地下儲(chǔ)能容量規(guī)模與季節(jié)性優(yōu)勢(shì)分析

劉 錚 ，歐陽(yáng)鑫南，陳永安

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022；2.中能建地?zé)嵊邢薰荆本?100022)

0 引言

我國(guó)已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(kāi)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(chǔ)能可以將熱量由夏季或過(guò)渡季向冬季轉(zhuǎn)移，克服了短期儲(chǔ)熱技術(shù)不穩(wěn)定和利用率低的缺點(diǎn)，擴(kuò)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(chǔ)能系統(tǒng)，具有分布廣、成本低、占地少、儲(chǔ)熱周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題，從而大幅提升熱利用穩(wěn)定性。因此通過(guò)對(duì)地下儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行合理的研究和開(kāi)發(fā)，能進(jìn)一步改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，有利于國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 地下儲(chǔ)能技術(shù)類型

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

1.1 含水層儲(chǔ)能

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

含水層儲(chǔ)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(kāi)發(fā)的儲(chǔ)能技術(shù)，圖1 為系統(tǒng)示意圖。含水層的溫度是相對(duì)恒定的，冬暖夏涼。以長(zhǎng)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(kù)，熱庫(kù)的水溫要比地下含水層自然溫度高5 ～8 ℃，儲(chǔ)存了5 ～8 ℃的熱能；冬季，制熱產(chǎn)生的冷水回到冷庫(kù)，冷庫(kù)的水溫要比地下水自然溫度低5 ～8 ℃左右，儲(chǔ)存了5 ～8 ℃的冷能。周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)季節(jié)性儲(chǔ)能。

圖1 含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

高溫含水層儲(chǔ)熱技術(shù)是一種利用深度超過(guò)500 m 的深層含水層作為儲(chǔ)能介質(zhì)的儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)熱對(duì)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(chǔ)能應(yīng)用主要是低溫儲(chǔ)能，即地下水的溫度在25 ℃以下，這也是歐盟國(guó)家對(duì)淺層地下水能源系統(tǒng)的限定，因此目前的研究熱點(diǎn)是高溫含水層儲(chǔ)熱，即當(dāng)?shù)叵滤毓鄿囟韧黄?5 ℃[3]限制需要克服的政策問(wèn)題、腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題、水處理技術(shù)問(wèn)題等瓶頸[4]。

圖2 高溫含水層儲(chǔ)熱示意圖

1.2 巖土儲(chǔ)能

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

巖土儲(chǔ)能是利用地下土壤、巖石和水的熱容量進(jìn)行儲(chǔ)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(guó)內(nèi)地埋管技術(shù)占地面積大、供冷能效低、能效衰減等問(wèn)題。例如在夏季供冷時(shí)，地埋管的循環(huán)水與冷區(qū)巖土進(jìn)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?jī)?chǔ)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(chǔ)能是在非采暖季節(jié)將太陽(yáng)能光熱、工業(yè)余熱、電廠或低溫供熱堆供暖系統(tǒng)夏季無(wú)處消納的熱量?jī)?chǔ)存到巖土儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)存形式是高溫?zé)崴?，冬季再將這部分儲(chǔ)存的熱量提取出來(lái)用于直接供暖或熱泵提升供暖，其與巖土儲(chǔ)能的區(qū)別主要是“單向儲(chǔ)熱”和“地下較高儲(chǔ)熱溫度”2 個(gè)方面。

1.3 洞穴(巖洞)儲(chǔ)能

洞穴(巖洞)儲(chǔ)能通過(guò)對(duì)流傳熱形式將熱能儲(chǔ)存在地下巖洞中，當(dāng)向巖洞充熱時(shí)，熱量將通過(guò)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(chǔ)能系統(tǒng)的溫差，高溫區(qū)在上部，低溫區(qū)在下部。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放熱量時(shí)，流動(dòng)方向相反。從巖洞頂部抽取的熱水通過(guò)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(chǔ)能機(jī)理與常見(jiàn)的水儲(chǔ)能一致，具有很高的儲(chǔ)能效率，這種儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)水量大，同時(shí)適用于短期和季節(jié)性儲(chǔ)能，局限在于很難找到這種天然地下巖洞，而人工開(kāi)發(fā)巖洞造價(jià)較高。

