地下含水层储能

地下含水层储能摘要利用地下含水层储能是一项新的节能技术，它属于水文地质学的范畴，又属于能源动力工程范畴，是当前世界上许多国家解决能源危机、扩大能源资源的方法之一。

地下含水层储能目前已成为一项应用日益广泛的实用储能技术，它可以很好地应用于大型空调项目。

含水层储能系统能够跨季节利用夏季的热和冬季的冷，有效减少化石燃料的使用量进而减少对大气的污染。

地下含水层储能技术具有节能和环保的重要意义，因而它具有广阔的应用前景。

1. 含水层储能发展历史早在 20 世纪 60 年代，为了控制工业上地下水过度抽取所引起的地面沉降，同时为解决纺织厂夏季空调冷源问题，中国的孙永福提出了地下含水层储能技术。

到 1966 年，有人提出了地下含水层储热水的概念，相应的储冷水概念很早就进行了检验。

直到 1976 年，当这方面的研究报告突然增多时，才引起了广泛的兴趣。

许多单位报道了包括现场试验及其数字模拟研究的项目，如瑞士的Nechatel 大学、美国的Auburn大学及美国地质调查局、法国地质及采矿研究办公室。

在瑞士、德国、法国及土耳其还进行了一些较小规模的现场试验。

在美国通用电力公司 TEMPO 报告中讨论了含水层储能在美国未来能源系统中的作用。

同年，在苏格兰Turnberry举行的北约组织科学委员的会议上也鼓励进一步发展含水层储能ATES（AquiferThermal Energy Storage）的概念。

近十年来，国内外都非常重视该方面的技术研究。

当今日益紧迫的能源危机迫使人们寻找节能的新方法的同时，加快寻找新能源的步伐；而逐渐严格的环保法规要求人们采用更加洁净的能源。

地下含水层储能是一种日益受到重视的可再生能源新技术，具有能量容量大、价格低廉、环保无污染等优点。

因此，地下含水层储能技术特别适用于展览馆、体育馆、大型商场、候机大厅等建筑群的大型空调系统，具有较高的经济性、可靠性和稳定性。

2. 含水层及其储能构造岩层是否是含水层主要取决于组成岩层的岩石本身的孔隙和裂隙的发育程度。

岩石中孔隙度越大，裂隙越多，连通得越好，储水和透水能力就越好。

反之，岩石中孔隙度越少，裂隙越少，孔隙裂隙互不连通，储水和透水能力就越差。

通常，人们把透水的岩层叫做透水层，不透水的岩层叫隔水层。

如果透水层中充满了可自由流动的重力水，这样的透水层叫做含水层。

含水层中的水流基本上都是水平流动的。

含水层又有承压含水层和潜水含水层之分。

承压含水层指上下都有不透水岩层的含水层。

潜水含水层（或称非承压含水层）指具有地下水面（潜水面）为其上界的含水层。

含水层储能是一种非传统的节能的供热供冷工艺，它是利用地下岩层的孔隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，将大气环境中冬季丰富的“冷”或夏季廉价的“热”季节性地储存在地下含水层中。

