刘 铮 ，欧阳鑫南，陈永安

(1.中国能源建设集团有限公司工程研究院，北京 100022；2.中能建地热有限公司，北京 100022)

0 引言

我国已成为世界上最大的能源生产国和消费国，但在供热需求方面依然存在着明显的季节缺陷，夏季资源未能得到充分开发，而冬季往往不能完全满足用户的热能需求[1]。季节性储能可以将热量由夏季或过渡季向冬季转移，克服了短期储热技术不稳定和利用率低的缺点，扩大了可再生能源利用的深度与广度。

以地球浅表层土壤和中深层土壤岩石等为主要载体的地下储能系统，具有分布广、成本低、占地少、储热周期长等优点，能够有效解决可再生能源供热系统的跨季节不匹配性问题，从而大幅提升热利用稳定性。因此通过对地下储能技术进行合理的研究和开发，能进一步改善我国能源结构、构建资源节约型和环境友好型社会，有利于国家节能减排战略目标的实现。

1 地下储能技术类型

当前国际储能节能技术主要集中在地下储能、冰储能、水储能、相变材料储能、熔盐储热等新型储能等方面。地下储能技术又可分为含水层储能、岩土储能和洞穴(岩洞)储能。

1.1 含水层储能

地下含水层储能技术主要分为含水层储能技术和高温含水层储热技术。

含水层储能是以循环水为介质，以含水层为载体，利用地质热惯性开发的储能技术，图1 为系统示意图。含水层的温度是相对恒定的，冬暖夏凉。以长江中下游地区为例，含水层温度约18 ℃。夏季，制冷产生的热水回到热库，热库的水温要比地下含水层自然温度高5 ～8 ℃，储存了5 ～8 ℃的热能；冬季，制热产生的冷水回到冷库，冷库的水温要比地下水自然温度低5 ～8 ℃左右，储存了5 ～8 ℃的冷能。周而复始，实现季节性储能。

图1 含水层储能系统示意图

高温含水层储热技术是一种利用深度超过500 m 的深层含水层作为储能介质的储能技术，储热对象通常为50 ～150 ℃的热水[2]，图2 为系统示意图。现有的含水层储能应用主要是低温储能，即地下水的温度在25 ℃以下，这也是欧盟国家对浅层地下水能源系统的限定，因此目前的研究热点是高温含水层储热，即当地下水回灌温度突破25 ℃[3]限制需要克服的政策问题、腐蚀和结垢问题、水处理技术问题等瓶颈[4]。

图2 高温含水层储热示意图

1.2 岩土储能

地下岩土体储能技术主要分为岩土储能技术和高温岩土储能技术。

岩土储能是利用地下土壤、岩石和水的热容量进行储能的封闭式循环系统。结合地质情况采用冷热分区布置，以智能化控制手段解决国内地埋管技术占地面积大、供冷能效低、能效衰减等问题。例如在夏季供冷时，地埋管的循环水与冷区岩土进行热交换后，向地面系统供冷，变热后循环水注入到热区，将热量储存在热区的岩土中，以备冬季供暖反向循环。

高温岩土储能是在非采暖季节将太阳能光热、工业余热、电厂或低温供热堆供暖系统夏季无处消纳的热量储存到岩土储能系统中，储存形式是高温热水，冬季再将这部分储存的热量提取出来用于直接供暖或热泵提升供暖，其与岩土储能的区别主要是“单向储热”和“地下较高储热温度”2 个方面。

1.3 洞穴(岩洞)储能

洞穴(岩洞)储能通过对流传热形式将热能储存在地下岩洞中，当向岩洞充热时，热量将通过热交换器，将热水注入到岩洞的顶部，而底部的冷水被抽出。垂直的冷热分层将维持岩洞内储能系统的温差，高温区在上部，低温区在下部。当储能系统释放热量时，流动方向相反。从岩洞顶部抽取的热水通过热交换器供热，供热后的冷水仍循环到岩洞的底部。

岩洞储能机理与常见的水储能一致，具有很高的储能效率，这种储能系统的优点是循环水量大，同时适用于短期和季节性储能，局限在于很难找到这种天然地下岩洞，而人工开发岩洞造价较高。

2 地下储能容量规模

2.1 地热资源总量和地热储量之间的关系

在评估地下储能容量之前，首先需明晰在传统地热行业中，地热资源总量和地热储量(也称“热储存量”)之间的关系[5]。

地热资源总量是指地下可以被开采和利用的热能的总量，主要指由于地球内热与热传递产生所有热量的资源评估，即：

式中：QR为地热能储存总量，kJ；ρ为储层的围岩密度，g/cm3；C为储层围岩的比热容，J/(g·K)；V为储层体积，m3；tR、tO为储层的温度和最终状态的温度，℃。

