中國地下含水層跨季節儲熱可行性分析

摘要： 主要介紹了地下儲熱的常見(jiàn)方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，并針對國內地區的氣候、地理、水文等因素對地下含水層跨季節儲熱工程的可行性進(jìn)行分析，包括地下含水層跨季節儲熱的基本原理和結構，所需的地理地質(zhì)條件及水文條件，地下含水層跨季節儲熱的物理過(guò)程及基本數學(xué)模型。結合國內有供暖需求地區的供暖現狀，對該工程應用于國內供暖工程的可行性進(jìn)行分析，給出了未來(lái)中國在清潔供暖領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。

中國領(lǐng)土遼闊，不同的地理環(huán)境下產(chǎn)生了不同的生活需求。在冬季，中國北方地區氣溫低，為保障人民群眾的基本生活質(zhì)量和生活環(huán)境，國家在北方推行集中供暖。隨著(zhù)“雙碳”目標的提出，風(fēng)電和光伏發(fā)電快速發(fā)展，依托燃煤的傳統火力發(fā)電供暖方式逐漸落后。然而，風(fēng)光發(fā)電具有不穩定性和不可調控性，會(huì )產(chǎn)生大量棄風(fēng)棄光，可對這部分能量加以利用。如今已經(jīng)有飛輪儲能、抽水蓄能儲能、電化學(xué)儲能等多種儲能方式，但這些方式具有局限性，難以大規模推廣。

地下儲熱技術(shù)是在非取暖季把棄風(fēng)棄光電量和工業(yè)生產(chǎn)廢熱轉換成的熱能儲存在地下的一種新型儲能方法。由于特殊的物理條件，地下具有良好的保溫性，在無(wú)需供暖的季節，可把熱量?jì)Υ娴降叵?，?a href="http://keyinmall.com/t/供暖季.html" >供暖季節時(shí)便可重新抽采這部分儲存的能量用于建筑物供暖。這樣做不但清潔環(huán)保，而且能保證能源利用的最大化，符合“雙碳”目標的要求。

傳統地下儲熱方式按照儲熱介質(zhì)的不同，分為以水為儲熱介質(zhì)的熱水水箱儲熱、以土壤巖石為儲熱介質(zhì)的地埋管儲熱、以礫石和水混合物為儲熱介質(zhì)的礫石-水儲熱和以地下河床含水層為儲熱介質(zhì)的含水層儲熱4種類(lèi)型。其中地下含水層儲熱是一種較為復雜的儲熱方式，涵蓋了流體、傳熱、地質(zhì)、水文等多學(xué)科領(lǐng)域的內容，在國內研究較少。作為地下儲熱的一種重要方式，地下含水層儲熱擁有儲熱量大、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是地下儲熱的重要技術(shù)分支。因此， 本文在現有理論和實(shí)踐的基礎上，對中國地下含水層跨季節儲熱的可行性進(jìn)行分析。

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地下含水層跨季節儲熱的基本原理和結構

1.1基本原理

地下含水層作為地下儲熱最基本的儲熱體，是由于地下滲流、地表滲水等自然因素形成的特殊地質(zhì)結構。為方便描述，把地質(zhì)結構簡(jiǎn)單分為地表層、地下含水層、深層地質(zhì)層三部分。地下含水層跨季節儲熱的基本原理是：在非供暖季節將空氣中的太陽(yáng)能、工廠(chǎng)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄熱能等以熱能的形式收集起來(lái)，同時(shí)開(kāi)采地下含水層中的地下水，并利用這部分熱能對地下水進(jìn)行加熱。隨后，被加熱過(guò)的地下水被重新注回地下含水層中。由于地下含水層具有一定的保溫性，熱量便被儲存在了地下，等到需要供暖時(shí)再重新把地下熱水抽采出來(lái)，通過(guò)熱泵等裝置進(jìn)行換熱，將這部分熱量再應用于建筑物供暖。

1.2基本結構

地下含水層跨季節儲熱結構的主體包括地上部分和地下部分。地上部分的主要結構包括熱泵等換熱裝置、水泵離心泵等水力裝置、供暖管道等。地下部分結構往往都是天然形成的，結構簡(jiǎn)單但影響因素較多。含水層深度及含水量、地下水系發(fā)展趨勢、地下巖土結構和組成等，都是地下含水層儲能工程的影響因素。受各地區地質(zhì)條件的影響，巖石沙土的類(lèi)型和比例不相同，因此在工程實(shí)行之前應進(jìn)行地質(zhì)探測，確定該地區的基本地質(zhì)條件后，再進(jìn)行地下含水層儲能工程的建設和應用。

