地下儲能系統的研究與應用

劉洋 王榮巖 孫振 楊靜

天津市節約用水事務管理中心 天津300071

1.地下儲能系統現狀及研究意義

為了節約能源、保護環境，降低運行費用，采用地下水儲能技術實現建筑物的中央空調。該項技術涉及到地下水開采與回灌。

為促進水資源的優化配置和可持續利用，保障建設項目的合理用水要求，根據《取水許可制度實施辦法》和《水利產業政策》，對于直接從江河、湖泊或地下取水并需申請取水許可證的新建、改建、擴建的建設項目利用水資源，必須遵循合理開發、節約使用、有效保護的原則；符合江河流域或區域的綜合規劃及水資源保護規劃等專項規劃，按照《建設項目水資源論證管理辦法》規定進行建設項目水資源論證。地下儲能技術國內外發展狀況

利用地下水進行地下儲能的技術最早出現在中國，上世紀六十年代初，為了緩解地面沉降和解決工廠的儲能問題，北京、上海和天津采用了地下水人工回灌措施。儲能方法大都采用單井回灌方式，每年冬季或夏季，需用冷能或熱能的工廠，用管井回灌的方法，將冷水或熱水灌入含水層儲存起來，在生產需用冷能或熱能時再抽取使用。目前上海市有儲冷井400余眼，冬灌冷水約2000×104m3；儲熱井130余眼，夏灌熱水600×104m3。天津市九十年代中期有回灌井78眼，年回灌量170萬m3，目前回灌量已降低。江蘇省無錫、蘇州、常州一帶地下水回灌規模也較大。由于成井技術及回灌技術存在一定問題，回灌井出現物理堵塞、化學沉淀堵塞、生物化學堵塞，導致回灌規模難于擴大。

在國外，地埋管式地源熱泵系統發展較早，在二十世紀上半葉則已成熟，但規模不大。利用地下水儲能技術則是在上世紀八十年代末期開始。此項技術處于領先地位的是荷蘭I F技術股份有限公司,該公司從事地下水儲能技術研究和開發多年，在吸取中國地下水回灌技術經驗的基礎上，針對我們難于解決的前述幾方面的問題進行研究，逐步得以解決，創造出荷蘭式地下儲能技術。上世紀九十年代在荷蘭、比利時、挪威等國推廣地下儲能工程近二百項，均為較大型的儲能工程。該項技術是最早采用對井，互為灌采井，對成井技術、回灌技術進行研究和改進，實現地下水灌采平衡。利用地下含水層儲能，并與熱泵、熱交換器聯合使用實現建筑物冷暖空調。

近幾年來，在受荷蘭地下儲能技術的影響，天津市進行多項地下儲能工程試驗和建設，取得了一定進展。但就目前我們的技術水平來講，與荷蘭地下儲能技術尚存在一定的差距。在灌采井施工機械、施工工藝、設備選材和回灌技術等方面均需改進和提高，目前仍處于探索階段。

2.地下儲能技術原理

地下儲能技術是把大氣的冷熱能源以地下水為介質，儲存在含水層中，供使用期間提取。它與風能、太陽能一樣，是一種低維修，高能效的利用自然能的方法，是不產生環境污染的“綠色能源”。其工作原理非常簡單，在冬季，水從所謂的“熱井”中抽出，利用熱泵技術釋放的熱能，為建筑物供熱，經過冷卻后的水回灌至所謂“冷井”。在夏季，過程正好相反，從“冷井”中抽出的冷水，經熱交換器（或熱泵）交換，為建筑物或工藝過程供冷，工作完溫度升高的水回灌至“熱井”。這種儲能方式，可通過一對井或幾對井實現，這要視工程所需能量而定。還有一種形式，即分別于相對較遠的對應井群，注水井群只用來注水，抽水井群只用來抽。不同季節注入水量溫度平均值等于地下水溫度，經過一定距離流動，水溫接近常溫，可供空調系統用水。受水文地質條件的限制，目前多數采用前者。

