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

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

地下儲熱技術是在非取暖季把棄風棄光電量和工業(yè)生產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，在無需供暖的季節(jié)，可把熱量儲存到地下，到供暖季節(jié)時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(tǒng)地下儲熱方式按照儲熱介質的不同，分為以水為儲熱介質的熱水水箱儲熱、以土壤巖石為儲熱介質的地埋管儲熱、以礫石和水混合物為儲熱介質的礫石-水儲熱和以地下河床含水層為儲熱介質的含水層儲熱4種類型。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、水文等多學科領域的內容，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，是地下儲熱的重要技術分支。因此， 本文在現(xiàn)有理論和實踐的基礎上，對中國地下含水層跨季節(jié)儲熱的可行性進行分析。

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地下含水層跨季節(jié)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結構。為方便描述，把地質結構簡單分為地表層、地下含水層、深層地質層三部分。地下含水層跨季節(jié)儲熱的基本原理是：在非供暖季節(jié)將空氣中的太陽能、工廠生產產生的廢棄熱能等以熱能的形式收集起來，同時開采地下含水層中的地下水，并利用這部分熱能對地下水進行加熱。隨后，被加熱過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，等到需要供暖時再重新把地下熱水抽采出來，通過熱泵等裝置進行換熱，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(jié)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(qū)地質條件的影響，巖石沙土的類型和比例不相同，因此在工程實行之前應進行地質探測，確定該地區(qū)的基本地質條件后，再進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(jié)儲熱所需地質水文條件

2.1地理地質條件

由工程原理可知，地下含水層跨季節(jié)儲熱工程對地理地質條件要求較高。該地區(qū)必須有豐富易開采的地下水資源，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(qū)、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(qū)，應以平原地區(qū)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、長江中下游平原，不但地形平坦遼闊，而且由于松花江、黃河、長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(jié)儲熱的極佳地區(qū)。

2.2水文條件

水文學中把地下水分為三類：包括土壤水和上層滯水的包氣帶水；埋藏在地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的重力水，即潛水；充滿2個隔水層之間含水層的承壓水。三類地下水中，包氣帶水容易流動，且離地表過近，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(wěn)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(qū)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。在選擇工程地點時，應注意避免與大型河流、大型地下水系距離過近，以防地下水流動活躍導致熱量損失過大。

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地下含水層儲熱的物理過程及基本數(shù)學模型

3.1物理過程

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

3.2基本數(shù)學模型

地下含水層儲熱的本質是多孔介質流動和不同地質層之間的換熱，因此給出幾個基本的數(shù)學模型，并據此分析產生的損失。

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(shù)，是多孔介質的水力傳導系數(shù)；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，又稱達西速度，m/s。在之后的研究中人們對達西定律進行了修改和完善，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對流體的滲透能力，是多孔介質的一個重要特性參數(shù)，是滲流力學宏觀計算中最重要的輸入參數(shù)之一。人們很早就研究了單珠裝填模型的滲透率問題，并提出了Carman-Kozeny經驗公式：

式(3)中，C為Kozeny常數(shù)，它與毛細管橫截面的形狀

有關；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材料中發(fā)生傳熱時的能量方程。由之前的研究和論述可知，多孔介質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，因此在表述多孔介質材料的能量方程時，可從固態(tài)材料部分及流體介質兩方面各自展開討論。多孔介質材料的能量方程同樣能用類似連續(xù)方程的推導過程。基于歐拉觀點，在流場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，控制體表面外法線方向的單位矢量為n。由此可得出在某一時刻，從外部進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為多孔介質總的內熱源強度，W；λs為固體導熱系數(shù)，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。

兩種能量增加帶來的溫升是基于多孔介質材料內的固體部分。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(shù)，如比熱容、導熱系數(shù)等，不受到時間和空間改變帶來的影響，多孔介質本身始終為各項同性的，并且多孔介質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為多孔介質流相中總的體積比熱容，J/m3；T為溫度，K；t為時間，s；λf為液體導熱系數(shù)，W（/m·K）；qf為液體內熱源強度，W；（ρcp）s為多孔介質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的能量方程為：

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

通過模型分析可知該工程會產生損失，而產生的主要損失包括兩部分：由地下水流流動導致的流動損失、不同地質層之間的換熱損失。同時由數(shù)學模型可知，熱量損失往往與壓力、初始溫度等邊界條件有關。經過部分實際工程探究和實驗室模擬論證，熱量損失為50%左右，在地質條件較好的地區(qū)能達到45%左右，基本滿足需求。并且該工程本身所使用的能源原本均為產業(yè)廢能，因此也不存在浪費問題。

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供暖需求與地下含水層跨季節(jié)儲熱工程契合度

4.1供暖需求

中國秦嶺—淮河以北地區(qū)大都有集中供暖設施，這部分地區(qū)供暖基礎建設良好，能源產業(yè)豐富，往往在冬季較冷時段可滿足該地區(qū)的供暖需求，但是隨著“雙碳”目標的提出和化石能源的日漸枯竭，傳統(tǒng)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拓的新方向，如果地區(qū)地質條件適合，就可采取多種地下儲熱方式來解決部分建筑的供暖。雖然現(xiàn)階段地下儲熱量不大，但是由于成本低、無需維修等特點，地下儲熱可對其他供暖方式進行補足和協(xié)調。

4.2地下含水層跨季節(jié)儲熱對供暖的改善能力

由于部分地區(qū)的建筑物和市政設計沒有設計供暖管道，冬季供暖依賴空調等電加熱器，對電網產生極大負荷的同時也浪費了夏季本就充沛的太陽能。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問題。地下儲熱本身經濟環(huán)保，其弊端是儲熱量受地形和場地面積限制，但往往可采用小規(guī)模分布式的地下儲熱來對某些建筑進行供暖，例如居民住宅等。據調查，中國中部地區(qū)除四川盆地外，大部位于華北平原南部和長江中下游平原地區(qū)，皆是可進行地下含水層儲熱的優(yōu)良地區(qū)。因此可看出，在國內大部分需要供暖的地區(qū)，良好的地理條件使得開展地下含水層跨季節(jié)儲熱工程具有初步可行性。

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結語

中國可以開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(guī)模供暖能力可以解決困擾集中供暖線以南地區(qū)的供暖問題。而在人文因素上，對集中供暖呼聲較大的地區(qū)往往又有十分良好的開展地下含水層儲熱的地質水文條件。因此地下含水層跨季節(jié)儲熱在中國具有廣泛的應用價值，不但可以解決部分地區(qū)的供暖問題，而且能夠滿足碳達峰碳中和目標的要求。

由于造價低，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，因此只要有可實行的地方就可以帶來極大的社會利益和經濟利益。中國擁有廣袤的地區(qū)可供探測，因此依托中國的政策方針，從政治、經濟、科學等方面考慮，該工程具有一定的可行性。