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地下含水層跨季節儲熱所需地質(zhì)水文條件

2.1地理地質(zhì)條件

由工程原理可知，地下含水層跨季節儲熱工程對地理地質(zhì)條件要求較高。該地區必須有豐富易開(kāi)采的地下水資源，且地下含水層儲熱工程需要該地地勢總體較為平緩，地質(zhì)條件以沙土巖石為主，且不存在較大的溶洞和暗河。因此，不應選在沙漠地區、山地高地、極寒高原等高度落差大且地下水資源不豐富的地區，應以平原地區為佳。

中國有廣闊的平原分布。中國三大平原———東北平原、華北平原、長(cháng)江中下游平原，不但地形平坦遼闊，而且由于松花江、黃河、長(cháng)江等地表水系的影響，地下水資源豐富，是地下含水層跨季節儲熱的極佳地區。

2.2水文條件

水文學(xué)中把地下水分為三類(lèi)：包括土壤水和上層滯水的包氣帶水；埋藏在地表以下，第一個(gè)穩定隔水層以上具有自由水面的重力水，即潛水；充滿(mǎn)2個(gè)隔水層之間含水層的承壓水。三類(lèi)地下水中，包氣帶水容易流動(dòng)，且離地表過(guò)近，容易受到降水等因素影響，故不做考慮。潛水相對氣包帶水穩定，但其上層不具有隔水層，因此也容易受到降水等因素影響，在某些特殊地區可以考慮。承壓水由于其上下都有隔水層，受外界環(huán)境變化影響最小，是地下含水層儲熱的最佳選擇。在選擇工程地點(diǎn)時(shí)，應注意避免與大型河流、大型地下水系距離過(guò)近，以防地下水流動(dòng)活躍導致熱量損失過(guò)大。

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地下含水層儲熱的物理過(guò)程及基本數學(xué)模型

3.1物理過(guò)程

地下含水層儲熱的主要物理過(guò)程包括不同地質(zhì)層之間的換熱過(guò)程、地下水在地下含水層之間流動(dòng)導致的傳熱傳質(zhì)過(guò)程、地面部分的電能熱能的轉化過(guò)程等。

3.2基本數學(xué)模型

地下含水層儲熱的本質(zhì)是多孔介質(zhì)流動(dòng)和不同地質(zhì)層之間的換熱，因此給出幾個(gè)基本的數學(xué)模型，并據此分析產(chǎn)生的損失。

1856年，法國工程師Darcy提出達西定律：

式(1)中，Q為滲透流量，m3/s；K為比例系數，是多孔介質(zhì)的水力傳導系數；A為滲流斷面面積，m2；H1，H2分別為斷面1、斷面2的測壓水頭值，m；L為斷面1和斷面2之間的距離，m；J為水力坡度。達西定律的另一種表達形式為：

式(2)中，v為滲流速度，又稱(chēng)達西速度，m/s。在之后的研究中人們對達西定律進(jìn)行了修改和完善，在考慮了黏性阻力和慣性阻力等之后，先后建立了Darcy-Forchheimer模型、Darcy-Brinkman模型及Darcy-Brinkman-Forchheimer模型。

隨后引入滲透率的概念。滲透率表征多孔介質(zhì)對流體的滲透能力，是多孔介質(zhì)的一個(gè)重要特性參數，是滲流力學(xué)宏觀(guān)計算中最重要的輸入參數之一。人們很早就研究了單珠裝填模型的滲透率問(wèn)題，并提出了Carman-Kozeny經(jīng)驗公式：

式(3)中，C為Kozeny常數，它與毛細管橫截面的形狀

有關(guān)；Φ為孔隙率；τ為迂曲度；Sb為比面，c㎡/cm3。

要基于能量守恒定律表述多孔介質(zhì)材料中發(fā)生傳熱時(shí)的能量方程。由之前的研究和論述可知，多孔介質(zhì)材料中的熱量傳遞載體主要有固態(tài)的支撐結構與細小孔隙空間內液態(tài)的流體介質(zhì)，因此在表述多孔介質(zhì)材料的能量方程時(shí)，可從固態(tài)材料部分及流體介質(zhì)兩方面各自展開(kāi)討論。多孔介質(zhì)材料的能量方程同樣能用類(lèi)似連續方程的推導過(guò)程?；跉W拉觀(guān)點(diǎn)，在流場(chǎng)內隨意取某一控制體，此控制體的表面積表示成S，體積表示成V，控制體表面外法線(xiàn)方向的單位矢量為n。由此可得出在某一時(shí)刻，從外部進(jìn)入的和內部熱源作用下控制體整體增加的熱能量：

式(4)—式(5)中，V為控制體的體積，m3；q為多孔介質(zhì)總的內熱源強度，W；λs為固體導熱系數，W（/m·K）；▽T為溫度變化量，K；Qs為總熱源強度，W；qs為固體內熱源強度，W。

