可行性以及相应系统构成的设计，包括硐室、混凝土室以及内衬的材料。世界上第1座先进的绝热压缩空气储能试验电站建在瑞士南部比亚斯卡附近哥特哈德基础隧道开挖期间使用的一条山岭隧道中，隧道全长为3.16 km，直径为4.6 m。硐室内放置了容量为12 MW·h的电能储存装置。2019年，山西省大同市同煤集团的云冈矿巷道压缩空气储能项目开工建设，这是全国第1个利用废弃煤矿巷道改造成压缩空气储气库的储能电站项目。巷道总长度约为9 000 m，其中可用总长度约为7 000 m，可用容积约为9×104 m，未来将可以建成首期60 MW、总规模达100 MW的压缩空气储能发电站。

图3 压缩空气储能电站空间分布及工作原理

1.3 存在的问题

我国矿山数量众多，约有1/3的矿井为水资源丰富型矿井。当矿井关闭或废弃后停止排水工作，井下水位会快速回弹，淹没大量的井下巷道。而废弃矿井抽水蓄能和压缩空气储能电站均需对井下巷道空间进行改造方能投入使用。因此对于富水型矿井，以上2种储能方式在改造和运行过程中需耗费大量的人力物力财力，增加了初始投资和运行成本。

针对富水型矿井，可以充分地利用井下丰富的水、热和空间资源，进行废弃矿井地热资源的开发利用。废弃矿井地热资源利用的历史由来已久，加拿大早在1990年前就通过热泵系统对新斯科舍省斯普林希尔已关闭的乐佩克坎艾姆(Ropak Can Am)煤矿的地下热能进行了利用，该煤矿安装的热泵系统在冬天提供环流供暖的同时，在夏天提供环流供冷，这是加拿大首批安装的设备之一。加拿大Nova Scotia的Springhill工程，从深层巷道抽取水源经过热泵供暖(冬季)和制冷(夏季)后注入到浅部巷道，该系统每年可节约能源约60万kW·h。目前，包括美国、加拿大、德国、英国等原来主要的煤炭生产国均开始废弃矿山地热利用方面的研究与应用，表1为目前运行的部分示范工程案例。发达国家均开始全面调查评估全国范围内废弃矿井地热开采潜力，如欧洲联合发起的Minewater项目、新西兰的Minewater 2.0项目等。BAILEY等对包括英格兰、威尔士和苏格兰地区的61个废弃矿井进行地热资源评估，仅仅利用4 ℃的温差就可以获取47.5 MW的热量。

表1 世界主要的废弃矿井地热利用示范工程[14]

废弃矿井地热资源开采常用地源热泵与开环或闭环回路结合，冬季由矿井水中提取热量为用户供暖，夏季由矿井水中提取冷量为用户供冷。目前，废弃矿井地热资源利用潜在模式主要有以下3种：① 井下封闭式换热模式(图4(a))。将换热器放置在竖井或巷道内，矿井水静止不动，仅通过换热器内流体流动换热。该模式的特点是系统稳定，可靠性高，缺点是换热效率低，适合负荷较小的系统，不适合大规模开发。② 开放式直排模式。从废弃矿井抽出水体取热后直接处理后排走，该模式破坏矿区生态环境，一般很少使用。③ 开放式循环模式(图4(b))，优先利用废弃矿井已有的竖井抽取和回灌水体，水体在采空区和巷道内循环流动换热，为了防止热泵机组的堵塞和结垢问题，在热泵和矿井水中间加一个换热器以保障系统运行的稳定性。同时，该模式可以根据用户需求跨季节循环利用，实现冬季供热、夏季供冷。

图4 废弃矿井地热利用模式

然而，地热资源开发利用的方式也面临问题。地热能虽然是可再生能源，但恢复期较为缓慢，在连续开采过程中尾水回灌不当容易引起储层温度下降、生产井采出温度降低，造成热突破，降低服务年限。

