劉 錚 ，歐陽鑫南，陳永安

(1.中國能源建設(shè)集團有限公司工程研究院，北京 100022；2.中能建地?zé)嵊邢薰?，北?100022)

0 引言

我國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，但在供熱需求方面依然存在著明顯的季節(jié)缺陷，夏季資源未能得到充分開發(fā)，而冬季往往不能完全滿足用戶的熱能需求[1]。季節(jié)性儲能可以將熱量由夏季或過渡季向冬季轉(zhuǎn)移，克服了短期儲熱技術(shù)不穩(wěn)定和利用率低的缺點，擴大了可再生能源利用的深度與廣度。

以地球淺表層土壤和中深層土壤巖石等為主要載體的地下儲能系統(tǒng)，具有分布廣、成本低、占地少、儲熱周期長等優(yōu)點，能夠有效解決可再生能源供熱系統(tǒng)的跨季節(jié)不匹配性問題，從而大幅提升熱利用穩(wěn)定性。因此通過對地下儲能技術(shù)進行合理的研究和開發(fā)，能進一步改善我國能源結(jié)構(gòu)、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，有利于國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 地下儲能技術(shù)類型

當(dāng)前國際儲能節(jié)能技術(shù)主要集中在地下儲能、冰儲能、水儲能、相變材料儲能、熔鹽儲熱等新型儲能等方面。地下儲能技術(shù)又可分為含水層儲能、巖土儲能和洞穴(巖洞)儲能。

1.1 含水層儲能

地下含水層儲能技術(shù)主要分為含水層儲能技術(shù)和高溫含水層儲熱技術(shù)。

含水層儲能是以循環(huán)水為介質(zhì)，以含水層為載體，利用地質(zhì)熱慣性開發(fā)的儲能技術(shù)，圖1 為系統(tǒng)示意圖。含水層的溫度是相對恒定的，冬暖夏涼。以長江中下游地區(qū)為例，含水層溫度約18 ℃。夏季，制冷產(chǎn)生的熱水回到熱庫，熱庫的水溫要比地下含水層自然溫度高5 ～8 ℃，儲存了5 ～8 ℃的熱能；冬季，制熱產(chǎn)生的冷水回到冷庫，冷庫的水溫要比地下水自然溫度低5 ～8 ℃左右，儲存了5 ～8 ℃的冷能。周而復(fù)始，實現(xiàn)季節(jié)性儲能。

圖1 含水層儲能系統(tǒng)示意圖

高溫含水層儲熱技術(shù)是一種利用深度超過500 m 的深層含水層作為儲能介質(zhì)的儲能技術(shù)，儲熱對象通常為50 ～150 ℃的熱水[2]，圖2 為系統(tǒng)示意圖?，F(xiàn)有的含水層儲能應(yīng)用主要是低溫儲能，即地下水的溫度在25 ℃以下，這也是歐盟國家對淺層地下水能源系統(tǒng)的限定，因此目前的研究熱點是高溫含水層儲熱，即當(dāng)?shù)叵滤毓鄿囟韧黄?5 ℃[3]限制需要克服的政策問題、腐蝕和結(jié)垢問題、水處理技術(shù)問題等瓶頸[4]。

圖2 高溫含水層儲熱示意圖

1.2 巖土儲能

地下巖土體儲能技術(shù)主要分為巖土儲能技術(shù)和高溫巖土儲能技術(shù)。

巖土儲能是利用地下土壤、巖石和水的熱容量進行儲能的封閉式循環(huán)系統(tǒng)。結(jié)合地質(zhì)情況采用冷熱分區(qū)布置，以智能化控制手段解決國內(nèi)地埋管技術(shù)占地面積大、供冷能效低、能效衰減等問題。例如在夏季供冷時，地埋管的循環(huán)水與冷區(qū)巖土進行熱交換后，向地面系統(tǒng)供冷，變熱后循環(huán)水注入到熱區(qū)，將熱量儲存在熱區(qū)的巖土中，以備冬季供暖反向循環(huán)。

高溫巖土儲能是在非采暖季節(jié)將太陽能光熱、工業(yè)余熱、電廠或低溫供熱堆供暖系統(tǒng)夏季無處消納的熱量儲存到巖土儲能系統(tǒng)中，儲存形式是高溫?zé)崴驹賹⑦@部分儲存的熱量提取出來用于直接供暖或熱泵提升供暖，其與巖土儲能的區(qū)別主要是“單向儲熱”和“地下較高儲熱溫度”2 個方面。

