中能建地熱有限公司 鄔小波 孟 超

0 引言

目前，我國的能源生產(chǎn)和消費在世界上均排名第一位。與此同時，在維護全球能源安全方面，我國也發(fā)揮著越來越重要的積極作用。能源消費的快速增長，為世界能源市場創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。但是，傳統(tǒng)能源占主導地位的一次能源消費模式并不具有可持續(xù)性，新能源的廣泛利用才是解決能源危機的出口。

在過去的20年，國內(nèi)對地下水源熱泵的態(tài)度經(jīng)歷了一個比較大的轉(zhuǎn)變，從最初在政策上給予大力扶持、補貼轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的不提倡使用。這種轉(zhuǎn)變，主要與人們對地下水難回灌和影響相應水文地質(zhì)環(huán)境的擔憂有關[1-2]，尤其是地面沉降和地下水資源浪費。

與此同時，荷蘭一直在推廣含水層儲能(aquifer thermal energy storage，ATES)技術。使用含水層儲能技術的空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，節(jié)能率達到60%～90%。作為節(jié)能減排、能源轉(zhuǎn)型的主流技術，含水層儲能技術在各行各業(yè)得到了廣泛的應用，并得到了荷蘭政府的推崇，在荷蘭現(xiàn)行的《土壤保護法》中有著顯著的地位。而在其他國家，含水層儲能技術仍被視為高度創(chuàng)新的技術[3-4]。荷蘭在含水層儲能方面的成功主要歸功于：一是荷蘭擁有合適的含水層資源，二是擁有先進的成井工藝和相應的產(chǎn)業(yè)鏈。這幾年，筆者所在的研究團隊在國內(nèi)含水層儲能現(xiàn)有技術的基礎上，從國外引進了一些關鍵工藝和技術，并針對國內(nèi)不同的地質(zhì)和氣候條件進行了自主開發(fā)與創(chuàng)新[5]，成功地解決了地下水回灌難題，并將研究成果推向了國際[6]。

本文介紹和探討先進的含水層儲能技術與水源熱泵系統(tǒng)的區(qū)別及部分案例。

1 地下儲能與地源熱泵

含水層儲能是地下儲能(underground thermal energy storage，UTES)的一種，地下儲能還包括鉆孔式儲能(borehole thermal energy storage，BTES)和地下洞穴儲能(cavern thermal energy storage，CTES)。與地源熱泵和淺層地熱的理念不同，地下儲能理念是將地下水土作為冷量和熱量的儲存介質(zhì)。

圖1顯示了典型的地下溫度變化情況，除了近地表的15 m內(nèi)地下溫度有明顯的季節(jié)性變化外，淺層地下溫度豎直梯度基本上是每下降100 m升高3 ℃。采用松散層導熱系數(shù)的大值2.5 W/(m·℃)進行估計，由地殼向地面?zhèn)魉偷牡責岬臒崃髅芏葹?5 mW/m2，與在上海地區(qū)測得的56～65 mW/m2在同一個數(shù)量級。與暖通空調(diào)的冷熱負荷相比，可以認為地熱作用可以忽略不計。雖然地表的能量作用比較復雜，包括太陽的凈輻射、空氣對流、大氣溫度、地面和植被水的蒸騰蒸發(fā)、植被的光合作用等，但土壤的日平均熱流密度與其他的能流相比，可以忽略不計。從近地表土壤受環(huán)境的溫度影響來看，深度大于5 m的地下，溫度基本不受地表的影響。因此，從豎直方向來看，自然的能量補給極其有限。

圖1 典型的地下溫度變化

水平方向能量的補給，依靠的是導熱和對流。由于水平的溫度梯度更小，因此，導熱的能量補給更小，而對流僅限于含水層的地下水流動。地下水的對流會帶入含水層上游的能量，其溫度為自然溫度，這種情形可以視為冷/熱源，地下水回灌將會使周邊地下土壤的溫度產(chǎn)生變化，影響下游的其他井或項目，見圖2。

注：紅色表示熱井，藍色表示冷井。圖2 地下水流速較大情況下的冷熱井布置及溫度影響區(qū)間

從地殼和地表補給的能源極為有限，不可能提供持續(xù)的冷量或熱量，因此，除非是小型項目，地下能源能提供足夠的補給，而且對地下溫度場影響有限，否則，無論從熱力學、還是從能源的可持續(xù)性角度來分析，很難將其認作是冷/熱源。若將其作為設計的依據(jù)，無法保障系統(tǒng)能效的可持續(xù)性。所以，從熱力學第一定律，即能量守恒來看，至少地下淺層土壤既不能產(chǎn)生“源”，也不存在“淺層地熱”。在地下能源系統(tǒng)中，地下水和巖土的作用，就是儲能。