鉴于此，提出一种废弃矿井反季节循环储能技术，该技术利用井下恒温环境，充分耦合利用太阳能、风能等可再生清洁能源，实现废弃矿井周边建筑物零碳/低碳供热制冷。该技术可有效避免尾水回灌造成的热突破，既合理利用了废弃矿井地下空间资源，又有效的开发井下特殊资源加以利用，也是以往利用方式基础上的一种耦合利用方式。

2 废弃矿井反季节循环储能技术

2.1 技术构想

废弃矿井地下空间反季节循环储能，是以废弃矿井大量的地下巷道作为储能空间，利用井下恒温环境，在冬季和夏季可分别供热制冷的储能技术，其技术设想如图5所示。矿井水的温度一年四季相对稳定、流量恒定，是非常理想的冷、热源和储能介质，并且井下温度全年波动不大，有利于减小热量损失。在冬季时，抽采井下储能空间中的恒温矿井水，提取其中的热量为建筑供暖并提供生活热水，并将尾水回灌到地下储能空间；在夏季时，抽采地下储能空间中的恒温矿井水，提取其中的冷量为建筑制冷，并将尾水回灌到地下储能空间中。同时可以在地表沉陷区建立太阳能、风能发电站，为储能系统及周边建筑提供清洁电能，减少建筑运营期间碳排放量。

图5 反季节循环储能技术设想

为了防止连续取热导致的储层温度下降，形成热突破，除了合理安排抽采井回灌井位置，还应加入太阳能集热装置。太阳能可以直接为建筑物供热，相应减小地热资源的需求量和开采量，还可在冬季用来加热回灌的尾水，防止由于回灌造成的储层温度快速下降，也可在夏季用来加热回灌的制冷尾水，回灌至热储层中，加快热储层温度的恢复。该系统有效利用了废弃矿井井上井下空间，合理开发利用了废弃矿井地区地热、太阳能、风能等可再生清洁能源。

2.2 工艺系统

图6为废弃矿井反季节循环储能技术示意，图7为技术原理。冬季，井下恒温岩土体温度高于井上环境温度，由井下储能空间汲取矿井水，通过换热器或热泵提取热量用于居民供暖、洗浴等，尾水通过太阳能加热后回灌到井下储能空间。夏季，井下恒温岩土体温度低于井上环境温度，由井下储能空间汲取矿井水，通过换热器或热泵提取冷量进行建筑空间制冷，而尾水通过太阳能进行加热，回灌到井下储能空间。在南方，冬季室外温度相对较高，可以通过空气源热泵作为辅助供热装置进一步提供热量；而在北方，由于冬季室外温度较低，空气源热泵工作效率低，不适宜采用空气源热泵作为辅助供热装置，可通过天然气或井下剩余煤层气的燃烧，为供热水箱内的水加热，满足北方地区冬季供暖。此外，利用矿区地表沉陷区空间，布置太阳能、风能发电装置，为矿区用户、循环储能系统提供电力，做到废弃矿井多源耦合低碳/零碳供热供电工艺。

图6 废弃矿井反季节循环储能技术示意

图7 废弃矿井反季节循环储能技术原理

3 废弃矿井反季节循环储能关键技术

3.1 多尺度空间热储评估方法

废弃矿井内的流动与传热规律是废弃矿井地下空间反季节循环储能技术面临的关键科学问题。国外学者从不同角度利用不同的方法开展废弃矿井内流动与传热问题相关研究，如图8所示，一种采用经验或理论分析方法，将废弃矿井内空间简单概化为标准巷道，不考虑采空区，主要分析巷道内水流的流动与围岩之间的传热规律。理论分析是将废弃矿井内的地下空间形式理想化和简单化，通过分析手段得出巷道内流体流动和传热的解析解或近似解。该模型一般假设废弃矿井内主要空间形式为巷道，并将巷道看作换热器，通过简化的模型分析巷道内的流动与传热。煤矿除了巷道外还有大量开采塌陷后形成的裂隙性热储，该模型尚未能考虑。

