地下含水層儲(chǔ)能技術(shù)探討

中能建地?zé)嵊邢薰?鄔小波 孟 超

0 引言

目前，我國的能源生產(chǎn)和消費(fèi)在世界上均排名第一位。與此同時(shí)，在維護(hù)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(fèi)的快速增長(zhǎng)，為世界能源市場(chǎng)創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。但是，傳統(tǒng)能源占主導(dǎo)地位的一次能源消費(fèi)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(jī)的出口。

在過去的20年，國內(nèi)對(duì)地下水源熱泵的態(tài)度經(jīng)歷了一個(gè)比較大的轉(zhuǎn)變，從最初在政策上給予大力扶持、補(bǔ)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(duì)地下水難回灌和影響相應(yīng)水文地質(zhì)環(huán)境的擔(dān)憂有關(guān)[1-2]，尤其是地面沉降和地下水資源浪費(fèi)。

與此同時(shí)，荷蘭一直在推廣含水層儲(chǔ)能(aquifer thermal energy storage，ATES)技術(shù)。使用含水層儲(chǔ)能技術(shù)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(dá)到60%～90%。作為節(jié)能減排、能源轉(zhuǎn)型的主流技術(shù)，含水層儲(chǔ)能技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并得到了荷蘭政府的推崇，在荷蘭現(xiàn)行的《土壤保護(hù)法》中有著顯著的地位。而在其他國家，含水層儲(chǔ)能技術(shù)仍被視為高度創(chuàng)新的技術(shù)[3-4]。荷蘭在含水層儲(chǔ)能方面的成功主要?dú)w功于：一是荷蘭擁有合適的含水層資源，二是擁有先進(jìn)的成井工藝和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈。這幾年，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)含水層儲(chǔ)能現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，從國外引進(jìn)了一些關(guān)鍵工藝和技術(shù)，并針對(duì)國內(nèi)不同的地質(zhì)和氣候條件進(jìn)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(jìn)的含水層儲(chǔ)能技術(shù)與水源熱泵系統(tǒng)的區(qū)別及部分案例。

1 地下儲(chǔ)能與地源熱泵

含水層儲(chǔ)能是地下儲(chǔ)能(underground thermal energy storage，UTES)的一種，地下儲(chǔ)能還包括鉆孔式儲(chǔ)能(borehole thermal energy storage，BTES)和地下洞穴儲(chǔ)能(cavern thermal energy storage，CTES)。與地源熱泵和淺層地?zé)岬睦砟畈煌?，地下?chǔ)能理念是將地下水土作為冷量和熱量的儲(chǔ)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(dǎo)熱系數(shù)的大值2.5 W/(m·℃)進(jìn)行估計(jì)，由地殼向地面?zhèn)魉偷牡責(zé)岬臒崃髅芏葹?5 mW/m2，與在上海地區(qū)測(cè)得的56～65 mW/m2在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。與暖通空調(diào)的冷熱負(fù)荷相比，可以認(rèn)為地?zé)嶙饔每梢院雎圆挥?jì)。雖然地表的能量作用比較復(fù)雜，包括太陽的凈輻射、空氣對(duì)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(jì)。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(bǔ)給極其有限。

圖1 典型的地下溫度變化

水平方向能量的補(bǔ)給，依靠的是導(dǎo)熱和對(duì)流。由于水平的溫度梯度更小，因此，導(dǎo)熱的能量補(bǔ)給更小，而對(duì)流僅限于含水層的地下水流動(dòng)。地下水的對(duì)流會(huì)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(huì)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(xiàng)目，見圖2。

注：紅色表示熱井，藍(lán)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(bǔ)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(xiàng)目，地下能源能提供足夠的補(bǔ)給，而且對(duì)地下溫度場(chǎng)影響有限，否則，無論從熱力學(xué)、還是從能源的可持續(xù)性角度來分析，很難將其認(rèn)作是冷/熱源。若將其作為設(shè)計(jì)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(xué)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?zé)帷?。在地下能源系統(tǒng)中，地下水和巖土的作用，就是儲(chǔ)能。

2 含水層儲(chǔ)能與地下水源熱泵

含水層儲(chǔ)能無論從工藝角度還是運(yùn)行原理角度都要求必須進(jìn)行地下水回灌。而對(duì)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(shí)現(xiàn)供冷供熱，它以冬暖夏涼的地下水作為源。但是出于對(duì)地下水資源和對(duì)地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)，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(chǔ)存。含水層儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(gè)過程周而復(fù)始，含水層儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了“冬冷夏用”“夏熱冬用”的季節(jié)性儲(chǔ)能。地下儲(chǔ)能的冷熱水體變化情況如圖4所示。

圖3 含水層儲(chǔ)能原理

圖4 上海崇明島國家設(shè)施農(nóng)業(yè)含水層儲(chǔ)能的溫度場(chǎng) 三維動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果(紅色表示熱量，藍(lán)色表示冷量)

地下水源熱泵系統(tǒng)與含水層儲(chǔ)能的相同之處：

1) 從地質(zhì)環(huán)境和水資源保護(hù)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(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響也一樣。

2) 二者都會(huì)采用熱泵。當(dāng)含水層儲(chǔ)能直接供冷供熱達(dá)不到溫度需求時(shí)，含水層儲(chǔ)能也會(huì)使用熱泵調(diào)溫。當(dāng)然，隨著含水層高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的成熟，將來會(huì)有無熱泵直接供熱的可能性。

