中国地下含水层跨季节储热可行性分析

摘要： 主要介绍了地下储热的常见方式及其优缺点，并针对国内地区的气候、地理、水文等因素对地下含水层跨季节储热工程的可行性进行分析，包括地下含水层跨季节储热的基本原理和结构，所需的地理地质条件及水文条件，地下含水层跨季节储热的物理过程及基本数学模型。结合国内有供暖需求地区的供暖现状，对该工程应用于国内供暖工程的可行性进行分析，给出了未来中国在清洁供暖领域的一个发展方向。

中国领土辽阔，不同的地理环境下产生了不同的生活需求。在冬季，中国北方地区气温低，为保障人民群众的基本生活质量和生活环境，国家在北方推行集中供暖。随着“双碳”目标的提出，风电和光伏发电快速发展，依托燃煤的传统火力发电供暖方式逐渐落后。然而，风光发电具有不稳定性和不可调控性，会产生大量弃风弃光，可对这部分能量加以利用。如今已经有飞轮储能、抽水蓄能储能、电化学储能等多种储能方式，但这些方式具有局限性，难以大规模推广。

地下储热技术是在非取暖季把弃风弃光电量和工业生产废热转换成的热能储存在地下的一种新型储能方法。由于特殊的物理条件，地下具有良好的保温性，在无需供暖的季节，可把热量储存到地下，到供暖季节时便可重新抽采这部分储存的能量用于建筑物供暖。这样做不但清洁环保，而且能保证能源利用的最大化，符合“双碳”目标的要求。

传统地下储热方式按照储热介质的不同，分为以水为储热介质的热水水箱储热、以土壤岩石为储热介质的地埋管储热、以砾石和水混合物为储热介质的砾石-水储热和以地下河床含水层为储热介质的含水层储热4种类型。其中地下含水层储热是一种较为复杂的储热方式，涵盖了流体、传热、地质、水文等多学科领域的内容，在国内研究较少。作为地下储热的一种重要方式，地下含水层储热拥有储热量大、投资少等优点，是地下储热的重要技术分支。因此， 本文在现有理论和实践的基础上，对中国地下含水层跨季节储热的可行性进行分析。

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地下含水层跨季节储热的基本原理和结构

1.1基本原理

地下含水层作为地下储热最基本的储热体，是由于地下渗流、地表渗水等自然因素形成的特殊地质结构。为方便描述，把地质结构简单分为地表层、地下含水层、深层地质层三部分。地下含水层跨季节储热的基本原理是：在非供暖季节将空气中的太阳能、工厂生产产生的废弃热能等以热能的形式收集起来，同时开采地下含水层中的地下水，并利用这部分热能对地下水进行加热。随后，被加热过的地下水被重新注回地下含水层中。由于地下含水层具有一定的保温性，热量便被储存在了地下，等到需要供暖时再重新把地下热水抽采出来，通过热泵等装置进行换热，将这部分热量再应用于建筑物供暖。

1.2基本结构

地下含水层跨季节储热结构的主体包括地上部分和地下部分。地上部分的主要结构包括热泵等换热装置、水泵离心泵等水力装置、供暖管道等。地下部分结构往往都是天然形成的，结构简单但影响因素较多。含水层深度及含水量、地下水系发展趋势、地下岩土结构和组成等，都是地下含水层储能工程的影响因素。受各地区地质条件的影响，岩石沙土的类型和比例不相同，因此在工程实行之前应进行地质探测，确定该地区的基本地质条件后，再进行地下含水层储能工程的建设和应用。

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地下含水层跨季节储热所需地质水文条件

2.1地理地质条件

由工程原理可知，地下含水层跨季节储热工程对地理地质条件要求较高。该地区必须有丰富易开采的地下水资源，且地下含水层储热工程需要该地地势总体较为平缓，地质条件以沙土岩石为主，且不存在较大的溶洞和暗河。因此，不应选在沙漠地区、山地高地、极寒高原等高度落差大且地下水资源不丰富的地区，应以平原地区为佳。

中国有广阔的平原分布。中国三大平原———东北平原、华北平原、长江中下游平原，不但地形平坦辽阔，而且由于松花江、黄河、长江等地表水系的影响，地下水资源丰富，是地下含水层跨季节储热的极佳地区。

2.2水文条件

水文学中把地下水分为三类：包括土壤水和上层滞水的包气带水；埋藏在地表以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的重力水，即潜水；充满2个隔水层之间含水层的承压水。三类地下水中，包气带水容易流动，且离地表过近，容易受到降水等因素影响，故不做考虑。潜水相对气包带水稳定，但其上层不具有隔水层，因此也容易受到降水等因素影响，在某些特殊地区可以考虑。承压水由于其上下都有隔水层，受外界环境变化影响最小，是地下含水层储热的最佳选择。在选择工程地点时，应注意避免与大型河流、大型地下水系距离过近，以防地下水流动活跃导致热量损失过大。

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地下含水层储热的物理过程及基本数学模型

3.1物理过程

地下含水层储热的主要物理过程包括不同地质层之间的换热过程、地下水在地下含水层之间流动导致的传热传质过程、地面部分的电能热能的转化过程等。

3.2基本数学模型

地下含水层储热的本质是多孔介质流动和不同地质层之间的换热，因此给出几个基本的数学模型，并据此分析产生的损失。

1856年，法国工程师Darcy提出达西定律：

式(1)中，Q为渗透流量，m³/s；K为比例系数，是多孔介质的水力传导系数；A为渗流断面面积，m2；H1，H2分别为断面1、断面2的测压水头值，m；L为断面1和断面2之间的距离，m；J为水力坡度。达西定律的另一种表达形式为：