图8 废弃矿井地热利用概化模型

由于废弃矿井内空间形式复杂，理论分析很难全面描述其中的流动与传热，当前的大部分研究均借助于数值分析手段。目前分析废弃矿井内的流动与传热时主要有3类数值计算方法：①有限差分法(FDM)。主要的计算代码有美国地质调查局(USGS)的MODFLOW和美国劳伦斯伯克利国家实验室的TOUGH系列。②有限单元法(FEM)。RAYMOND和THERRIEN根据加拿大Quebec地区的Gaspe铜矿试验数据和资料建立一个三维有限元模型来研究矿井内的流动与传热问题并评估可持续开采量，模型中采用等效孔隙介质渗透模型来模拟巷道中的湍流流动。ANDRES等利用有限元分析软件FEFLOW，对西班牙Asturias地区废弃矿井分别建立二维和三维数值模型，通过设置不同的有效孔隙率和导水系数来表示巷道、工作面采空区和未扰动围岩，分析废弃矿井热储中的流动与传热。ORDONEZ等在该模型的基础上增加了该区域地表河流和降雨补给对热储开采潜力的影响，巷道和工作面采空区同样均采用等效孔隙模型。HAMM和SABET等对法国煤炭主产区Lorriaine地区的Vouters矿井地热开发潜力进行分析，同时进行参数敏感性分析。③ 限体积法(FVM)。RENZ等在总结分析废弃矿井热储数值模型的基础上，采用有限体积法来计算分析热储内流动与传热，该模型中巷道同样采用等效孔隙模型。不管是采用哪种计算方法，以上关于废弃矿井内的流动与传热数值模型对巷道和采空区均采用等效孔隙模型简化处理，使得建模和计算更加简便和快捷，同时加大了模型计算结果的误差。

经验估算是根据一些经验值来估算废弃矿井热储资源量。仅用煤炭开采量、开采时最大排水量和平均排水量及排水温度等参数粗略评估矿井地热开采量，对参数缺乏的矿井可做简单有效的评估。

矿井水的温度和体积是决定废弃矿井地热能再利用的主导因素。矿井水的温度与矿井埋深有着直接关系，同时受地质构造特征、地层地热性质、局部和区域地下水状况、矿井水停留时间及微生物呼吸放热反应等影响。而矿井水的体积则受到底层岩性、煤层厚度、地质构造、围岩渗透系数及开采方式等影响。当温度和体积确定时，估算矿井关闭后地下储层地热能常用的方法是体积法。

=′Δ

(1)

式中，为储层存储的静态能，kW·h；′为转换系数，′=2.7×10(kW·h)/kJ；为矿井水的比热容，=4.18 kJ/(kg·℃)；为矿井水的密度，=1 000 kg/m；为矿井水的体积，m；Δ为矿井水使用前后的温度差，℃。

我国煤炭地下开采主要采用长臂式开采，煤层开采之后，上覆岩层受到采动的影响垮落形成“三带”，即垮落带、裂隙带、弯曲下沉带(图9)。垮落带和裂隙带内存在大量的孔隙和裂隙为储水及流动提供有力地质条件，而弯曲下沉带内存在较少的微裂隙不能提供有效储水空间。因此，评价采空区储水能力时，可不考虑位移带的影响。采用式(2)估算整个采场的储水空间：

图9 废弃矿井井下储水空间示意

(2)

式中，为单个采空区的储水体积，m；为垮落带和裂隙带高度之和，m；为储层的可用系数，取0.8，表示有20%库容水无法利用；为采空区长度，m；为采空区宽度，m；为采场储存系数，可用垮落带岩石碎胀系数进行计算，=1-(1/),为碎胀系数。

另外，还有一些学者从同位素和地球化学的角度分析废弃矿井热储潜力。经验模型都是根据采矿量、地表塌陷等宏观参数计算出井下储水量，并简单估算得到区域可开发资源量，适合于前期的规划和评估。

废弃矿井热储是在煤炭开采过程中形成的人工热储，与常规孔隙或裂隙型热储完全不同，受煤矿采掘历史影响，废弃矿井内储水空间具有显著的多尺度特征，既有巷道等组成的大尺度空间，也有采动裂隙等形成的裂隙尺度空间，还包括岩石原生的孔隙尺度空间。废弃矿井内多尺度空间导致地下水流动与传热过程异常复杂，给废弃矿井地热资源可持续开采量的评估带来困难，目前已有的常规地热储层评估模型和方法不适用于废弃矿井热储评价。因此，如何科学评估可持续开采量是废弃矿井地热资源开发的首要问题。

