摘要： 主要介紹了地下儲(chǔ)熱的常見方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)國內(nèi)地區(qū)的氣候、地理、水文等因素對(duì)地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱工程的可行性進(jìn)行分析，包括地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱的基本原理和結(jié)構(gòu)，所需的地理地質(zhì)條件及水文條件，地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱的物理過程及基本數(shù)學(xué)模型。結(jié)合國內(nèi)有供暖需求地區(qū)的供暖現(xiàn)狀，對(duì)該工程應(yīng)用于國內(nèi)供暖工程的可行性進(jìn)行分析，給出了未來中國在清潔供暖領(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(qū)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“雙碳”目標(biāo)的提出，風(fēng)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(fēng)光發(fā)電具有不穩(wěn)定性和不可調(diào)控性，會(huì)產(chǎn)生大量棄風(fēng)棄光，可對(duì)這部分能量加以利用。如今已經(jīng)有飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等多種儲(chǔ)能方式，但這些方式具有局限性，難以大規(guī)模推廣。

地下儲(chǔ)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(zhuǎn)換成的熱能儲(chǔ)存在地下的一種新型儲(chǔ)能方法。由于特殊的物理?xiàng)l件，地下具有良好的保溫性，在無需供暖的季節(jié)，可把熱量?jī)?chǔ)存到地下，到供暖季節(jié)時(shí)便可重新抽采這部分儲(chǔ)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(biāo)的要求。

傳統(tǒng)地下儲(chǔ)熱方式按照儲(chǔ)熱介質(zhì)的不同，分為以水為儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱水水箱儲(chǔ)熱、以土壤巖石為儲(chǔ)熱介質(zhì)的地埋管儲(chǔ)熱、以礫石和水混合物為儲(chǔ)熱介質(zhì)的礫石-水儲(chǔ)熱和以地下河床含水層為儲(chǔ)熱介質(zhì)的含水層儲(chǔ)熱4種類型。其中地下含水層儲(chǔ)熱是一種較為復(fù)雜的儲(chǔ)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(nèi)容，在國內(nèi)研究較少。作為地下儲(chǔ)熱的一種重要方式，地下含水層儲(chǔ)熱擁有儲(chǔ)熱量大、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是地下儲(chǔ)熱的重要技術(shù)分支。因此， 本文在現(xiàn)有理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)中國地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱的可行性進(jìn)行分析。

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地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱的基本原理和結(jié)構(gòu)

1.1基本原理

地下含水層作為地下儲(chǔ)熱最基本的儲(chǔ)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(jié)構(gòu)。為方便描述，把地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)儲(chǔ)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(chǎn)產(chǎn)生的廢棄熱能等以熱能的形式收集起來，同時(shí)開采地下含水層中的地下水，并利用這部分熱能對(duì)地下水進(jìn)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(chǔ)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，通過熱泵等裝置進(jìn)行換熱，將這部分熱量再應(yīng)用于建筑物供暖。

1.2基本結(jié)構(gòu)

地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)的主體包括地上部分和地下部分。地上部分的主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)往往都是天然形成的，結(jié)構(gòu)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(shì)、地下巖土結(jié)構(gòu)和組成等，都是地下含水層儲(chǔ)能工程的影響因素。受各地區(qū)地質(zhì)條件的影響，巖石沙土的類型和比例不相同，因此在工程實(shí)行之前應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，確定該地區(qū)的基本地質(zhì)條件后，再進(jìn)行地下含水層儲(chǔ)能工程的建設(shè)和應(yīng)用。

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地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)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(jié)儲(chǔ)熱工程對(duì)地理地質(zhì)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(chǔ)熱工程需要該地地勢(shì)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(yīng)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(yīng)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(chǔ)熱的極佳地區(qū)。

2.2水文條件

水文學(xué)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(gè)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(gè)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(dòng)，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(duì)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(chǔ)熱的最佳選擇。在選擇工程地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)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(dòng)活躍導(dǎo)致熱量損失過大。

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地下含水層儲(chǔ)熱的物理過程及基本數(shù)學(xué)模型

3.1物理過程

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

3.2基本數(shù)學(xué)模型

地下含水層儲(chǔ)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(shù)學(xué)模型，并據(jù)此分析產(chǎn)生的損失。

1856年，法國工程師Darcy提出達(dá)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(zhì)的水力傳導(dǎo)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(cè)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(dá)西定律的另一種表達(dá)形式為：