這種裝置可取代制冷機組，比常規的水循環制冷效果好，其節能、節水、環保效果好。

目前國內俗稱的“水源熱泵系統”，與地下水儲能系統尚存在一定區別。

2.1 地下儲能系統的優點

（1）能效高：由于本系統可以利用地下水進行儲熱和儲冷，系統制冷系數略高于壓縮式水冷機組，一般可達4.5以上，制熱系數達5.0以上。

（2）環保性能好：由于以電為動力源，無任何排放物，環保性能優越。

（3）一機多用：即可冬季供熱又可夏季供冷，也可供應生活熱水，夏季供冷還可省去冷卻塔。

（4）投資與其他方法持平，運行費用較低：與電冷空調配燃油鍋爐、溴化鋰空調配燃油鍋爐及溴化鋰直燃式空調等方式比較，其投資持平，但運行費用僅為其他方式的一半或三分之一。

（5）技術成熟，自動化控制水平高，運行和維護簡單。

2.2 地下水儲能系統與普通水源熱泵系統的差異

地下水儲能系統通過地下水作為介質采集和儲存能源，重視能源的儲存和地下水資源保護，系統運行過程中，保持地下水采補平衡，對環境不產生影響。因所使用的井均為灌采兩用井，為此，非常重視成井技術和成井質量。地下水不受氣溫變化的影響，溫度比較穩定，儲能效果顯著。夏季儲存的水溫高于原含水層水溫，冬季儲存的水溫低于原含水層水溫，反季節利用，大幅度提高系統供暖和制冷效果，從而達到節能的目的。而利用地表水的水源熱泵，因地表水受氣溫影響明顯，能源儲存效果較差。同時，受地表水體的限制，使用有一定局限性。目前，國內不少地區利用地下水作為水源的熱泵系統，只采不灌，不重視成井技術和成井質量，不重視能源的儲存，更不重視水資源和環境的保護。這在水資源嚴重缺乏的我國，是不允許的。為此，不少地區水資源管理部門嚴格限制這種形式水源熱泵系統的發展。天津市因水文地質條件較差，地下水超采易引起環境地質問題，采用地下水作為介質的水源熱泵系統，必需采取采灌并舉的方法，使地下水采灌平衡，同時也起到儲能的作用。

2.3 地下儲能系統經濟效益比較

“管井灌采地下水應用于冷暖空調的試驗研究”曾對目前采用的幾種冷暖空調系統的經濟效益進行了分析對比，其結果如下：

固定設備投資：

地下儲能系統每萬m2投資為195萬元。與其他空調設備比較如表2-1：

（比較條件：建筑面積1萬m2，室內溫度冬季保證18-22℃，夏季 24-28℃。）

前期投資（萬元） 表2-1

其他三種設備每萬m2平均初投資227.3萬元,而使用地下儲能可節省初投資32.3萬元,節約14%。

運行費用比較：

冬夏兩季與其他空調設備相比較，條件是電價按0.6元/度，燃油3.8元/L，人工費26.7元/d·人,管井灌采平衡。冬季運行11小時，夏季運行11小時。

運行費對比表（單位：萬元）見表2-2。

從上表分析,三種空調年運行費平均為45.6萬元,而使地下儲能僅19.22萬元。是其他平均運行費的42%。即每年平均節約運行費26.4萬元，8年以內即可收回投資。

從以上對比可以看出，地下儲能空調系統投資小，運行費用低。他的前期投資比其他類型空調系統節省20%左右的費用，運行費用連其他空調的一半都達不到。另外，使用地下儲能占地面積也只有一般中央空調的1/3，對于寸土寸金的城市就顯然是更為合理的選擇。

3.地下水水質預測與分析

采用地下水源熱泵系統的儲能形式，對地下水質的重視原因在于：①地下水的化學成分、氣體含量以及細菌和懸浮物及砂的含量，可能對灌采兩用井產生的腐蝕、堵塞等影響。②地下水質對熱泵、循環系統可能產生的影響等。

儲能系統的正常運行，回灌是關鍵的環節，而地下水水質至關重要，地下水的化學成分、氣體含量以及細菌和懸浮物及砂的含量，明顯影響回灌效果。管井回灌由于地下水化學成分和物理成分往往引起物理堵塞（氣相堵塞、懸浮物堵塞、砂堵）、化學堵塞、生物（細菌）堵塞等。儲能系統中水封閉運行，與外界空氣不接觸，只要系統封閉性好，氣體、細菌可避免混入。成井質量好可避免涌砂堵塞。但地下水中固有的化學成分將決定是否形成堵塞，因為地下水中往往含有多種可溶性鹽類，但是它們并不都很穩定，當水中P H值變化，或者溶解氧、二氧化碳、氧離子、硫酸根離子、硫化氫等的含量變化時，以及水的溫度和壓力變化是都產生不同鹽類的沉淀。

