地下含水层储能技术的现状与探讨

地下含水层储能技术的现状与探讨

摘要：近年来，随着新能源技术的发展，在实际工程中，冷热源及空调系统方案的设置也越来越受到重视。因此，暖通工程设计人员也需要了解更多、更全面的能源利用方案，并结合工程实际情况，制定合理的设计方案。通过学习，并结合工程实例，笔者在本文中论述了含水层储能的基本原理和分类，提出了含水层储能技术的关键问题，在此基础上展望了含水层储能的未来，希望能为后续进行含水层储能应用研究及相关的地下水源热泵研究提供参考。

关键词：地下含水层含水层储能关键问题

1 前言

含水层储能（Aquifer Thermal Energy Storage, ATES）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。

利用地下含水层的储能系统目前常见的有地坑式、井式和垂直插管式储能系统[1][2][3]。

（1）对于地坑式，目前有部分绝热的和完全绝热的蓄能系统。工程上通常往地坑里填充砾石、沙/水等混合物作为蓄能媒体，来模拟自然含水层，在砾石和沙为主要成分的地区，这种方式值得考虑。在储水装置内部填充了砂石和水。由于人工的储能装置其容积会很大，造价高，技术也复杂，所以直接使用地下含水层与地下水作为长时间储热（冷）的手段和热媒的井式储能系统就有不可比拟的优点。

（2）井式的储能系统，包括单井式（mono-well）和双井式（double-well）储能系统。多井系统由于相对的开销太大，经济效益不高，所以很少采用。

①单井式系统比较适合于规模较小的工程，见图1-1。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。

②双井式储能系统即冷井与热井相对应的系统，见图1-2。夏季抽取冷井水用于建筑空调，用过的水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。冬季抽取热井水提高建筑供暖和生活用热水所需的热量，经降温后的水，借泵，经过滤器等回灌至冷井。

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，单井储能系统只适用于规模较小的工程，而不太适用于季节性储能。随着国家水资源政策的调整，以及回灌困难等技术原因，单井储能技术的应用日渐衰落。由相关资料来看，现在国外普遍采用双井储能。

（3）垂直插管式，即VHE（vertical heat exchanger）垂直插管子于地下含水层一定深度，管内可走盐水、丙二醇等水溶液，管外含水层以上部分与土壤的空隙则可用沙浆之类的物质填上[4]。这种方式比较节省费用，但输出功率较小。

2 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。

2.1 回灌时的注水井堵塞问题

造成注水井堵塞，可能是物理、化学或生物的原因，有时是它们共同作用的结果。分析已有的实际实验，可以把注水井堵塞的原因和主要的处理措施归纳为下面的几种情况[5][6]。

1）结垢：采用酸洗井方法解决。

2）气泡阻塞：解决办法一是采用真空回灌，二是定期回扬将井周围地层中的气体排出。

3）悬浮物堵塞：解决方法一是通过预处理控制注水井中悬浮物的含量，二是定时回扬。

4）微生物的生长：解决方法主要通过去除水中的有机质或者进行预消毒杀

死微生物的手段来实现。

5）粘粒膨胀和扩散：可以通过注入CaCl2等盐来解决。

6）含水层细颗粒重组：解决方法是对注水井进行回扬的频率不宜太高。

2.2 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[7]，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相关情况。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。

2.3 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（小于50m年），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。

2.4 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。