为构建多尺度空间热储评估方法，精确评估废弃矿井地热资源可持续开采量，需要系统的梳理分析废弃矿井工程地质、水文地质、采掘空间、地表沉陷等特征指标，结合现场调研、物理模型试验和数值计算，研究废弃矿井各类储水空间分布特征，建立废弃矿井储水空间三维数字模型。开展废弃矿井多尺度空间耦合流动可视化物理模型试验，结合数值计算和理论分析，研究典型废弃矿井多尺度空间内的流动与传热特征。在此基础上，根据废弃矿井三维数字模型，建立表征大尺度空间和裂隙储水空间等不同尺度空间特征的典型废弃矿井热储数值模型，精确评估废弃矿井地热资源可持续开采量。

如何快速准确的建立井下热储评估模型，是有效地评估废弃矿井地热资源可持续开采量的先决条件。通过查阅相关地质资料并进行现场勘探调研，可以得到相关废弃矿井的工程地质、水文地质、采掘空间、地表沉陷等信息。通过对以上信息的整理分析研究，可以得出矿井水资源情况、废弃矿井空间资源情况以及围岩温度场变化情况。井下空间资源可进一步分为井巷空间、采空区空间和采动裂隙，在建模过程中可将井巷空间设置为大尺度的三维通道模型，采空区空间设置为不同有效孔隙率的等效孔隙介质模型，岩层裂隙设置为裂隙介质模型，得到废弃矿井储水空间三维模型，再与矿井水分布、补排来源、井下围岩温度场演化规律结合，最终得到废弃矿井三维热储评估模型。具体的三维建模过程如图10所示。

图10 废弃矿井三维热储评估模型建模过程

3.2 反季节循环储能整体设计方法

根据工程信息系统的基础数据、工程分析与科学决策的结果，综合考虑地上工程和地下工程的特点以及2者之间的相互关系，保证地面热泵机组、电力系统、用户供暖参数与地下矿井各项参数相互匹配，提出废弃矿井反季节循环储能技术设计方案(图11)：① 需要全面分析了解工程对象，包括资源状况(地下空间资源、太阳能资源、风能资源、水资源以及供热制冷工程需要的参数等)、利用状况(用户冷热负荷、耗电情况和用水量等)。② 针对对象的资源状况和利用状况进行对策分析，包括：资源配置对策，即根据资源条件和工程需求提出合理的配置方案。工艺优化对策，即根据实际情况提出合理利用方案。资源与环境保护对策，即在对废弃矿井地热资源利用的过程中要避免带来新的环境问题。③ 工艺流程设计包括反季节循环储能工艺设计，梯级开发循环利用工艺，多源互补耦合运行工艺。通过工艺流程优化设计，找出满足资源和工程条件、使系统功能达到最佳的各项对策的有机组合工艺。④ 参数优化设计，针对最佳的工艺流程设计，进行地下工程和地上工程设备部分的相关参数优化，主要考虑环境效益、经济效益和社会效益3个方面，包括可持续开发量、利用率、初始投资、运行费用、应用效果等。确定满足系统功能达到最佳的参数体系，从而形成最佳的参数设计。

图11 井上井下整体优化设计流程

3.3 反季节循环储能多源耦合运行模式

反季节循环储能以井下恒温岩土体及矿井水为主体，其应用不受季节、气候、昼夜等因素影响，在节能减排方面具有独特优势。但循环储能系统运行离不开电力，废弃矿井太阳能、风能发电与反季节循环储能技术的多源互补技术的应用，可减少循环储能过程中对常规电力的依赖，提高可再生能源的利用率。虽然太阳能与风能发电优势明显，但其间歇性对于电网带来的冲击问题尤为严重。抽水蓄能电站启停迅速，运行调节灵活，可在应用反季节循环储能技术的矿井建设适当规模的抽水蓄能电站，充分发挥抽水蓄能电站与太阳能、风能发电的互补性，减少太阳能、风能可再生清洁能源对电网系统的冲击。建立以抽水蓄能为纽带的废弃矿井太阳能、风能的多能互补系统，可有效提高供电的稳定性和减少对电网的扰动。