2 含水層儲能與地下水源熱泵

含水層儲能無論從工藝角度還是運行原理角度都要求必須進行地下水回灌。而對于地下水源熱泵系統(tǒng)，從原理上講，即使地下水只抽不灌，也能實現(xiàn)供冷供熱，它以冬暖夏涼的地下水作為源。但是出于對地下水資源和對地質(zhì)環(huán)境的保護，也需要地下水回灌。因此，二者的地下水系統(tǒng)非常相似[7]。

淺層的地下環(huán)境冬暖夏涼，適合暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱能儲存。含水層儲能的原理如圖3所示。具體來說，在冬季，從“熱井”抽出熱的地下水經(jīng)過熱泵向建筑物供熱，釋放熱量后的地下水變冷，回灌至“冷井”為夏季供冷。整個冬季供熱過程中，“熱井”周邊的熱水體由大變小，而“冷井”周邊的冷水體由小變大。而到了夏季，可以利用冬季回灌至“冷井”的冷量，從“冷井”抽出冷的地下水經(jīng)過換熱器向建筑直接供冷，釋放冷量后的地下水變熱，回灌至“熱井”為冬季供熱。整個夏季供冷過程中，“冷井”周邊的冷水體由大變小，而“熱井”周邊的熱水體由小變大。這樣，整個過程周而復始，含水層儲能實現(xiàn)了“冬冷夏用”“夏熱冬用”的季節(jié)性儲能。地下儲能的冷熱水體變化情況如圖4所示。

圖3 含水層儲能原理

圖4 上海崇明島國家設施農(nóng)業(yè)含水層儲能的溫度場 三維動態(tài)模擬結果(紅色表示熱量，藍色表示冷量)

地下水源熱泵系統(tǒng)與含水層儲能的相同之處：

1) 從地質(zhì)環(huán)境和水資源保護角度而言，二者都需要抽灌地下水，而且是地下水的全面回灌，對地質(zhì)環(huán)境的影響也一樣。

2) 二者都會采用熱泵。當含水層儲能直接供冷供熱達不到溫度需求時，含水層儲能也會使用熱泵調(diào)溫。當然，隨著含水層高溫儲熱技術的成熟，將來會有無熱泵直接供熱的可能性。

可見，含水層儲能和地下水源熱泵如此相似，涉及的學科之多，即使業(yè)內(nèi)資深專家有時也難以分辨二者的差異。一些含水層儲能的理念和做法也逐漸滲透到地下水源熱泵，如地下水的全面回灌、地下全年的冷熱平衡等。而含水層儲熱也往往會用熱泵進行供熱升溫。

含水層儲能與地下水源熱泵系統(tǒng)的不同之處：

1) 回灌溫度不同。含水層儲能對回灌的溫度有一定要求，需要控制回灌溫度。對供冷而言，冬季回灌溫度越低越好，以保證回灌冷量在夏季能直接供冷，即通常所說的免費供冷；對于供熱，由于供熱要求的溫度高，一般需要使用熱泵提升溫度。而地下水源熱泵一般對回灌的溫度不作控制，夏天也是使用熱泵進行低溫供冷。

2) 設計理念不同。地下水源熱泵利用的是地下水冬暖夏涼的自然溫度，通常認為是“取之不盡，用之不竭”的冷熱源。含水層儲能需要根據(jù)冷熱需求量精心設計儲能系統(tǒng)。但事實上，一旦進行地下水回灌，含水層的溫度場就會受到擾動。含水層儲能基于“量入而出”的原則，并根據(jù)含水層的熱物性和井群的布置模擬，核算含水層冷熱儲存和釋放特性及溫度響應特性，見圖2。

3) 施工工藝不同。傳統(tǒng)水源熱泵一般采用泥漿正循環(huán)成井工藝，但在成井過程中泥漿易堵塞水通道，這是地下水源熱泵回灌難的主要問題之一。筆者所在團隊在工程中采用氣舉反循環(huán)清水鉆井工藝，解決了傳統(tǒng)地下水源熱泵因泥漿護壁造成的儲能井污染問題，既可以確保地下含水層水路暢通，也可以根據(jù)不同地質(zhì)作技術調(diào)整以保證成井的可靠性。

4) 成井材料不同。傳統(tǒng)的水源熱泵多采用鑄鐵濾水管等，會因氧化、銹蝕等造成濾水管損壞，不能有效阻隔泥沙，這是地下水源熱泵泥漿堵塞的主要原因之一。筆者所在的團隊在含水層儲能項目中所采用的進口PVC濾管濾縫達到微米級，同時在濾料的選擇上也嚴格與含水層砂徑匹配，有效解決了地下水源熱泵泥漿堵塞的問題。

5) 能效不同。含水層儲能因能實現(xiàn)部分直供，系統(tǒng)能效高于地下水源熱泵。地下水源熱泵供冷COP為5左右，供熱COP為4左右，而含水層儲能供冷(含直供)COP可達10～20，供熱COP可達5左右。