2 地下儲(chǔ)能容量規(guī)模

2.1 地?zé)豳Y源總量和地?zé)醿?chǔ)量之間的關(guān)系

在評(píng)估地下儲(chǔ)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?chǔ)量(也稱“熱儲(chǔ)存量”)之間的關(guān)系[5]。

地?zé)豳Y源總量是指地下可以被開(kāi)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(píng)估，即：

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

地?zé)醿?chǔ)量是指可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益并能夠在耗費(fèi)很少的額外勘探成本下，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)利用的資源量[6]。

儲(chǔ)量和地?zé)豳Y源總量的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)量與地?zé)豳Y源總量的關(guān)系

地?zé)豳Y源總量的評(píng)估是在目前認(rèn)知范圍內(nèi)、滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求下，對(duì)于可被開(kāi)發(fā)利用的儲(chǔ)量作出的比較寬泛的容量估算，而地?zé)醿?chǔ)量是一種可利用的容量估算。地?zé)豳Y源的提取是一個(gè)通過(guò)大地?zé)崃鲗?lái)自地球內(nèi)部的熱能傳輸至地表的過(guò)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?chǔ)能技術(shù)在非采暖季節(jié)將太陽(yáng)能光熱、工業(yè)余熱、電廠等夏季無(wú)處消納的熱量?jī)?chǔ)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(chǔ)量，同時(shí)也提高了可開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)的次經(jīng)濟(jì)和剩余領(lǐng)域的開(kāi)采和利用價(jià)值。

2.2 地下儲(chǔ)能的儲(chǔ)存總量概念

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

式中：QR為地?zé)崮軆?chǔ)存總量，kJ；QS為巖土體中的熱儲(chǔ)存量，kJ；QA為巖土體中所含空氣中的熱儲(chǔ)存量，kJ，本項(xiàng)在地下儲(chǔ)能領(lǐng)域可忽略不計(jì)。

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(chǔ)能體表面計(jì)算面積，m2；d為地下儲(chǔ)能體計(jì)算厚度，m；ΔT為利用溫差，℃。

儲(chǔ)存總量即表示為地下儲(chǔ)能體的溫度變化ΔT時(shí)可釋放或吸收的熱量，kJ。ΔT既包括地下自然補(bǔ)充的能量溫差，也包括人為跨季存儲(chǔ)的能量溫差。

2.3 儲(chǔ)存總量評(píng)估

儲(chǔ)存總量的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于地下儲(chǔ)能的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，需要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：①地下熱儲(chǔ)層的地質(zhì)特征。地下熱儲(chǔ)層一般是由多個(gè)地層(互層)組成，其物理和化學(xué)特性直接影響熱儲(chǔ)層的溫度、熱導(dǎo)率、孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性等參數(shù)。②對(duì)地下熱儲(chǔ)層進(jìn)行勘探。包括對(duì)地下巖層的分析、鉆探取樣、化驗(yàn)分析等多種方法，通過(guò)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(lái)評(píng)估。③進(jìn)行地下熱儲(chǔ)層的模擬和分析。地下熱儲(chǔ)層模擬的主要目的是預(yù)測(cè)地下熱儲(chǔ)層的溫度分布、熱儲(chǔ)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(duì)地下巖石熱物理性質(zhì)、流體運(yùn)移規(guī)律和邊界條件等因素的分析和處理。在模擬過(guò)程中，需要以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行校正和驗(yàn)證，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)的可信度和精度。

總之，地下儲(chǔ)存總量的定量評(píng)估是地下熱儲(chǔ)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(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。目前，隨著勘探和模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)地下儲(chǔ)存總量的評(píng)估也將更加準(zhǔn)確和可靠。上述計(jì)算式(3)與式(1)原理基本相同，但更針對(duì)和細(xì)化了地下儲(chǔ)能體的容量計(jì)算特性，例如計(jì)算一個(gè)地下1 000 m 深的巖土儲(chǔ)能體的儲(chǔ)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(jì)算式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 所列。

表1 某地質(zhì)條件下1 000 m巖土儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱計(jì)算方案

根據(jù)以上計(jì)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(jiàn)，地下儲(chǔ)能只需要通過(guò)鉆孔(井)等方式將一定間距的地下?lián)Q熱器(井)注入地下進(jìn)行熱交換就可以有效儲(chǔ)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?jī)?chǔ)能介質(zhì)和載體，相比傳統(tǒng)容器式儲(chǔ)熱裝置(如水儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能等)大大減少了建設(shè)成本并實(shí)現(xiàn)了大容量跨季節(jié)儲(chǔ)能。

