地下儲能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉洋 王榮巖 孫振 楊靜

天津市節(jié)約用水事務(wù)管理中心 天津300071

1.地下儲能系統(tǒng)現(xiàn)狀及研究意義

為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，降低運(yùn)行費(fèi)用，采用地下水儲能技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑物的中央空調(diào)。該項(xiàng)技術(shù)涉及到地下水開采與回灌。

為促進(jìn)水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)利用，保障建設(shè)項(xiàng)目的合理用水要求，根據(jù)《取水許可制度實(shí)施辦法》和《水利產(chǎn)業(yè)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(kuò)建的建設(shè)項(xiàng)目利用水資源，必須遵循合理開發(fā)、節(jié)約使用、有效保護(hù)的原則；符合江河流域或區(qū)域的綜合規(guī)劃及水資源保護(hù)規(guī)劃等專項(xiàng)規(guī)劃，按照《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證管理辦法》規(guī)定進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目水資源論證。地下儲能技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

利用地下水進(jìn)行地下儲能的技術(shù)最早出現(xiàn)在中國，上世紀(jì)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(chǎn)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(guī)模也較大。由于成井技術(shù)及回灌技術(shù)存在一定問題，回灌井出現(xiàn)物理堵塞、化學(xué)沉淀堵塞、生物化學(xué)堵塞，導(dǎo)致回灌規(guī)模難于擴(kuò)大。

在國外，地埋管式地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展較早，在二十世紀(jì)上半葉則已成熟，但規(guī)模不大。利用地下水儲能技術(shù)則是在上世紀(jì)八十年代末期開始。此項(xiàng)技術(shù)處于領(lǐng)先地位的是荷蘭I F技術(shù)股份有限公司,該公司從事地下水儲能技術(shù)研究和開發(fā)多年，在吸取中國地下水回灌技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對我們難于解決的前述幾方面的問題進(jìn)行研究，逐步得以解決，創(chuàng)造出荷蘭式地下儲能技術(shù)。上世紀(jì)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(xiàng)，均為較大型的儲能工程。該項(xiàng)技術(shù)是最早采用對井，互為灌采井，對成井技術(shù)、回灌技術(shù)進(jìn)行研究和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)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(lián)合使用實(shí)現(xiàn)建筑物冷暖空調(diào)。

近幾年來，在受荷蘭地下儲能技術(shù)的影響，天津市進(jìn)行多項(xiàng)地下儲能工程試驗(yàn)和建設(shè)，取得了一定進(jìn)展。但就目前我們的技術(shù)水平來講，與荷蘭地下儲能技術(shù)尚存在一定的差距。在灌采井施工機(jī)械、施工工藝、設(shè)備選材和回灌技術(shù)等方面均需改進(jìn)和提高，目前仍處于探索階段。

2.地下儲能技術(shù)原理

地下儲能技術(shù)是把大氣的冷熱能源以地下水為介質(zhì)，儲存在含水層中，供使用期間提取。它與風(fēng)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(chǎn)生環(huán)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(shù)釋放的熱能，為建筑物供熱，經(jīng)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(jīng)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(shí)現(xiàn)，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(yuǎn)的對應(yīng)井群，注水井群只用來注水，抽水井群只用來抽。不同季節(jié)注入水量溫度平均值等于地下水溫度，經(jīng)過一定距離流動，水溫接近常溫，可供空調(diào)系統(tǒng)用水。受水文地質(zhì)條件的限制，目前多數(shù)采用前者。

這種裝置可取代制冷機(jī)組，比常規(guī)的水循環(huán)制冷效果好，其節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保效果好。

目前國內(nèi)俗稱的“水源熱泵系統(tǒng)”，與地下水儲能系統(tǒng)尚存在一定區(qū)別。

2.1 地下儲能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）能效高：由于本系統(tǒng)可以利用地下水進(jìn)行儲熱和儲冷，系統(tǒng)制冷系數(shù)略高于壓縮式水冷機(jī)組，一般可達(dá)4.5以上，制熱系數(shù)達(dá)5.0以上。

