含水層儲能技術研究

姜鑫

（沈陽工程學院能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

近年來，隨著經濟建設的快速發展，能源短缺問題日益加劇。解決途徑主要有兩個，一是減少能源浪費，提高能源利用率；二是大力發展可再生能源。可再生能源以其安全、環保、循環可再生的特點得到了大力開發，但太陽能、風能等可再生能源無法保障穩定持續供應，儲能成為推動化石能源向可再生能源轉型的關鍵技術。含水層儲能技術具有容量大、成本低、并且能夠利用自然余熱和廢熱的優點，成為解決能源短缺及環境問題的一種新途徑[1]。

本文介紹了含水層儲能的原理，總結出當前制約該技術發展存在的問題及應對措施并提出建議和展望。

1 含水層儲能技術原理

含水層是能夠透過一定量地下水的巖層，可以儲存水并為水的流動提供載體，由于水流速度慢，溫度變化小，容量大，適合作為儲能介質。含水層儲能技術是利用地下含水層的特殊結構，將夏季的熱量和冬季的冷量以水作為介質儲存于其中，需要時取出的一種儲能技術。在供暖季，將上一供冷季儲存于地下的熱量提取出來，用于建筑供暖或提供工業所需熱水，同時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”的反季節儲能方式合理地利用了散失于環境中的熱量及含水層天然的儲能特性。回灌水的溫度夏季大多為5℃～-15℃，冬季為6℃- 9℃。

圖1 含水層儲能原理圖

2 含水層儲能的應用

含水層儲能技術能夠將環境中或者廢棄的熱量和冷量儲存于地下，在需要的時候取出，充分地利用了含水層這一天然蓄熱體。該技術在我國應用于建筑、化工、制藥、食品加工、發電廠、精密儀表廠和紡織等領域，利用儲存的冷量作為冷源或者直接提供冷卻水，熱量作為熱源進行供暖或提供熱水[3]，如表1所示。

表1 我國含水層儲能應用

在淺層（地下200米以內）地熱供暖/制冷中，含水層儲能較多與水源熱泵相結合形成地下水源熱泵系統，進行季節性儲能。以含水層作為穩定可靠的儲能載體，結合熱泵的高效能，既能制冷也能供暖，該技術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，出現了越來越多的含水層儲能項目。

截至2017年，全世界已建成2800多處淺層含水層儲能系統，我國有6處投運使用。2009年開始，中石化綠源地熱能開發有限責任公司開始建設雄縣地熱供暖項目，所采用的是第二代技術，實現了近100%回灌[4]。豐電陽光將含水層儲能技術和物聯網技術結合起來，在系統設計、成井工藝和材料、過濾裝置和控制系統方面采用了先進的技術。建設的上海崇明島國家設施農業工程技術中心和開米萬盛國際辦公樓項目分別在2013年和2015年投入運營，在節能性和經濟性方面取得了較好的效果。部分項目采用能源梯級利用的方式對進入熱泵系統的地下水的熱量進行反復利用，提高了能源的利用率，減少了能源的浪費。天津華馨公寓供暖項目應用兩級換熱一級提熱的梯級利用技術，提取出的90℃熱水先經過鈦板換熱器換熱供給管網，排出的50℃熱水進入二級換熱器提供給地面輻射式采暖系統，然后再通過熱泵提取25℃熱水熱量，最后回灌至地下[5]。