式(2)中，v為滲流速度，又稱達(dá)西速度，m/s。在之后的研究中人們對(duì)達(dá)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(duì)流體的滲透能力，是多孔介質(zhì)的一個(gè)重要特性參數(shù)，是滲流力學(xué)宏觀計(jì)算中最重要的輸入?yún)?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(jīng)驗(yàn)公式：

式(3)中，C為Kozeny常數(shù)，它與毛細(xì)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(jié)構(gòu)與細(xì)小孔隙空間內(nèi)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)兩方面各自展開討論。多孔介質(zhì)材料的能量方程同樣能用類似連續(xù)方程的推導(dǎo)過程?；跉W拉觀點(diǎn)，在流場(chǎng)內(nèi)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(shí)刻，從外部進(jìn)入的和內(nèi)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(nèi)熱源強(qiáng)度，W；λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·K）；▽T為溫度變化量，K；Qs為總熱源強(qiáng)度，W；qs為固體內(nèi)熱源強(qiáng)度，W。

兩種能量增加帶來的溫升是基于多孔介質(zhì)材料內(nèi)的固體部分。假設(shè)固體部分的密度表示為ρs，其比熱容表示為cs。假定研究對(duì)象熱物性參數(shù)，如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，不受到時(shí)間和空間改變帶來的影響，多孔介質(zhì)本身始終為各項(xiàng)同性的，并且多孔介質(zhì)材料內(nèi)部細(xì)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(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·K）；qf為液體內(nèi)熱源強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·K）。

通過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(dǎo)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(shù)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)過部分實(shí)際工程探究和實(shí)驗(yàn)室模擬論證，熱量損失為50%左右，在地質(zhì)條件較好的地區(qū)能達(dá)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(chǎn)業(yè)廢能，因此也不存在浪費(fèi)問題。

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供暖需求與地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)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(shè)施，這部分地區(qū)供暖基礎(chǔ)建設(shè)良好，能源產(chǎn)業(yè)豐富，往往在冬季較冷時(shí)段可滿足該地區(qū)的供暖需求，但是隨著“雙碳”目標(biāo)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(yán)重、能源消耗大等。因此復(fù)合綠色供暖是一直開拓的新方向，如果地區(qū)地質(zhì)條件適合，就可采取多種地下儲(chǔ)熱方式來解決部分建筑的供暖。雖然現(xiàn)階段地下儲(chǔ)熱量不大，但是由于成本低、無需維修等特點(diǎn)，地下儲(chǔ)熱可對(duì)其他供暖方式進(jìn)行補(bǔ)足和協(xié)調(diào)。

4.2地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱對(duì)供暖的改善能力

由于部分地區(qū)的建筑物和市政設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)供暖管道，冬季供暖依賴空調(diào)等電加熱器，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生極大負(fù)荷的同時(shí)也浪費(fèi)了夏季本就充沛的太陽能。因此設(shè)計(jì)新型的建筑物供暖設(shè)施是非常有必要的，而地下儲(chǔ)熱就可以改善這類問題。地下儲(chǔ)熱本身經(jīng)濟(jì)環(huán)保，其弊端是儲(chǔ)熱量受地形和場(chǎng)地面積限制，但往往可采用小規(guī)模分布式的地下儲(chǔ)熱來對(duì)某些建筑進(jìn)行供暖，例如居民住宅等。據(jù)調(diào)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(jìn)行地下含水層儲(chǔ)熱的優(yōu)良地區(qū)。因此可看出，在國內(nèi)大部分需要供暖的地區(qū)，良好的地理?xiàng)l件使得開展地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱工程具有初步可行性。

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結(jié)語

中國可以開展地下含水層儲(chǔ)熱工程的地方大多對(duì)供暖有較大需求，特別是地下含水層儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)熱的地質(zhì)水文條件。因此地下含水層跨季節(jié)儲(chǔ)熱在中國具有廣泛的應(yīng)用價(jià)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(dá)峰碳中和目標(biāo)的要求。

由于造價(jià)低，除部分地上設(shè)施之外不需要復(fù)雜的地下設(shè)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極大的社會(huì)利益和經(jīng)濟(jì)利益。中國擁有廣袤的地區(qū)可供探測(cè)，因此依托中國的政策方針，從政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)等方面考慮，該工程具有一定的可行性。