1.3 洞穴(巖洞)儲能

洞穴(巖洞)儲能通過對流傳熱形式將熱能儲存在地下巖洞中，當(dāng)向巖洞充熱時，熱量將通過熱交換器，將熱水注入到巖洞的頂部，而底部的冷水被抽出。垂直的冷熱分層將維持巖洞內(nèi)儲能系統(tǒng)的溫差，高溫區(qū)在上部，低溫區(qū)在下部。當(dāng)儲能系統(tǒng)釋放熱量時，流動方向相反。從巖洞頂部抽取的熱水通過熱交換器供熱，供熱后的冷水仍循環(huán)到巖洞的底部。

巖洞儲能機理與常見的水儲能一致，具有很高的儲能效率，這種儲能系統(tǒng)的優(yōu)點是循環(huán)水量大，同時適用于短期和季節(jié)性儲能，局限在于很難找到這種天然地下巖洞，而人工開發(fā)巖洞造價較高。

2 地下儲能容量規(guī)模

2.1 地?zé)豳Y源總量和地?zé)醿α恐g的關(guān)系

在評估地下儲能容量之前，首先需明晰在傳統(tǒng)地?zé)嵝袠I(yè)中，地?zé)豳Y源總量和地?zé)醿α?也稱“熱儲存量”)之間的關(guān)系[5]。

地?zé)豳Y源總量是指地下可以被開采和利用的熱能的總量，主要指由于地球內(nèi)熱與熱傳遞產(chǎn)生所有熱量的資源評估，即：

式中：QR為地?zé)崮軆Υ婵偭浚琸J；ρ為儲層的圍巖密度，g/cm3；C為儲層圍巖的比熱容，J/(g·K)；V為儲層體積，m3；tR、tO為儲層的溫度和最終狀態(tài)的溫度，℃。

地?zé)醿α渴侵缚蓪崿F(xiàn)經(jīng)濟效益并能夠在耗費很少的額外勘探成本下，實現(xiàn)并網(wǎng)利用的資源量[6]。

儲量和地?zé)豳Y源總量的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 儲量與地?zé)豳Y源總量的關(guān)系

地?zé)豳Y源總量的評估是在目前認(rèn)知范圍內(nèi)、滿足技術(shù)經(jīng)濟要求下，對于可被開發(fā)利用的儲量作出的比較寬泛的容量估算，而地?zé)醿α渴且环N可利用的容量估算。地?zé)豳Y源的提取是一個通過大地?zé)崃鲗碜缘厍騼?nèi)部的熱能傳輸至地表的過程，由式(1)可以看出，地下溫差是可提取地?zé)崮芰康闹匾蛩?。而地下儲能技術(shù)在非采暖季節(jié)將太陽能光熱、工業(yè)余熱、電廠等夏季無處消納的熱量儲存到地下巖土體等多孔介質(zhì)中，相當(dāng)于提高了地?zé)岜旧淼馁Y源基礎(chǔ)和儲量，同時也提高了可開采領(lǐng)域內(nèi)的次經(jīng)濟和剩余領(lǐng)域的開采和利用價值。

2.2 地下儲能的儲存總量概念

地下儲能技術(shù)由于兼顧了地?zé)崤c儲能技術(shù)，所以本文提出地下儲能的儲存總量概念，按式(2)計算：

式中：QR為地?zé)崮軆Υ婵偭浚琸J；QS為巖土體中的熱儲存量，kJ；QA為巖土體中所含空氣中的熱儲存量，kJ，本項在地下儲能領(lǐng)域可忽略不計。

式中：ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體比熱容，kJ/(kg·K)；φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；M為地下儲能體表面計算面積，m2；d為地下儲能體計算厚度，m；ΔT為利用溫差，℃。

儲存總量即表示為地下儲能體的溫度變化ΔT時可釋放或吸收的熱量，kJ。ΔT既包括地下自然補充的能量溫差，也包括人為跨季存儲的能量溫差。

2.3 儲存總量評估

儲存總量的準(zhǔn)確評估對于地下儲能的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，需要重點考慮以下幾點：①地下熱儲層的地質(zhì)特征。地下熱儲層一般是由多個地層(互層)組成，其物理和化學(xué)特性直接影響熱儲層的溫度、熱導(dǎo)率、孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性等參數(shù)。②對地下熱儲層進行勘探。包括對地下巖層的分析、鉆探取樣、化驗分析等多種方法，通過確定地下巖石的類型、厚度、溫度分布、孔隙度和滲透率等參數(shù)來評估。③進行地下熱儲層的模擬和分析。地下熱儲層模擬的主要目的是預(yù)測地下熱儲層的溫度分布、熱儲能量、熱傳導(dǎo)和滲流等重要參數(shù)。常用的模擬方法包括有限元法、有限差分法、有限體積法和邊界元法等，這些方法主要是基于對地下巖石熱物理性質(zhì)、流體運移規(guī)律和邊界條件等因素的分析和處理。在模擬過程中，需要以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模擬結(jié)果進行校正和驗證，進一步提高預(yù)測的可信度和精度。