由于灌入含水层的冷水或热水有压力（水头差），推挤了原来的地下水而储存在井周围含水层里。

随着灌入水量的增加，灌入的冷水或热水不断地向四周运移，从而形成了“地下冷水库”或“地下热水库”。

当生产需要时再抽取使用，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。

这种利用地下水含水层储存冷水或热水的技术方法称为地下含水层储能。

地下含水层储能可分为储冷和储热两大类型。

含水层储冷是指冬季将净化过的冷水用管井灌入含水层里储存，到夏季抽取使用，即“冬灌夏用”。

含水层储热是指夏季将高温水或工厂余热水，经净化后用井灌入含水层里储存，到冬季抽取使用，即“夏灌冬用”。

由于地下水水温随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。

近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。

潜水含水层处于近地表处，其水温受外界气候等因素的影响较大，是变温带，且易受污染。

而承压含水层由于一般处于地下深处，其水温几乎不受外界因素的影响，是一恒温带。

所以说，只有处于一定深度的承压含水层才能被用于储能。

3. 承压含水层储能3.1 承压含水层储能的实施方案承压的含水层储能系统包括单井式和双井式储能系统。

多井系统由于投资太大，经济效益不高，所以很少采用。

单井内冷、热流体在同一含水层被隔开，以避免两者相混合，并可限制自然对流热损失。

虽然利用单井也可相对减少管路布置，节省费用。

但是由于冷、热水处于同一井内，冷热相混造成的热量损失是不可避免的。

而且，由于在同一口井内同时储存热水和冷水，所以冷量和热量都不可能储存得很多，也就是说单井储能系统较适用于规模较小的工程，而不太适用于季节性储能，而且随着国家水资源政策的调整，和存在回灌困难等技术原因，采用单井开式系统现已难以持久, 此项技术也因此从1990年开始在国内衰落。

由相关资料来看，全封闭的含水层储能技术在国外，特别是荷兰，得到了飞速的发展。

现在国外普遍采用双井储能。

承压含水层储热（冷）系统由冷井、热井、井间管道与换热器组成。

为避免冷热“短路”的相互影响，交替作为取水井和回灌井的冷井与热井，间距至少为15mm~20mm。

含水层储存的是低品位的冷与热，大多数储热（冷）系统回灌水的温度，冬季为6℃~9℃，夏季为15℃~25℃。

在夏季，冷井作为取水井，把冬季储存的“冷量”抽出，向用户供冷。

井水温度7℃~10℃，经换热器吸热（例如空调冷水系统）升温后，再利用户外热空气中的热量、太阳辐射热等加热或者结合热泵装置充分利用低品位废热来加热，加热后的井水依靠泵经过滤器等回灌至热水井中。

随着不断向用户供冷，冷井的“冷量”不断减少，同时热井不断储热。

在冬季，当用户需要供暖时，井水流向改变：从热井中抽取热水经换热器放热，提供建筑供暖和生活用热水所需的热量，降温后的水借助泵经过滤器等回灌到冷水井。

这时，冷井中储存的“冷量”不断增加。

这样，就实现热和冷的补充和释放。

3.2 承压含水层储能的基本条件3.2.1 水文地质条件储能含水层必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件，才能达到储能的目的。

因此，适合储能的含水层的水文地质条件，应符合以下几点：（1）含水层要具备一定的渗透性，但地下水流要缓慢，含水层厚度要大，贮水容积要大；（2）含水层中地下水热交换速度缓慢，无异常的地温梯度现象；（3）含水层的上下隔水层要有良好的隔水性，形成良好的保温层；（4）对地下水的水质影响，储能后应向好的方向发展；（5）含水层储能后，不能引起其他不良的水文地质和工程地质现象，如地面沉降、土地的沉陷或土壤盐碱化等。

3.2.2 回灌水水质条件含水层储能的回灌水源不但要有足够的水量，而且要充分注意水质。

回灌工作必须和保护地下水资源密切结合。

当回灌水水质不符合标准时，一定要加以妥善处理。

确定回灌水源的水质标准时，必须比原地下水的水质略好些，最好达到饮用水标准。

回灌不应引起区域性地下水的水质变坏和污染，也不应含有使井管和滤水管腐蚀的特殊离子或气体。

可以抽汲同一层水（同层储能），也可以利用别的含水层（异层储能）。

建议尽量采用封闭的换热系统，地下含水层中的水自成一路换热水路系统，与外界只有冷热量的交换，而没有物质的交换。

4. 含水层储能技术的优点（1）能效高由于此系统可以利用地下水进行储热和储冷，供热时将冷却水储于地下，制冷时替代冷却系统逆向循环，可实现能源的循环利用，消耗很少的电能。

