含水層儲(chǔ)能技術(shù)研究

姜鑫

（沈陽工程學(xué)院能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，能源短缺問題日益加劇。解決途徑主要有兩個(gè)，一是減少能源浪費(fèi)，提高能源利用率；二是大力發(fā)展可再生能源?？稍偕茉匆云浒踩?、環(huán)保、循環(huán)可再生的特點(diǎn)得到了大力開發(fā)，但太陽能、風(fēng)能等可再生能源無法保障穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)，儲(chǔ)能成為推動(dòng)化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。含水層儲(chǔ)能技術(shù)具有容量大、成本低、并且能夠利用自然余熱和廢熱的優(yōu)點(diǎn)，成為解決能源短缺及環(huán)境問題的一種新途徑[1]。

本文介紹了含水層儲(chǔ)能的原理，總結(jié)出當(dāng)前制約該技術(shù)發(fā)展存在的問題及應(yīng)對(duì)措施并提出建議和展望。

1 含水層儲(chǔ)能技術(shù)原理

含水層是能夠透過一定量地下水的巖層，可以儲(chǔ)存水并為水的流動(dòng)提供載體，由于水流速度慢，溫度變化小，容量大，適合作為儲(chǔ)能介質(zhì)。含水層儲(chǔ)能技術(shù)是利用地下含水層的特殊結(jié)構(gòu)，將夏季的熱量和冬季的冷量以水作為介質(zhì)儲(chǔ)存于其中，需要時(shí)取出的一種儲(chǔ)能技術(shù)。在供暖季，將上一供冷季儲(chǔ)存于地下的熱量提取出來，用于建筑供暖或提供工業(yè)所需熱水，同時(shí)將冷水回灌至含水層，供下一供冷季利用，供冷季反之[2]，如圖1所示。通過“冬灌夏用”或“夏灌冬用”的反季節(jié)儲(chǔ)能方式合理地利用了散失于環(huán)境中的熱量及含水層天然的儲(chǔ)能特性?；毓嗨臏囟认募敬蠖酁?℃～-15℃，冬季為6℃- 9℃。

圖1 含水層儲(chǔ)能原理圖

2 含水層儲(chǔ)能的應(yīng)用

含水層儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)h(huán)境中或者廢棄的熱量和冷量?jī)?chǔ)存于地下，在需要的時(shí)候取出，充分地利用了含水層這一天然蓄熱體。該技術(shù)在我國應(yīng)用于建筑、化工、制藥、食品加工、發(fā)電廠、精密儀表廠和紡織等領(lǐng)域，利用儲(chǔ)存的冷量作為冷源或者直接提供冷卻水，熱量作為熱源進(jìn)行供暖或提供熱水[3]，如表1所示。

表1 我國含水層儲(chǔ)能應(yīng)用

在淺層（地下200米以內(nèi)）地?zé)峁┡?制冷中，含水層儲(chǔ)能較多與水源熱泵相結(jié)合形成地下水源熱泵系統(tǒng)，進(jìn)行季節(jié)性儲(chǔ)能。以含水層作為穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能載體，結(jié)合熱泵的高效能，既能制冷也能供暖，該技術(shù)不斷地探索與研究中心逐步趨于完善。在國家政策的支持下，出現(xiàn)了越來越多的含水層儲(chǔ)能項(xiàng)目。

截至2017年，全世界已建成2800多處淺層含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)，我國有6處投運(yùn)使用。2009年開始，中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限責(zé)任公司開始建設(shè)雄縣地?zé)峁┡?xiàng)目，所采用的是第二代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了近100%回灌[4]。豐電陽光將含水層儲(chǔ)能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成井工藝和材料、過濾裝置和控制系統(tǒng)方面采用了先進(jìn)的技術(shù)。建設(shè)的上海崇明島國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心和開米萬盛國際辦公樓項(xiàng)目分別在2013年和2015年投入運(yùn)營，在節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性方面取得了較好的效果。部分項(xiàng)目采用能源梯級(jí)利用的方式對(duì)進(jìn)入熱泵系統(tǒng)的地下水的熱量進(jìn)行反復(fù)利用，提高了能源的利用率，減少了能源的浪費(fèi)。天津華馨公寓供暖項(xiàng)目應(yīng)用兩級(jí)換熱一級(jí)提熱的梯級(jí)利用技術(shù)，提取出的90℃熱水先經(jīng)過鈦板換熱器換熱供給管網(wǎng)，排出的50℃熱水進(jìn)入二級(jí)換熱器提供給地面輻射式采暖系統(tǒng)，然后再通過熱泵提取25℃熱水熱量，最后回灌至地下[5]。