光伏/光热一体化技术通过光伏组件背面铺设流体通道，由流道中的冷却工质带走部分热量并加以利用，可显著提高太阳能的综合利用率，可与废弃矿井地热协同供热。在无需大量供热的春季及秋季，地热资源处于恢复期，可通过太阳能集热系统直接为用户供热，满足日常生活热水用水需求。在冬季，地热资源成为供热主力，但回灌尾水温度低，直接回灌容易造成储层温度降低，形成热突破，太阳能集热可收集热量为回灌尾水加热，减少低温尾水对热储层的冲击。在需要供冷的夏季，也是太阳能集热效果最好的季节，可通过太阳能集热系统收集热量，进一步加热制冷尾水，回灌至热储层中，加快热储层温度恢复，实现热能的反季节循环储存。在冬季室外温度较高的地区，可通过空气源热泵做为辅助热源为用户供热；而在较寒冷地区，可通过天然气或煤层气燃烧产生的热量做为辅助为生活用水加热。

最后，末端用户可根据环境、气候、季节、温度、资源情况及建筑形式等因素对供热量、供冷量和供电量进行调控，具体运行模式如图12所示。

图12 多源耦合运行模式

以太阳能、风能电站及抽水蓄能电站组成的供电系统，以地热能、太阳能、空气源热泵、天然气/煤层气组成的供热系统耦合，形成了废弃矿井反季节循环储能多源耦合系统，经过对不同工况设计不同的供热、供冷、供电方案，形成反季节循环储能多源耦合运行模式，为系统安全高效的运行提供保障。

4 典型矿井案例分析

京西煤田位于北京地区西南部即北京西山地区，主要分布于门头沟和房山两区内。在北京市界内的范围是东起万寿山西至北京市西边界，北起斋堂南达周口店，东西长约45 km、南北宽约35 km，煤田面积为1 019 km。目前全部矿井均已关停，主要包括门头沟煤矿、城子煤矿、杨坨煤矿、王平村煤矿、大台煤矿、木城涧煤矿、千军台煤矿、大安山煤矿、长沟峪煤矿和房山煤矿。京西矿区煤矿退出关闭后，庞大的地下井巷空间已逐渐被地下水淹没，借助地热资源形成了大量的恒温矿井水。据初步统计(表2)，仅门头沟煤矿和城子煤矿开拓巷道和采空区构成的储水空间可达1 835万m，加上目前尚未统计的开采裂隙储水空间，储水量可能会更高。京西关停矿井开采深度均超过500 m，地下水温度15～20 ℃，地热开发潜力巨大。

表2 京西废弃矿井储能潜力预估

王平村矿区位于门头沟区王平镇，于1994年闭矿，矿区主体改造意向为矿区主题休闲度假村，拟用地面积25万m，建筑面积约6万m，现有供热设施为2台以液化天然气为燃料的0.7 MW真空热水锅炉，供热面积为16 529 m。矿区交通便利，临近丰沙铁路和京门铁路。矿区临近永定河，地下水源充足，年平均日照2 600 h左右，太阳辐射量全年平均为5 000 MJ/m左右，有充足的太阳能可用于供热发电，不仅可在废弃矿井沉陷区布置光伏/光热一体化系统，也可布置在建筑物屋顶，提高供热供电量。但由于地处山区，平原面积少，周边又多是居住区、自然保护区、风景名胜区等，风能利用由其是风电场的选址建设应慎重考虑，进行专项论证。

王平村矿区位于门头沟区王平镇，于1994年闭矿，矿区地理位置如图13所示。在不考虑太阳能集热发电、风能发电的情况下，以王平村矿区为例计算不同供热制冷系统的能源消耗量及污染物排放量。王平村矿区反季节循环储能工艺系统如图14所示。