總之，地下儲存總量的定量評估是地下熱儲能可持續(xù)發(fā)展的重要前提，涉及到水文地質(zhì)、地球物理和數(shù)值模擬等多個領(lǐng)域的知識。目前，隨著勘探和模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，對地下儲存總量的評估也將更加準(zhǔn)確和可靠。上述計算式(3)與式(1)原理基本相同，但更針對和細(xì)化了地下儲能體的容量計算特性，例如計算一個地下1 000 m 深的巖土儲能體的儲存總量，由400 m 第四系粉質(zhì)黏土和600 m 第三系泥質(zhì)粉砂巖組成，將地質(zhì)數(shù)據(jù)代入上述計算式，計算結(jié)果見表1 所列。

表1 某地質(zhì)條件下1 000 m巖土儲能系統(tǒng)對應(yīng)的熱計算方案

根據(jù)以上計算結(jié)果，影響范圍內(nèi)地質(zhì)體(0 ～ 1 000 m 土壤)每變化1℃，釋放或吸收熱量的約為3.15×1010kJ。從中可見，地下儲能只需要通過鉆孔(井)等方式將一定間距的地下?lián)Q熱器(井)注入地下進行熱交換就可以有效儲能，并且由于地下容積大(可以由淺及深增加體積)、比熱容高等方面原因，就成為了天然的大容量儲能介質(zhì)和載體，相比傳統(tǒng)容器式儲熱裝置(如水儲能、相變儲能等)大大減少了建設(shè)成本并實現(xiàn)了大容量跨季節(jié)儲能。

2.4 地下儲能的熱回收率與熱損失率

除洞穴(巖洞)儲能以外，由于地下儲能體是由開式(比如巖土儲能)或半開式(比如含水層儲能)的儲能單元組成，所以地下水文地質(zhì)條件就決定了整個系統(tǒng)的熱工性質(zhì)和經(jīng)濟性。熱回收率和熱損失率作為重要的評價指標(biāo)，是繼上一節(jié)理論儲存總量估算后對可行性進一步研判的依據(jù)。

含水層儲能熱回收率是指從含水層中提取的能量與注入的能量的比值，所使用的參考溫度為含水層未受干擾時的溫度。含水層儲能熱損失率是指跨季節(jié)儲存在地下含水層中的熱量在儲存和釋放過程中的熱量損耗率。

巖土儲能熱回收率是地下儲能體從開采出來的熱量與注入地下儲能體中的熱量的比值。巖土儲能熱損失率是指跨季節(jié)儲存在地下巖土體中的熱量在儲存和釋放過程中的熱量損耗率。

黃永輝[3]等通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于各類地下儲能系統(tǒng)在不同情形下的熱回收效率做了分析和闡述，本文將相關(guān)數(shù)據(jù)整理見表2 所列。

表2 集中典型地下儲能形式的熱回收效率

由于地質(zhì)條件的不確定性，在項目初期和可研階段，首先要了解或以物探、鉆探等形式勘察當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造、含水層分布情況、孔隙率、滲透率等，衡量基本的地下儲能容量和熱回收效率。

多孔介質(zhì)是由多相物質(zhì)所占據(jù)的共同空間，也是多相物質(zhì)共存的一種組合體，其中缺少固體骨架的空間部分叫做孔隙，由液體或氣體，或氣、液兩相共同占有。多孔介質(zhì)以固相為固體骨架，構(gòu)成孔隙空間的某些空洞相互連通。土壤巖土體是自然界中典型的多孔介質(zhì)，由固、液、氣三相物質(zhì)構(gòu)成，在孔隙中或多或少會存在地下水流動。因此，嚴(yán)格意義上講，換熱器及井孔周圍地層的傳熱過程其實是熱滲耦合傳熱過程，如果進一步考慮管材力學(xué)性質(zhì)，上述過程會演變?yōu)椤盁帷獫B—力耦合過程”。通常研究中，建立有地下水滲流時的熱滲耦合地下儲能傳熱模型，通過數(shù)值模擬來分析熱力與地下水滲流的影響。本文為了針對某地區(qū)特定項目，在前期階段簡單估算本項目地下儲能實施落地可行性，進而將地下水徑流熱損失率、導(dǎo)熱熱損失率及總熱損失率等主要考量參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)計算整理見表3 所列。