可見，含水層儲(chǔ)能和地下水源熱泵如此相似，涉及的學(xué)科之多，即使業(yè)內(nèi)資深專家有時(shí)也難以分辨二者的差異。一些含水層儲(chǔ)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(chǔ)熱也往往會(huì)用熱泵進(jìn)行供熱升溫。

含水層儲(chǔ)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(chǔ)能對(duì)回灌的溫度有一定要求，需要控制回灌溫度。對(duì)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(fèi)供冷；對(duì)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(duì)回灌的溫度不作控制，夏天也是使用熱泵進(jìn)行低溫供冷。

2) 設(shè)計(jì)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(rèn)為是“取之不盡，用之不竭”的冷熱源。含水層儲(chǔ)能需要根據(jù)冷熱需求量精心設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)。但事實(shí)上，一旦進(jìn)行地下水回灌，含水層的溫度場(chǎng)就會(huì)受到擾動(dòng)。含水層儲(chǔ)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(chǔ)存和釋放特性及溫度響應(yīng)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(tuán)隊(duì)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(hù)壁造成的儲(chǔ)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(shù)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(huì)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(tuán)隊(duì)在含水層儲(chǔ)能項(xiàng)目中所采用的進(jìn)口PVC濾管濾縫達(dá)到微米級(jí)，同時(shí)在濾料的選擇上也嚴(yán)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(chǔ)能因能實(shí)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(chǔ)能供冷(含直供)COP可達(dá)10～20，供熱COP可達(dá)5左右。

3 地下含水層儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用案例

含水層儲(chǔ)能技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于對(duì)地下含水層的熱物性研究、含水層儲(chǔ)能井井群的布置模擬、精準(zhǔn)的地下熱模擬和水力模擬(儲(chǔ)能過程中對(duì)環(huán)境的影響)、鉆井工藝等。

地下含水層儲(chǔ)能技術(shù)可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、房地產(chǎn)開發(fā)、碼頭等領(lǐng)域。早在1966年，上海就已經(jīng)通過回灌來進(jìn)行地下水位下降的控制和改善，134口井同時(shí)回灌使地下水位升高了10 m[8]。筆者所在團(tuán)隊(duì)在2014年將含水層儲(chǔ)能技術(shù)成功地應(yīng)用于襄陽高新區(qū)檢察院項(xiàng)目中(襄陽地區(qū)的地質(zhì)主要以黃土為主，打含水層儲(chǔ)能井有一定的困難)，該項(xiàng)目是國內(nèi)首個(gè)將ATES國產(chǎn)化的成功案例，并且在荷蘭含水層儲(chǔ)能實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上有了新的技術(shù)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(xiàng)目中開展了含水層儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)施，在崇明島的流沙層土壤中成功實(shí)施了含水層儲(chǔ)能技術(shù)，為該技術(shù)在國內(nèi)的推廣提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

4 含水層儲(chǔ)能技術(shù)在荷蘭的進(jìn)展

荷蘭的含水層儲(chǔ)能采用全密封地下水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水100%回灌。經(jīng)過30年的發(fā)展，荷蘭的含水層儲(chǔ)能成為一種成熟的、標(biāo)配的人工環(huán)境技術(shù)?，F(xiàn)有的含水層儲(chǔ)能應(yīng)用主要是低溫儲(chǔ)能，即地下水的溫度在25 ℃以下，這也是歐盟國家對(duì)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(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并沒有發(fā)現(xiàn)低溫(<25 ℃)ATES系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，除了免除具有爭(zhēng)議的地下水資源費(fèi)外，在項(xiàng)目審批時(shí)，采用交通信號(hào)燈模式[10]：對(duì)于符合條件的項(xiàng)目，無需審批，一律綠燈放行；對(duì)于與其他地下空間擁有方有利益沖突的項(xiàng)目，采用先入為主的原則，優(yōu)先保護(hù)現(xiàn)有用戶，即黃燈模式；而對(duì)于水源保護(hù)區(qū)，采用紅燈模式，放權(quán)由地方水務(wù)局進(jìn)行評(píng)估審理。

為了實(shí)現(xiàn)太陽能和工業(yè)余熱的直接供暖，進(jìn)一步提高供暖能效，目前的研究熱點(diǎn)是高溫含水層儲(chǔ)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(chǔ)能的大面積推廣，儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)地質(zhì)環(huán)境究竟有沒有潛在影響呢？荷蘭學(xué)者作了深入的研究，其研究成果可為我們發(fā)展含水層儲(chǔ)能技術(shù)提供參考。

5 結(jié)語

地下水全面回灌是含水層儲(chǔ)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(fèi)，需要在工程地質(zhì)方面有合理的井的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的成井技術(shù)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(kuò)散。對(duì)于采用多層含水層的同井抽灌系統(tǒng)，一定要進(jìn)行嚴(yán)格的水文化學(xué)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(duì)于含水層儲(chǔ)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(dāng)?shù)叵滤毓鄿囟鹊陀?5 ℃時(shí)，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響是輕微的。

高溫含水層儲(chǔ)能對(duì)提高供熱能效具有重要意義，同時(shí)，溫度的升高對(duì)有機(jī)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(gè)新的選項(xiàng)。這些是目前含水層儲(chǔ)能研究的重點(diǎn)。但需特別注意富砷含水層的高溫儲(chǔ)能，因?yàn)樯榈尼尫艜?huì)帶來水質(zhì)的超標(biāo)。

基于儲(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)能的先驅(qū)者為本文提供大量的基礎(chǔ)資料。感謝豐電陽光(北京)清潔能源技術(shù)有限公司為本文提供的數(shù)據(jù)支撐。