3 含水層儲能技術面臨的問題及應對措施

含水層儲能系統的實際運行效果與水文地質條件密不可分。由于不同地區水文地質條件的復雜性，加之系統材料、工藝、設計及運行方式等的不合理等，在運行過程中會出現地下水系統堵塞造成的回灌困難，地面沉降以及地下生態環境污染等問題。回灌問題是含水層儲能的技術瓶頸[6]，不同的水文地質條件直接影響到回灌難度，一般情況下很難實現100%回灌進而導致不能有效回灌的水直接排放到河道或農田，造成周邊環境污染和浪費；地面沉降進而引起海水倒灌、河床升高；系統運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、滲透性以及回灌時帶入的空氣和污染物有關，由于物理沉積物附著在濾網上，提高了注水壓力，對周邊土壤結構造成破壞，主要采取的措施是回揚。化學堵塞是地下水中的離子與空氣接觸產生沉淀及管井受到電化學腐蝕堵塞濾網，一般通過回揚及對水進行化學處理。生化堵塞是由于微生物腐蝕引起，水在回灌的過程中將細菌、病毒等帶到地下，對地下環境造成污染，采用回揚及對水進行殺菌緩解。回揚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，在運行過程中使用頻率較高，不僅增加了維護費用，對管井的損害也較大，縮短系統的壽命。

此外，地下水回灌造成一定的地下生態環境污染問題。若回灌水水質不達標，帶回的微生物會造成地下水污染，不僅對地下生物造成影響，當再次利用地下水時也會危害人的健康。若回灌水溫度過高或過低會改變地下溫度分布，超過其承受的范圍，破壞地下生態平衡。

為了盡量避免上述情況的發生，需做到：在建設系統前進行詳盡的水文地質勘察并開展回灌試驗，保證該地區具備進行含水層儲能的條件；合理設計系統，確保可持續開發利用；設置溫度、壓力、流量儀表及水質監測儀表；在運行過程中保證地熱水在系統中密閉運行，避免外界氣體進入造成地下水氧化堵塞及污染；原水同層回灌，對抽灌量、溫度、水質等參數進行動態監測、分析及評價；定期對系統進行檢測、維修和保養，發現問題及時處理。

4 結語

含水層儲能技術在我國自二十世紀60年代蓬勃興起，因水資源短缺及技術較為落后等原因二十世紀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展，該技術特有的保溫效果、存在的廣泛性、清潔性、穩定性及地下含水層的超大容量使得其作為一項節能環保的技術存在廣闊的發展空間。但目前該技術還有一些不成熟的地方，為了實現可持續發展，還需從以下方面進行研究與改進。

政府及有關部門需制定適合當前時代特征的政策及標準，在大力支持地熱產業發展的同時，嚴格審批相關工程項目，保證地下及周邊環境不遭到破壞、不浪費地下水，保護地下水這一重要戰略資源。建立完善的地下水資源監控及管理系統，對運行中的相關工程進行跟蹤監控，加強監管。積極引進先進技術，加大對相關企業、高校和科研院所研發的扶植力度，形成示范效應，提升行業水平。

在技術上，首先需從根本上解決回灌困難等問題，做好腐蝕與結垢的預防和解決措施。一方面需要做好預防措施，研究出行之有效的水處理方法，另一方面，總結出最佳的回揚反沖周期，在保證除垢的基礎上減少因回揚造成的損耗。其次在建設系統前需相關的模擬計算，量入而出，避免對水文地質條件造成過大的影響。再次，加強對水文地質及系統運行規律的基礎理論研究需優化設計回灌量、布井方式及井群系統，盡量避免“熱突破”的出現，提高系統的儲能效率，提高系統壽命，保障良好的經濟效益。此外，對系統的長期運行情況進行模擬，保證對地下平衡破壞在可控范圍內。最后，需要解決水處理的技術瓶頸[8]，降低對生態環境的污染，實現可持續發展。

在管理上，根據以往系統的運行數據，采用智能控制系統對抽灌水及設備的各項指標進行監測和調節，減少人工調試的誤差及不合理，提高控制精度及管理效率。

在能源利用方面，結合當地的自然條件，因地制宜，與其他能源，如太陽能、生物質能、風能等協同利用，優勢互補。對開采的地下水進行梯級循環利用，提高系統的綜合能源利用效率。結合信息技術，打造智慧能源互聯網，實現最優的區域能源開發。