（2）環(huán)保性能好：由于以電為動力源，無任何排放物，環(huán)保性能優(yōu)越。

（3）一機(jī)多用：即可冬季供熱又可夏季供冷，也可供應(yīng)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(yùn)行費(fèi)用較低：與電冷空調(diào)配燃油鍋爐、溴化鋰空調(diào)配燃油鍋爐及溴化鋰直燃式空調(diào)等方式比較，其投資持平，但運(yùn)行費(fèi)用僅為其他方式的一半或三分之一。

（5）技術(shù)成熟，自動化控制水平高，運(yùn)行和維護(hù)簡單。

2.2 地下水儲能系統(tǒng)與普通水源熱泵系統(tǒng)的差異

地下水儲能系統(tǒng)通過地下水作為介質(zhì)采集和儲存能源，重視能源的儲存和地下水資源保護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，保持地下水采補(bǔ)平衡，對環(huán)境不產(chǎn)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(shù)和成井質(zhì)量。地下水不受氣溫變化的影響，溫度比較穩(wěn)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(jié)利用，大幅度提高系統(tǒng)供暖和制冷效果，從而達(dá)到節(jié)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(nèi)不少地區(qū)利用地下水作為水源的熱泵系統(tǒng)，只采不灌，不重視成井技術(shù)和成井質(zhì)量，不重視能源的儲存，更不重視水資源和環(huán)境的保護(hù)。這在水資源嚴(yán)重缺乏的我國，是不允許的。為此，不少地區(qū)水資源管理部門嚴(yán)格限制這種形式水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展。天津市因水文地質(zhì)條件較差，地下水超采易引起環(huán)境地質(zhì)問題，采用地下水作為介質(zhì)的水源熱泵系統(tǒng)，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(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益比較

“管井灌采地下水應(yīng)用于冷暖空調(diào)的試驗(yàn)研究”曾對目前采用的幾種冷暖空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析對比，其結(jié)果如下：

固定設(shè)備投資：

地下儲能系統(tǒng)每萬m2投資為195萬元。與其他空調(diào)設(shè)備比較如表2-1：

（比較條件：建筑面積1萬m2，室內(nèi)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(shè)備每萬m2平均初投資227.3萬元,而使用地下儲能可節(jié)省初投資32.3萬元,節(jié)約14%。

運(yùn)行費(fèi)用比較：

冬夏兩季與其他空調(diào)設(shè)備相比較，條件是電價按0.6元/度，燃油3.8元/L，人工費(fèi)26.7元/d·人,管井灌采平衡。冬季運(yùn)行11小時，夏季運(yùn)行11小時。

運(yùn)行費(fèi)對比表（單位：萬元）見表2-2。

從上表分析,三種空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)平均為45.6萬元,而使地下儲能僅19.22萬元。是其他平均運(yùn)行費(fèi)的42%。即每年平均節(jié)約運(yùn)行費(fèi)26.4萬元，8年以內(nèi)即可收回投資。

從以上對比可以看出，地下儲能空調(diào)系統(tǒng)投資小，運(yùn)行費(fèi)用低。他的前期投資比其他類型空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省20%左右的費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用連其他空調(diào)的一半都達(dá)不到。另外，使用地下儲能占地面積也只有一般中央空調(diào)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(zhì)預(yù)測與分析

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

儲能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，回灌是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而地下水水質(zhì)至關(guān)重要，地下水的化學(xué)成分、氣體含量以及細(xì)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(xué)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(xué)堵塞、生物（細(xì)菌）堵塞等。儲能系統(tǒng)中水封閉運(yùn)行，與外界空氣不接觸，只要系統(tǒng)封閉性好，氣體、細(xì)菌可避免混入。成井質(zhì)量好可避免涌砂堵塞。但地下水中固有的化學(xué)成分將決定是否形成堵塞，因?yàn)榈叵滤型卸喾N可溶性鹽類，但是它們并不都很穩(wěn)定，當(dāng)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(chǎn)生不同鹽類的沉淀。