3 地下含水層儲能技術應用案例

含水層儲能技術成功應用的關鍵在于對地下含水層的熱物性研究、含水層儲能井井群的布置模擬、精準的地下熱模擬和水力模擬(儲能過程中對環(huán)境的影響)、鉆井工藝等。

地下含水層儲能技術可以應用在農(nóng)業(yè)、房地產(chǎn)開發(fā)、碼頭等領域。早在1966年，上海就已經(jīng)通過回灌來進行地下水位下降的控制和改善，134口井同時回灌使地下水位升高了10 m[8]。筆者所在團隊在2014年將含水層儲能技術成功地應用于襄陽高新區(qū)檢察院項目中(襄陽地區(qū)的地質(zhì)主要以黃土為主，打含水層儲能井有一定的困難)，該項目是國內(nèi)首個將ATES國產(chǎn)化的成功案例，并且在荷蘭含水層儲能實施經(jīng)驗基礎上有了新的技術突破；2013年和2015年分別在上海地區(qū)的崇明島和鮮花港的農(nóng)業(yè)項目中開展了含水層儲能技術的實施，在崇明島的流沙層土壤中成功實施了含水層儲能技術，為該技術在國內(nèi)的推廣提供了理論和實踐依據(jù)。

4 含水層儲能技術在荷蘭的進展

荷蘭的含水層儲能采用全密封地下水系統(tǒng)，實現(xiàn)地下水100%回灌。經(jīng)過30年的發(fā)展，荷蘭的含水層儲能成為一種成熟的、標配的人工環(huán)境技術?，F(xiàn)有的含水層儲能應用主要是低溫儲能，即地下水的溫度在25 ℃以下，這也是歐盟國家對于淺層地下水能源系統(tǒng)的限定。在地質(zhì)環(huán)境方面，通過現(xiàn)場檢測和實驗室試驗，并沒有發(fā)現(xiàn)低溫(<25 ℃)ATES系統(tǒng)對地下礦物平衡等方面有明顯的影響[9]。政策方面，為了加速含水層儲能技術的應用，除了免除具有爭議的地下水資源費外，在項目審批時，采用交通信號燈模式[10]：對于符合條件的項目，無需審批，一律綠燈放行；對于與其他地下空間擁有方有利益沖突的項目，采用先入為主的原則，優(yōu)先保護現(xiàn)有用戶，即黃燈模式；而對于水源保護區(qū)，采用紅燈模式，放權由地方水務局進行評估審理。

為了實現(xiàn)太陽能和工業(yè)余熱的直接供暖，進一步提高供暖能效，目前的研究熱點是高溫含水層儲能，即地下水回灌溫度突破25 ℃限制，甚至高于60 ℃[11-12]。隨著荷蘭含水層儲能的大面積推廣，儲能的地下水循環(huán)總量已經(jīng)超過其他用水循環(huán)流量之和[13]。雖然含水層儲能不消耗地下水，只是作為冷熱傳送介質(zhì)，但如此大規(guī)模的利用對地質(zhì)環(huán)境究竟有沒有潛在影響呢？荷蘭學者作了深入的研究，其研究成果可為我們發(fā)展含水層儲能技術提供參考。

5 結語

地下水全面回灌是含水層儲能/地下水源熱泵的基本條件。為了避免地面沉降和地下水資源浪費，需要在工程地質(zhì)方面有合理的井的設計和先進的成井技術加以保障。地下水同層的抽灌可以防止淺層地下水的污染向深層擴散。對于采用多層含水層的同井抽灌系統(tǒng)，一定要進行嚴格的水文化學分析。

全封閉的地下系統(tǒng)可以防止地面的污染侵入地下。對于含水層儲能/地下水源熱泵系統(tǒng)，在地下水全面回灌和系統(tǒng)密封情況下，地下水處于厭氧狀態(tài)，當?shù)叵滤毓鄿囟鹊陀?5 ℃時，對地質(zhì)環(huán)境的影響是輕微的。

高溫含水層儲能對提高供熱能效具有重要意義，同時，溫度的升高對有機污染物生物降解、改善水質(zhì)具有極積意義，為地下水污染治理提供了一個新的選項。這些是目前含水層儲能研究的重點。但需特別注意富砷含水層的高溫儲能，因為砷的釋放會帶來水質(zhì)的超標。

基于儲能理念的地下能源系統(tǒng)，基本保持了地下的冷熱平衡。因此，溫度的影響范圍有限，風險可控。

6 致謝

感謝上海市地礦工程勘察院同仁，特別是含水層儲能的先驅(qū)者為本文提供大量的基礎資料。感謝豐電陽光(北京)清潔能源技術有限公司為本文提供的數(shù)據(jù)支撐。