3 含水層儲(chǔ)能技術(shù)面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施

含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果與水文地質(zhì)條件密不可分。由于不同地區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，加之系統(tǒng)材料、工藝、設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式等的不合理等，在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)地下水系統(tǒng)堵塞造成的回灌困難，地面沉降以及地下生態(tài)環(huán)境污染等問題?；毓鄦栴}是含水層儲(chǔ)能的技術(shù)瓶頸[6]，不同的水文地質(zhì)條件直接影響到回灌難度，一般情況下很難實(shí)現(xiàn)100%回灌進(jìn)而導(dǎo)致不能有效回灌的水直接排放到河道或農(nóng)田，造成周邊環(huán)境污染和浪費(fèi)；地面沉降進(jìn)而引起海水倒灌、河床升高；系統(tǒng)運(yùn)行效率降低和壽命短等問題。造成回灌問題的原因主要有物理堵塞、化學(xué)堵塞和生化堵塞[7]。物理堵塞主要與含水層的砂層粒度、滲透性以及回灌時(shí)帶入的空氣和污染物有關(guān)，由于物理沉積物附著在濾網(wǎng)上，提高了注水壓力，對(duì)周邊土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，主要采取的措施是回?fù)P?；瘜W(xué)堵塞是地下水中的離子與空氣接觸產(chǎn)生沉淀及管井受到電化學(xué)腐蝕堵塞濾網(wǎng)，一般通過回?fù)P及對(duì)水進(jìn)行化學(xué)處理。生化堵塞是由于微生物腐蝕引起，水在回灌的過程中將細(xì)菌、病毒等帶到地下，對(duì)地下環(huán)境造成污染，采用回?fù)P及對(duì)水進(jìn)行殺菌緩解?；?fù)P清洗的方式雖然能在一定程度上減輕堵塞的程度，但并沒有從根本上解決回灌問題，在運(yùn)行過程中使用頻率較高，不僅增加了維護(hù)費(fèi)用，對(duì)管井的損害也較大，縮短系統(tǒng)的壽命。

此外，地下水回灌造成一定的地下生態(tài)環(huán)境污染問題。若回灌水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，帶回的微生物會(huì)造成地下水污染，不僅對(duì)地下生物造成影響，當(dāng)再次利用地下水時(shí)也會(huì)危害人的健康。若回灌水溫度過高或過低會(huì)改變地下溫度分布，超過其承受的范圍，破壞地下生態(tài)平衡。

為了盡量避免上述情況的發(fā)生，需做到：在建設(shè)系統(tǒng)前進(jìn)行詳盡的水文地質(zhì)勘察并開展回灌試驗(yàn)，保證該地區(qū)具備進(jìn)行含水層儲(chǔ)能的條件；合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，確保可持續(xù)開發(fā)利用；設(shè)置溫度、壓力、流量?jī)x表及水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表；在運(yùn)行過程中保證地?zé)崴谙到y(tǒng)中密閉運(yùn)行，避免外界氣體進(jìn)入造成地下水氧化堵塞及污染；原水同層回灌，對(duì)抽灌量、溫度、水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析及評(píng)價(jià)；定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、維修和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

4 結(jié)語

含水層儲(chǔ)能技術(shù)在我國自二十世紀(jì)60年代蓬勃興起，因水資源短缺及技術(shù)較為落后等原因二十世紀(jì)90年代沒落，近年來隨著人民生活水平的提高，供暖/制冷需求的增加及能源緊缺和化石能源污染等原因再次得到發(fā)展，該技術(shù)特有的保溫效果、存在的廣泛性、清潔性、穩(wěn)定性及地下含水層的超大容量使得其作為一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的技術(shù)存在廣闊的發(fā)展空間。但目前該技術(shù)還有一些不成熟的地方，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還需從以下方面進(jìn)行研究與改進(jìn)。

政府及有關(guān)部門需制定適合當(dāng)前時(shí)代特征的政策及標(biāo)準(zhǔn)，在大力支持地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，嚴(yán)格審批相關(guān)工程項(xiàng)目，保證地下及周邊環(huán)境不遭到破壞、不浪費(fèi)地下水，保護(hù)地下水這一重要戰(zhàn)略資源。建立完善的地下水資源監(jiān)控及管理系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行中的相關(guān)工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，加強(qiáng)監(jiān)管。積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，加大對(duì)相關(guān)企業(yè)、高校和科研院所研發(fā)的扶植力度，形成示范效應(yīng)，提升行業(yè)水平。

在技術(shù)上，首先需從根本上解決回灌困難等問題，做好腐蝕與結(jié)垢的預(yù)防和解決措施。一方面需要做好預(yù)防措施，研究出行之有效的水處理方法，另一方面，總結(jié)出最佳的回?fù)P反沖周期，在保證除垢的基礎(chǔ)上減少因回?fù)P造成的損耗。其次在建設(shè)系統(tǒng)前需相關(guān)的模擬計(jì)算，量入而出，避免對(duì)水文地質(zhì)條件造成過大的影響。再次，加強(qiáng)對(duì)水文地質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)理論研究需優(yōu)化設(shè)計(jì)回灌量、布井方式及井群系統(tǒng)，盡量避免“熱突破”的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率，提高系統(tǒng)壽命，保障良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，保證對(duì)地下平衡破壞在可控范圍內(nèi)。最后，需要解決水處理的技術(shù)瓶頸[8]，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

在管理上，根據(jù)以往系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用智能控制系統(tǒng)對(duì)抽灌水及設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，減少人工調(diào)試的誤差及不合理，提高控制精度及管理效率。

在能源利用方面，結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，因地制宜，與其他能源，如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等協(xié)同利用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。對(duì)開采的地下水進(jìn)行梯級(jí)循環(huán)利用，提高系統(tǒng)的綜合能源利用效率。結(jié)合信息技術(shù)，打造智慧能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的區(qū)域能源開發(fā)。