图13 王平村矿区地理位置

图14 王平村矿区反季节循环储能工艺系统

通过式(3)，(4)计算得到不同供热系统的能源消耗量，并通过不同燃料的单价、热值、热效率等参数计算出能源年费用，面积热负荷指标取70 W/m。

=

(3)

(4)

其中，为总热负荷，kW；为锅炉热效率；为单位时间产热热量，kW；为能源消耗量，kg或m；为能源热值，kJ/kg；为时间，s。热泵COP值取5。

经查阅相关材料，设定燃煤锅炉中燃烧1 t标准煤排放CO为2.66 t，燃气锅炉燃烧1万m燃气排放CO为19.94 t，燃油锅炉燃烧1 t燃油排放CO为2.3 t；火电厂的发电效率按300 g/(kW·h)(标煤)计算，产生1 kW·h的电能排放CO为0.83 kg，则各供热系统的减排效益分析见表3。

表3 不同供热系统的经济及减排效益

计算分体式空调系统夏季制冷能源消耗量，并计算能源年费用。经查阅资料，门头沟地区夏季白天平均气温为28 ℃，夜间平均气温为16 ℃，假设制冷时间为6—8月，且夜间无需制冷，共制冷1 200 h。面积冷负荷指标取120 W/m，王平村矿区建筑总体冷负荷为7.2 MW。假设每20 m安装一个1.5匹分体式空调，共安装3 000个，总制冷量为10.5 MW，满足矿区建筑总体冷负荷。以二级能耗分体式空调为例，EER(Energy Efficiency Ratio)为3.3，制冷消耗功率为3.2 MW，制冷季共消耗电量384万kW·h。若以EER=5的热泵代替分体式空调制冷，共消耗电量252万kW·h，减小电能消耗132万kW·h，转换为火电厂发电可减排CO约1 095.6 t。且热泵系统只需将蒸发侧与冷凝侧互换即可完成制冷制热系统的转换，无需安装其他设备，节省系统初始投资和运维费用。

为积极响应国家双碳战略，落实北京市关于实施二氧化碳排放控制专项行动的重要指示，助力“一线四矿”重点工程，打造京西零碳供热供冷示范区。充分利用废弃矿井的“零碳资源”，合理运用废弃矿井地下空间反季节循环储能工艺系统，以王平村矿区为例，经估算每年仅供热供冷季可减排二氧化碳约2 781.1 t，随着风能、太阳能等可再生能源发电/集热量的增加，节能减排效果将更加显著，二氧化碳排放系数降低到0.246 kg/(kW·h)，且经济效益显著。由此可见，应用废弃矿井反季节循环储能系统可进一步提高京西地区的清洁供热能力和供能安全，保障热力电力安全、清洁、稳定、高效供应，将对北京市能源保障和“碳达峰、碳中和”具有重要的意义。

5 结论与展望

(1)“双碳”背景下，我国因资源枯竭和落后产能退出而关闭的煤矿数量逐年增加，大量的废弃矿井亟待安全处置和开发利用，如何安全高效利用废弃矿井是资源枯竭地区发展转型升级的关键。国内外废弃矿井二次开发利用主要有伴生/残余资源开发、地下空间利用和井下特殊条件利用。近年随着新能源的规模化利用，包括地下抽水蓄能、压缩空气储能等废弃矿井储能利用方式得到广泛关注。

(2)在废弃矿井地热资源开发利用技术的基础上，提出了废弃矿井地下空间反季节循环储能技术设想。该设想充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源，通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备，为周边用户和整个储能系统提供电能。以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间，以矿井水为储能介质，通过太阳能集热和废弃矿井地热资源为周边用户供热/制冷，并且可以在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下，实现热能的反季节循环储存。

(3)以我国典型废弃矿井——京西王平村矿井为例，设计了反季节循环储能系统，估算了该系统的经济效益和环境效益。结果表明，与传统化石燃料供能系统相比较，应用反季节循环储能系统，每年可减少二氧化碳量排放约2 781.1 t，且具有明显的经济效益。若加入太阳能、风能集热发电系统，节能减排效果将更加明显。