兩種能量增加帶來(lái)的溫升是基于多孔介質(zhì)材料內的固體部分。假設固體部分的密度表示為ρs，其比熱容表示為cs。假定研究對象熱物性參數，如比熱容、導熱系數等，不受到時(shí)間和空間改變帶來(lái)的影響，多孔介質(zhì)本身始終為各項同性的，并且多孔介質(zhì)材料內部細小孔隙的容積均被流體填充，則有：

式(6)—式(7)中，ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，J（/kg·K）；（ρcp）f為多孔介質(zhì)流相中總的體積比熱容，J/m3；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；λf為液體導熱系數，W（/m·K）；qf為液體內熱源強度，W；（ρcp）s為多孔介質(zhì)固相中總的體積比熱容，J/m3。將式(6)與式(7)相加，可導出單相流體的多孔介質(zhì)的能量方程為：

式(8)中，（ρcp）t為多孔介質(zhì)總的體積比熱容，J/m3；λ為多孔介質(zhì)的綜合導熱系數，W（/m·K）。

通過(guò)模型分析可知該工程會(huì )產(chǎn)生損失，而產(chǎn)生的主要損失包括兩部分：由地下水流流動(dòng)導致的流動(dòng)損失、不同地質(zhì)層之間的換熱損失。同時(shí)由數學(xué)模型可知，熱量損失往往與壓力、初始溫度等邊界條件有關(guān)。經(jīng)過(guò)部分實(shí)際工程探究和實(shí)驗室模擬論證，熱量損失為50%左右，在地質(zhì)條件較好的地區能達到45%左右，基本滿(mǎn)足需求。并且該工程本身所使用的能源原本均為產(chǎn)業(yè)廢能，因此也不存在浪費問(wèn)題。

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供暖需求與地下含水層跨季節儲熱工程契合度

4.1供暖需求

中國秦嶺—淮河以北地區大都有集中供暖設施，這部分地區供暖基礎建設良好，能源產(chǎn)業(yè)豐富，往往在冬季較冷時(shí)段可滿(mǎn)足該地區的供暖需求，但是隨著(zhù)“雙碳”目標的提出和化石能源的日漸枯竭，傳統供暖方式暴露出諸多弊端，例如污染嚴重、能源消耗大等。因此復合綠色供暖是一直開(kāi)拓的新方向，如果地區地質(zhì)條件適合，就可采取多種地下儲熱方式來(lái)解決部分建筑的供暖。雖然現階段地下儲熱量不大，但是由于成本低、無(wú)需維修等特點(diǎn)，地下儲熱可對其他供暖方式進(jìn)行補足和協(xié)調。

4.2地下含水層跨季節儲熱對供暖的改善能力

由于部分地區的建筑物和市政設計沒(méi)有設計供暖管道，冬季供暖依賴(lài)空調等電加熱器，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大負荷的同時(shí)也浪費了夏季本就充沛的太陽(yáng)能。因此設計新型的建筑物供暖設施是非常有必要的，而地下儲熱就可以改善這類(lèi)問(wèn)題。地下儲熱本身經(jīng)濟環(huán)保，其弊端是儲熱量受地形和場(chǎng)地面積限制，但往往可采用小規模分布式的地下儲熱來(lái)對某些建筑進(jìn)行供暖，例如居民住宅等。據調查，中國中部地區除四川盆地外，大部位于華北平原南部和長(cháng)江中下游平原地區，皆是可進(jìn)行地下含水層儲熱的優(yōu)良地區。因此可看出，在國內大部分需要供暖的地區，良好的地理條件使得開(kāi)展地下含水層跨季節儲熱工程具有初步可行性。

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結語(yǔ)

中國可以開(kāi)展地下含水層儲熱工程的地方大多對供暖有較大需求，特別是地下含水層儲能的小規模供暖能力可以解決困擾集中供暖線(xiàn)以南地區的供暖問(wèn)題。而在人文因素上，對集中供暖呼聲較大的地區往往又有十分良好的開(kāi)展地下含水層儲熱的地質(zhì)水文條件。因此地下含水層跨季節儲熱在中國具有廣泛的應用價(jià)值，不但可以解決部分地區的供暖問(wèn)題，而且能夠滿(mǎn)足碳達峰碳中和目標的要求。

由于造價(jià)低，除部分地上設施之外不需要復雜的地下設備，免去了之后維修換代等麻煩，因此只要有可實(shí)行的地方就可以帶來(lái)極大的社會(huì )利益和經(jīng)濟利益。中國擁有廣袤的地區可供探測，因此依托中國的政策方針，從政治、經(jīng)濟、科學(xué)等方面考慮，該工程具有一定的可行性。