系统制冷系数略高于压缩式水冷机组，一般可达4.5以上。

制热系数达5.0以上。

（2）环保性能好使用含水层储能系统在生态环境保护方面具有很大的意义。

利用含水层储能可有效节约能源，减少SOx、NOx等有害气体以及CO2等温室效应气体排放，是供热和制冷新技术。

由于能耗减少，矿物燃料燃烧产生的有害气体包括温室气体的数量减少；因不用制冷机或减小制冷机容量，可以减少破坏臭氧层的氯氟烃（CFC）和含氢氯氟烃类（HCFC）的使用量。

（3）一机多用既可冬季供热又可夏季供冷，也和供应生活热水，夏季供冷还可省去冷却系统。

（4）与蒸汽溴化锂、电冷空调配燃油锅炉。

溴化锂直燃式空调等方式比较，其投资少。

运行费低。

（5）技术成熟，自动化控制水平高，运行和维护简单。

5. 含水层储能技术的关键问题地下含水层储能技术能否得到实施、运行、推广的关键，在于能否成功的解决储能流体及热前沿的形状和位置、储能位置和含水层的选择、储能过程与环境的作用、储能系统的安全性、可靠性和经济性等含水层储能技术关键问题。

5.1 储能流体及热前沿的形状和位置由于含水层多孔介质的不均匀，在热前沿会发生分枝现象或额外热扩散，这会显著降低能量回收，因此需要进行理论和实验研究来估计其影响。

用化学试剂可以跟踪流体动力的前沿，可以估计这一前沿在热前沿之先到达观测点。

这样合理的监视可以获得在储热泡到达观测井之前获得其想关情况。

热前沿的跟踪可以通过观测井中温度的量测或表面地球物理学来完成。

由于大部分热损失是通过冷热交界面发生的，所以有关热前沿的形状及位置对实现ATES是至关重要的。

此外，含水层中水的常年自然流动会将储能水泡从储能地点冲刷移走。

可以用补偿井来抵消这种流动的影响。

5.2 储能位置和含水层的选择寻找储能位置应考虑地质构造和地下水的自然流动。

含水层的选择是对一定的储能率的最佳渗透率来进行的。

这样的准则有助于增加能量回收，并使ATES 系统在经济上可行。

一般，选择的含水层要具备下列条件：低的地下水自然流速，这样灌入的冷量（热量）不至于被冲走；含水层渗透系数和厚度越大越好，保证地下水的回灌量和开采量；小的隔水层渗透系数，以避免与邻近含水层短路，造成能量流失。

在选择储存地点时，应充分考虑当地的气候条件及地质状况。

全年雨量较高而平均气温又偏低的地区，热损失较大。

选择的含水层如果流量慢而垂直渗透率高，较轻的热水的浮升对流将会相当显著，导致热损失大而能量回收率小。

应尽量避免周围已有其它用途的抽水井在工作。

在设计冷、热双井储能系统时，井距不宜过近。

此外，地下水离地表面的距离过近也会影响到热回收。

5.3 储能过程与环境的作用地垢及生物滋长会造成地面以上热交换器效率的下降以及地下井的堵塞，应采取积极的应对措施。

另外，应对每一储能回收循环剩余在含水层中的冷、热恰当地加以记载。

必须检验散失到周围去的冷、热量以保证对周围环境的影响最小，避免对环境造成热污染。

造成注水井堵塞，可能是物理、化学或生物某一方面的原因，也可能是它们共同作用的结果。

另外，当注水井又兼作抽水井时，反复的抽、注可能引起井壁周围的含水层颗粒介质的重组，这种堵塞一旦形成，很难处理。

所以，注水井用作抽水井的频率不易太高。

5.4 储能系统的安全性、可靠性和经济性ATES 系统主要用于商业、办公等大楼，在周围建筑物林立的地区，系统首先要考虑其安全性。

在开挖较大的地坑时，要特别注意对周围建筑地基的影响。

另外，由于含水层是世界上重要的饮用水资源，还要考虑运行ＡＴＥＳ系统可能引起的水质改变和对人类健康的影响。