地热储量是指可实现经济效益并能够在耗费很少的额外勘探成本下，实现并网利用的资源量[6]。

储量和地热资源总量的关系如图3 所示。

图3 储量与地热资源总量的关系

地热资源总量的评估是在目前认知范围内、满足技术经济要求下，对于可被开发利用的储量作出的比较宽泛的容量估算，而地热储量是一种可利用的容量估算。地热资源的提取是一个通过大地热流将来自地球内部的热能传输至地表的过程，由式(1)可以看出，地下温差是可提取地热能量的重要因素。而地下储能技术在非采暖季节将太阳能光热、工业余热、电厂等夏季无处消纳的热量储存到地下岩土体等多孔介质中，相当于提高了地热本身的资源基础和储量，同时也提高了可开采领域内的次经济和剩余领域的开采和利用价值。

2.2 地下储能的储存总量概念

地下储能技术由于兼顾了地热与储能技术，所以本文提出地下储能的储存总量概念，按式(2)计算：

式中：QR为地热能储存总量，kJ；QS为岩土体中的热储存量，kJ；QA为岩土体中所含空气中的热储存量，kJ，本项在地下储能领域可忽略不计。

式中：ρS为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体比热容，kJ/(kg·K)；φ为岩土体的孔隙率(或裂隙率)；M为地下储能体表面计算面积，m2；d为地下储能体计算厚度，m；ΔT为利用温差，℃。

储存总量即表示为地下储能体的温度变化ΔT时可释放或吸收的热量，kJ。ΔT既包括地下自然补充的能量温差，也包括人为跨季存储的能量温差。

2.3 储存总量评估

储存总量的准确评估对于地下储能的可持续发展至关重要，需要重点考虑以下几点：①地下热储层的地质特征。地下热储层一般是由多个地层(互层)组成，其物理和化学特性直接影响热储层的温度、热导率、孔隙结构和渗透性等参数。②对地下热储层进行勘探。包括对地下岩层的分析、钻探取样、化验分析等多种方法，通过确定地下岩石的类型、厚度、温度分布、孔隙度和渗透率等参数来评估。③进行地下热储层的模拟和分析。地下热储层模拟的主要目的是预测地下热储层的温度分布、热储能量、热传导和渗流等重要参数。常用的模拟方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法和边界元法等，这些方法主要是基于对地下岩石热物理性质、流体运移规律和边界条件等因素的分析和处理。在模拟过程中，需要以实测数据为基础，对模拟结果进行校正和验证，进一步提高预测的可信度和精度。

总之，地下储存总量的定量评估是地下热储能可持续发展的重要前提，涉及到水文地质、地球物理和数值模拟等多个领域的知识。目前，随着勘探和模拟技术的不断发展，对地下储存总量的评估也将更加准确和可靠。上述计算式(3)与式(1)原理基本相同，但更针对和细化了地下储能体的容量计算特性，例如计算一个地下1 000 m 深的岩土储能体的储存总量，由400 m 第四系粉质黏土和600 m 第三系泥质粉砂岩组成，将地质数据代入上述计算式，计算结果见表1 所列。

表1 某地质条件下1 000 m岩土储能系统对应的热计算方案

根据以上计算结果，影响范围内地质体(0 ～ 1 000 m 土壤)每变化1℃，释放或吸收热量的约为3.15×1010kJ。从中可见，地下储能只需要通过钻孔(井)等方式将一定间距的地下换热器(井)注入地下进行热交换就可以有效储能，并且由于地下容积大(可以由浅及深增加体积)、比热容高等方面原因，就成为了天然的大容量储能介质和载体，相比传统容器式储热装置(如水储能、相变储能等)大大减少了建设成本并实现了大容量跨季节储能。

2.4 地下储能的热回收率与热损失率

除洞穴(岩洞)储能以外，由于地下储能体是由开式(比如岩土储能)或半开式(比如含水层储能)的储能单元组成，所以地下水文地质条件就决定了整个系统的热工性质和经济性。热回收率和热损失率作为重要的评价指标，是继上一节理论储存总量估算后对可行性进一步研判的依据。