在管井回灌過程中比較常見的是鐵質(zhì)、鈣質(zhì)的沉淀。當(dāng)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(wǎng)眼或砂層孔隙里，產(chǎn)生化學(xué)沉淀堵塞。當(dāng)?shù)叵滤泻写罅库}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(wěn)定的物質(zhì)，當(dāng)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)上海市水文地質(zhì)大隊(duì)多年回灌實(shí)踐總結(jié)出的“回灌水化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)”（以下簡稱“指標(biāo)”）進(jìn)行分析，該“指標(biāo)”認(rèn)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(zhì)基本符合回灌水質(zhì)要求。

4.回灌技術(shù)方法

4.1 回灌方法

回灌方法分為負(fù)壓回灌與壓力回灌,因該項(xiàng)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(fù)壓回灌。負(fù)壓回灌方式較之加壓回灌具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。密封是回灌的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無論是負(fù)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(lián)接部位均需密封。

負(fù)壓回灌是指在泵管內(nèi)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?yàn)椋?/p>

初始回灌量和壓力應(yīng)由小到大逐步調(diào)節(jié)，以使含水層逐漸適應(yīng)，一定時間內(nèi)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?fù)P

由于回灌水中懸浮物及化學(xué)沉淀物等可導(dǎo)致井堵塞，需定期清除，多年來我國技術(shù)界認(rèn)為較為有效的方法為回?fù)P。荷蘭I F公司的儲能技術(shù)在改進(jìn)鉆進(jìn)技術(shù)、成井工藝、選材及回灌方法等方面取得了進(jìn)步，因而從根本上解決了地下水回灌的堵塞問題，其系統(tǒng)無需經(jīng)常回?fù)P，一般說來，每年僅需回?fù)P幾次。

國內(nèi)地下水回灌由于存在諸多需要改進(jìn)的方面，目前仍需頻繁回?fù)P，根據(jù)上海市浦東新區(qū)人工回灌經(jīng)驗(yàn),回?fù)P頻率為回灌24小時,回?fù)P一小時，以水清砂凈為止。實(shí)際回?fù)P水量為回灌量的4.2%。

為節(jié)約用水，保護(hù)水資源，系統(tǒng)中應(yīng)安裝精濾裝置，回?fù)P水可經(jīng)精濾裝置過濾后重新回灌使用，但需注意封閉運(yùn)行，以防氣體混入。

隨著鉆井技術(shù)、成井技術(shù)的提高和采灌方法的改進(jìn)，頻繁回?fù)P的現(xiàn)象可以克服。近年來我市發(fā)展的儲能項(xiàng)目中，有的實(shí)際運(yùn)行已經(jīng)做到了采補(bǔ)平衡，如：天津市農(nóng)墾集團(tuán)公司辦公大樓、天津市技術(shù)監(jiān)督局質(zhì)檢所、天津市三達(dá)鑄造有限公司綜合辦公樓等

5.結(jié)論

2006年8月6日國務(wù)院頒布的《關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》明確指出“優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)。大力發(fā)展高效清潔能源。大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⑺艿瓤稍偕茉春吞娲茉础！辈⑻岢霾扇《喾N措施，建立健全節(jié)能保障機(jī)制，大力推進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步。目前天津市在各種大型建筑項(xiàng)目中，凡是有條件的都倡導(dǎo)優(yōu)先利用地下儲能技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)必將會得到健康、快速的發(fā)展。

[1]季學(xué)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(shè)項(xiàng)目水資源論證培訓(xùn)教材.中國水利水電出版社,2005-7-1:

[3]建設(shè)項(xiàng)目水資源論證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)地下水通報2006年第三期（總第19期）