表3 巖土儲能地下水徑流熱損失率、導(dǎo)熱熱損失率及總熱損失率的估算

可見，對于巖土儲能一般地質(zhì)條件下的總熱損失率約為10%～50%，即儲取效率50%～90%，與表2 的國外研究數(shù)據(jù)基本吻合。當(dāng)然對于表3 中地下水徑流強度較大的砂礫層，一般不適合做儲能，這種地質(zhì)適合直接做地源或水源熱泵系統(tǒng)，同樣經(jīng)濟性良好。換言之，傳統(tǒng)地?zé)犷I(lǐng)域中，高熱導(dǎo)和高徑流的地下環(huán)境更適宜淺層地?zé)衢_發(fā)利用，而低熱導(dǎo)和低徑流的地質(zhì)條件則換熱性能較差或冷熱堆積較明顯；而現(xiàn)在由于采用了地下儲能技術(shù)，使低熱導(dǎo)和低徑流的地質(zhì)條件也適宜進行地下儲能開發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化實施。由此可見，地下儲能技術(shù)在一定程度上拓寬了淺層地?zé)岬膽?yīng)用范圍。

3 地下儲能在季節(jié)性儲能領(lǐng)域的優(yōu)勢

地下儲能技術(shù)具有容量大、造價低等優(yōu)勢,是一種理想的大規(guī)模季節(jié)性儲能方式，對幾種常用冷熱儲能形式的規(guī)模、容量、儲取效率、儲存時間和建設(shè)費等相關(guān)參數(shù)進行整理，見表4 所列。

表4 地下儲能形式與其他典型儲能形式相關(guān)參數(shù)對比

通過上述分析，可以得到地下儲能技術(shù)有以下特點：①儲存時間長、容量大，市面上成熟且常規(guī)的儲能技術(shù)大多以小時、日為時間單位，而含水層儲能和巖土儲能更適宜跨季、年使用，地下儲能的儲能密度雖然較小，但對于“無限大”的地下空間而言，其規(guī)模容量效應(yīng)也是相對“無限大”。②利于分布式的隱形空間，由于其適合分布式智能區(qū)域供熱的特點，在“寸土寸金”的城市，相比其他儲能技術(shù)還可以大幅減少占地費用。③應(yīng)用廣，地下儲能技術(shù)不僅可以利用風(fēng)能、太陽能無法消納而剩余下來的能量，也可將夏季城市中的廢熱、發(fā)電廠余熱、工業(yè)余熱和棄熱集中起來加以儲存和利用，在冬天就可以“變廢為寶”。④成本低，大地的比熱容無限大，利用大地作為天然的儲熱載體和介質(zhì)，可以大大降低建設(shè)成本，從而才能使跨季節(jié)儲能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地。

4 結(jié)語

本文分析了地下儲能的儲熱容量與傳統(tǒng)儲能和傳統(tǒng)地?zé)岬牟顒e，對比總結(jié)了儲熱容量、熱損失和回收效益的初步研判方法，同時針對地下儲能與傳統(tǒng)儲能的對比，證明了地下儲能作為跨季節(jié)儲能領(lǐng)域獨有的經(jīng)濟效益及市場潛力。

地下儲能技術(shù)具有容量大、儲熱效率高、造價低等優(yōu)勢，是一種理想的大規(guī)?？缂竟?jié)儲能方式。既能結(jié)合其他多種能源形式實現(xiàn)多能互補，也可作為區(qū)域地?zé)豳Y源的必要補充和增強。隨著清潔型供暖(冷)需求日益增長、可再生能源占比不斷擴大的趨勢愈發(fā)明顯，地下儲能將發(fā)揮更大的作用。

當(dāng)然，實際工程面臨的情況往往比理論研究更為復(fù)雜多樣，根據(jù)不同的項目情況和地質(zhì)情況等研究出一套能綜合考慮到系統(tǒng)安全、投資經(jīng)濟和運行高效的跨季節(jié)儲能方案至關(guān)重要。