在管井回灌過程中比較常見的是鐵質、鈣質的沉淀。當回灌水中含有較多的溶解氧時，或回灌水混入空氣，空氣中的氧溶解于地下水中，這時氧與水中二價鐵作用最終生成不溶于水的氫氧化鐵，沉淀在過濾器的網眼或砂層孔隙里，產生化學沉淀堵塞。當地下水中含有大量鈣離子和重碳酸離子時，則以碳酸鈣沉淀為主。重碳酸鈣是一種溶解于水，但又非常不穩定的物質，當壓力、溫度變化時就不溶解于水而沉淀下來，同樣造成過濾器和含水砂層的堵塞。

我國尚未頒布地下水回灌水質標準，依據上海市水文地質大隊多年回灌實踐總結出的“回灌水化學性質指標”（以下簡稱“指標”）進行分析，該“指標”認為，P H值以6.5-7.5為宜、氯離子含量不能超過250m g/L、溶解氧不超過7m g/L、鐵含量不宜超過0.5m g/L,最好在0.3m g/L以下。錳含量不宜超過0.1m g/L。所取層位地下水水質基本符合回灌水質要求。

4.回灌技術方法

4.1 回灌方法

回灌方法分為負壓回灌與壓力回灌,因該項目井組選擇第Ⅳ含水組，該含水組水位埋深較深，適于選擇負壓回灌。負壓回灌方式較之加壓回灌具有節能的優點。密封是回灌的關鍵環節，無論是負壓回灌還是加壓回灌，均需做好密封。泵管接頭、井口法蘭、閘閥、井管道上安裝的壓力表、溫度計、電纜等聯接部位均需密封。

負壓回灌是指在泵管內形成-0.1Mpa壓力的條件下,由泵管將回灌水灌入井下含水層的一種方法,其操作程序為：

初始回灌量和壓力應由小到大逐步調節，以使含水層逐漸適應，一定時間內逐漸加大回灌量，增加到一定程度后，灌量不再增加，

此時的回灌量為最大回灌量。如一開始即用大灌量，會造成井下濾層的破壞。

4.2 回揚

由于回灌水中懸浮物及化學沉淀物等可導致井堵塞，需定期清除，多年來我國技術界認為較為有效的方法為回揚。荷蘭I F公司的儲能技術在改進鉆進技術、成井工藝、選材及回灌方法等方面取得了進步，因而從根本上解決了地下水回灌的堵塞問題，其系統無需經常回揚，一般說來，每年僅需回揚幾次。

國內地下水回灌由于存在諸多需要改進的方面，目前仍需頻繁回揚，根據上海市浦東新區人工回灌經驗,回揚頻率為回灌24小時,回揚一小時，以水清砂凈為止。實際回揚水量為回灌量的4.2%。

為節約用水，保護水資源，系統中應安裝精濾裝置，回揚水可經精濾裝置過濾后重新回灌使用，但需注意封閉運行，以防氣體混入。

隨著鉆井技術、成井技術的提高和采灌方法的改進，頻繁回揚的現象可以克服。近年來我市發展的儲能項目中，有的實際運行已經做到了采補平衡，如：天津市農墾集團公司辦公大樓、天津市技術監督局質檢所、天津市三達鑄造有限公司綜合辦公樓等

5.結論

2006年8月6日國務院頒布的《關于加強節能工作的決定》明確指出“優化用能結構。大力發展高效清潔能源。大力發展風能、太陽能、生物質能、地熱能、水能等可再生能源和替代能源。”并提出采取多種措施，建立健全節能保障機制，大力推進節能技術進步。目前天津市在各種大型建筑項目中，凡是有條件的都倡導優先利用地下儲能技術，該項技術必將會得到健康、快速的發展。

[1]季學武.水文分析計算與水資源評價.水利水電出版社,2008-6-1:

[2]建設項目水資源論證培訓教材.中國水利水電出版社,2005-7-1:

[3]建設項目水資源論證技術標準匯編.水利部水資源管理司水利部水資源管理中心,2006-3:

[4]中國北方平原區地下水通報2006年第三期（總第19期）