含水层储能热回收率是指从含水层中提取的能量与注入的能量的比值，所使用的参考温度为含水层未受干扰时的温度。含水层储能热损失率是指跨季节储存在地下含水层中的热量在储存和释放过程中的热量损耗率。

岩土储能热回收率是地下储能体从开采出来的热量与注入地下储能体中的热量的比值。岩土储能热损失率是指跨季节储存在地下岩土体中的热量在储存和释放过程中的热量损耗率。

黄永辉[3]等通过对国内外文献关于各类地下储能系统在不同情形下的热回收效率做了分析和阐述，本文将相关数据整理见表2 所列。

表2 集中典型地下储能形式的热回收效率

由于地质条件的不确定性，在项目初期和可研阶段，首先要了解或以物探、钻探等形式勘察当地地质构造、含水层分布情况、孔隙率、渗透率等，衡量基本的地下储能容量和热回收效率。

多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体，其中缺少固体骨架的空间部分叫做孔隙，由液体或气体，或气、液两相共同占有。多孔介质以固相为固体骨架，构成孔隙空间的某些空洞相互连通。土壤岩土体是自然界中典型的多孔介质，由固、液、气三相物质构成，在孔隙中或多或少会存在地下水流动。因此，严格意义上讲，换热器及井孔周围地层的传热过程其实是热渗耦合传热过程，如果进一步考虑管材力学性质，上述过程会演变为“热—渗—力耦合过程”。通常研究中，建立有地下水渗流时的热渗耦合地下储能传热模型，通过数值模拟来分析热力与地下水渗流的影响。本文为了针对某地区特定项目，在前期阶段简单估算本项目地下储能实施落地可行性，进而将地下水径流热损失率、导热热损失率及总热损失率等主要考量参数相关数据计算整理见表3 所列。

表3 岩土储能地下水径流热损失率、导热热损失率及总热损失率的估算

可见，对于岩土储能一般地质条件下的总热损失率约为10%～50%，即储取效率50%～90%，与表2 的国外研究数据基本吻合。当然对于表3 中地下水径流强度较大的砂砾层，一般不适合做储能，这种地质适合直接做地源或水源热泵系统，同样经济性良好。换言之，传统地热领域中，高热导和高径流的地下环境更适宜浅层地热开发利用，而低热导和低径流的地质条件则换热性能较差或冷热堆积较明显；而现在由于采用了地下储能技术，使低热导和低径流的地质条件也适宜进行地下储能开发应用和产业化实施。由此可见，地下储能技术在一定程度上拓宽了浅层地热的应用范围。

3 地下储能在季节性储能领域的优势

地下储能技术具有容量大、造价低等优势,是一种理想的大规模季节性储能方式，对几种常用冷热储能形式的规模、容量、储取效率、储存时间和建设费等相关参数进行整理，见表4 所列。

表4 地下储能形式与其他典型储能形式相关参数对比

通过上述分析，可以得到地下储能技术有以下特点：①储存时间长、容量大，市面上成熟且常规的储能技术大多以小时、日为时间单位，而含水层储能和岩土储能更适宜跨季、年使用，地下储能的储能密度虽然较小，但对于“无限大”的地下空间而言，其规模容量效应也是相对“无限大”。②利于分布式的隐形空间，由于其适合分布式智能区域供热的特点，在“寸土寸金”的城市，相比其他储能技术还可以大幅减少占地费用。③应用广，地下储能技术不仅可以利用风能、太阳能无法消纳而剩余下来的能量，也可将夏季城市中的废热、发电厂余热、工业余热和弃热集中起来加以储存和利用，在冬天就可以“变废为宝”。④成本低，大地的比热容无限大，利用大地作为天然的储热载体和介质，可以大大降低建设成本，从而才能使跨季节储能真正实现产业化落地。

4 结语

本文分析了地下储能的储热容量与传统储能和传统地热的差别，对比总结了储热容量、热损失和回收效益的初步研判方法，同时针对地下储能与传统储能的对比，证明了地下储能作为跨季节储能领域独有的经济效益及市场潜力。

地下储能技术具有容量大、储热效率高、造价低等优势，是一种理想的大规模跨季节储能方式。既能结合其他多种能源形式实现多能互补，也可作为区域地热资源的必要补充和增强。随着清洁型供暖(冷)需求日益增长、可再生能源占比不断扩大的趋势愈发明显，地下储能将发挥更大的作用。

当然，实际工程面临的情况往往比理论研究更为复杂多样，根据不同的项目情况和地质情况等研究出一套能综合考虑到系统安全、投资经济和运行高效的跨季节储能方案至关重要。