式(2)中，v为渗流速度，又称达西速度，m/s。在之后的研究中人们对达西定律进行了修改和完善，在考虑了黏性阻力和惯性阻力等之后，先后建立了Darcy-Forchheimer模型、Darcy-Brinkman模型及Darcy-Brinkman-Forchheimer模型。

随后引入渗透率的概念。渗透率表征多孔介质对流体的渗透能力，是多孔介质的一个重要特性参数，是渗流力学宏观计算中最重要的输入参数之一。人们很早就研究了单珠装填模型的渗透率问题，并提出了Carman-Kozeny经验公式：

式(3)中，C为Kozeny常数，它与毛细管横截面的形状

有关；Φ为孔隙率；τ为迂曲度；Sb为比面，c㎡/cm³。

要基于能量守恒定律表述多孔介质材料中发生传热时的能量方程。由之前的研究和论述可知，多孔介质材料中的热量传递载体主要有固态的支撑结构与细小孔隙空间内液态的流体介质，因此在表述多孔介质材料的能量方程时，可从固态材料部分及流体介质两方面各自展开讨论。多孔介质材料的能量方程同样能用类似连续方程的推导过程。基于欧拉观点，在流场内随意取某一控制体，此控制体的表面积表示成S，体积表示成V，控制体表面外法线方向的单位矢量为n。由此可得出在某一时刻，从外部进入的和内部热源作用下控制体整体增加的热能量：

式(4)—式(5)中，V为控制体的体积，m³；q为多孔介质总的内热源强度，W；λs为固体导热系数，W（/m·K）；▽T为温度变化量，K；Qs为总热源强度，W；qs为固体内热源强度，W。

两种能量增加带来的温升是基于多孔介质材料内的固体部分。假设固体部分的密度表示为ρs，其比热容表示为cs。假定研究对象热物性参数，如比热容、导热系数等，不受到时间和空间改变带来的影响，多孔介质本身始终为各项同性的，并且多孔介质材料内部细小孔隙的容积均被流体填充，则有：

式(6)—式(7)中，ρ为密度，kg/m³；cp为比热容，J（/kg·K）；（ρcp）f为多孔介质流相中总的体积比热容，J/m3；T为温度，K；t为时间，s；λf为液体导热系数，W（/m·K）；qf为液体内热源强度，W；（ρcp）s为多孔介质固相中总的体积比热容，J/m³。将式(6)与式(7)相加，可导出单相流体的多孔介质的能量方程为：

式(8)中，（ρcp）t为多孔介质总的体积比热容，J/m³；λ为多孔介质的综合导热系数，W（/m·K）。

通过模型分析可知该工程会产生损失，而产生的主要损失包括两部分：由地下水流流动导致的流动损失、不同地质层之间的换热损失。同时由数学模型可知，热量损失往往与压力、初始温度等边界条件有关。经过部分实际工程探究和实验室模拟论证，热量损失为50%左右，在地质条件较好的地区能达到45%左右，基本满足需求。并且该工程本身所使用的能源原本均为产业废能，因此也不存在浪费问题。

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供暖需求与地下含水层跨季节储热工程契合度

4.1供暖需求

中国秦岭—淮河以北地区大都有集中供暖设施，这部分地区供暖基础建设良好，能源产业丰富，往往在冬季较冷时段可满足该地区的供暖需求，但是随着“双碳”目标的提出和化石能源的日渐枯竭，传统供暖方式暴露出诸多弊端，例如污染严重、能源消耗大等。因此复合绿色供暖是一直开拓的新方向，如果地区地质条件适合，就可采取多种地下储热方式来解决部分建筑的供暖。虽然现阶段地下储热量不大，但是由于成本低、无需维修等特点，地下储热可对其他供暖方式进行补足和协调。

4.2地下含水层跨季节储热对供暖的改善能力

由于部分地区的建筑物和市政设计没有设计供暖管道，冬季供暖依赖空调等电加热器，对电网产生极大负荷的同时也浪费了夏季本就充沛的太阳能。因此设计新型的建筑物供暖设施是非常有必要的，而地下储热就可以改善这类问题。地下储热本身经济环保，其弊端是储热量受地形和场地面积限制，但往往可采用小规模分布式的地下储热来对某些建筑进行供暖，例如居民住宅等。据调查，中国中部地区除四川盆地外，大部位于华北平原南部和长江中下游平原地区，皆是可进行地下含水层储热的优良地区。因此可看出，在国内大部分需要供暖的地区，良好的地理条件使得开展地下含水层跨季节储热工程具有初步可行性。

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结语

中国可以开展地下含水层储热工程的地方大多对供暖有较大需求，特别是地下含水层储能的小规模供暖能力可以解决困扰集中供暖线以南地区的供暖问题。而在人文因素上，对集中供暖呼声较大的地区往往又有十分良好的开展地下含水层储热的地质水文条件。因此地下含水层跨季节储热在中国具有广泛的应用价值，不但可以解决部分地区的供暖问题，而且能够满足碳达峰碳中和目标的要求。

由于造价低，除部分地上设施之外不需要复杂的地下设备，免去了之后维修换代等麻烦，因此只要有可实行的地方就可以带来极大的社会利益和经济利益。中国拥有广袤的地区可供探测，因此依托中国的政策方针，从政治、经济、科学等方面考虑，该工程具有一定的可行性。