2.4 地下儲(chǔ)能的熱回收率與熱損失率

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

含水層儲(chǔ)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(shí)的溫度。含水層儲(chǔ)能熱損失率是指跨季節(jié)儲(chǔ)存在地下含水層中的熱量在儲(chǔ)存和釋放過(guò)程中的熱量損耗率。

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

黃永輝[3]等通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于各類地下儲(chǔ)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(jiàn)表2 所列。

表2 集中典型地下儲(chǔ)能形式的熱回收效率

由于地質(zhì)條件的不確定性，在項(xiàng)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(chǔ)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(huì)存在地下水流動(dòng)。因此，嚴(yán)格意義上講，換熱器及井孔周圍地層的傳熱過(guò)程其實(shí)是熱滲耦合傳熱過(guò)程，如果進(jìn)一步考慮管材力學(xué)性質(zhì)，上述過(guò)程會(huì)演變?yōu)椤盁帷獫B—力耦合過(guò)程”。通常研究中，建立有地下水滲流時(shí)的熱滲耦合地下儲(chǔ)能傳熱模型，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析熱力與地下水滲流的影響。本文為了針對(duì)某地區(qū)特定項(xiàng)目，在前期階段簡(jiǎn)單估算本項(xiàng)目地下儲(chǔ)能實(shí)施落地可行性，進(jìn)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(jì)算整理見(jiàn)表3 所列。

表3 巖土儲(chǔ)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(jiàn)，對(duì)于巖土儲(chǔ)能一般地質(zhì)條件下的總熱損失率約為10%～50%，即儲(chǔ)取效率50%～90%，與表2 的國(guó)外研究數(shù)據(jù)基本吻合。當(dāng)然對(duì)于表3 中地下水徑流強(qiáng)度較大的砂礫層，一般不適合做儲(chǔ)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(jì)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_(kāi)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(chǔ)能技術(shù)，使低熱導(dǎo)和低徑流的地質(zhì)條件也適宜進(jìn)行地下儲(chǔ)能開(kāi)發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化實(shí)施。由此可見(jiàn)，地下儲(chǔ)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(chǔ)能在季節(jié)性儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

地下儲(chǔ)能技術(shù)具有容量大、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì),是一種理想的大規(guī)模季節(jié)性儲(chǔ)能方式，對(duì)幾種常用冷熱儲(chǔ)能形式的規(guī)模、容量、儲(chǔ)取效率、儲(chǔ)存時(shí)間和建設(shè)費(fèi)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理，見(jiàn)表4 所列。

表4 地下儲(chǔ)能形式與其他典型儲(chǔ)能形式相關(guān)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上述分析，可以得到地下儲(chǔ)能技術(shù)有以下特點(diǎn)：①儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、容量大，市面上成熟且常規(guī)的儲(chǔ)能技術(shù)大多以小時(shí)、日為時(shí)間單位，而含水層儲(chǔ)能和巖土儲(chǔ)能更適宜跨季、年使用，地下儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度雖然較小，但對(duì)于“無(wú)限大”的地下空間而言，其規(guī)模容量效應(yīng)也是相對(duì)“無(wú)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(diǎn)，在“寸土寸金”的城市，相比其他儲(chǔ)能技術(shù)還可以大幅減少占地費(fèi)用。③應(yīng)用廣，地下儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以利用風(fēng)能、太陽(yáng)能無(wú)法消納而剩余下來(lái)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(lái)加以儲(chǔ)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(wú)限大，利用大地作為天然的儲(chǔ)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(chǔ)能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了地下儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱容量與傳統(tǒng)儲(chǔ)能和傳統(tǒng)地?zé)岬牟顒e，對(duì)比總結(jié)了儲(chǔ)熱容量、熱損失和回收效益的初步研判方法，同時(shí)針對(duì)地下儲(chǔ)能與傳統(tǒng)儲(chǔ)能的對(duì)比，證明了地下儲(chǔ)能作為跨季節(jié)儲(chǔ)能領(lǐng)域獨(dú)有的經(jīng)濟(jì)效益及市場(chǎng)潛力。

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

當(dāng)然，實(shí)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(xiàng)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(jì)和運(yùn)行高效的跨季節(jié)儲(chǔ)能方案至關(guān)重要。