摘要： 主要介紹了地下儲熱的常見方式及其優缺點，并針對國內地區的氣候、地理、水文等因素對地下含水層跨季節儲熱工程的可行性進行分析，包括地下含水層跨季節儲熱的基本原理和結構，所需的地理地質條件及水文條件，地下含水層跨季節儲熱的物理過程及基本數學模型。結合國內有供暖需求地區的供暖現狀，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展方向。

中國領土遼闊，不同的地理環境下產生了不同的生活需求。在冬季，中國北方地區氣溫低，為保障人民群眾的基本生活質量和生活環境，國家在北方推行集中供暖。隨著“雙碳”目標的提出，風電和光伏發電快速發展，依托燃煤的傳統火力發電供暖方式逐漸落后。然而，風光發電具有不穩定性和不可調控性，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，可把熱量儲存到地下，到供暖季節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、投資少等優點，是地下儲熱的重要技術分支。因此， 本文在現有理論和實踐的基礎上，對中國地下含水層跨季節儲熱的可行性進行分析。

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地下含水層跨季節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。地下含水層跨季節儲熱的基本原理是：在非供暖季節將空氣中的太陽能、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，地下含水層跨季節儲熱工程對地理地質條件要求較高。該地區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、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，應以平原地區為佳。

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儲熱的極佳地區。

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，在某些特殊地區可以考慮。承壓水由于其上下都有隔水層，受外界環境變化影響最小，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，是多孔介質的水力傳導系數；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，是滲流力學宏觀計算中最重要的輸入參數之一。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，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的支撐結構與細小孔隙空間內液態的流體介質，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，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，如比熱容、導熱系數等，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，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，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儲熱工程契合度

4.1供暖需求

中國秦嶺—淮河以北地區大都有集中供暖設施，這部分地區供暖基礎建設良好，能源產業豐富，往往在冬季較冷時段可滿足該地區的供暖需求，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調。

4.2地下含水層跨季節儲熱對供暖的改善能力

由于部分地區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，皆是可進行地下含水層儲熱的優良地區。因此可看出，在國內大部分需要供暖的地區，良好的地理條件使得開展地下含水層跨季節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模供暖能力可以解決困擾集中供暖線以南地區的供暖問題。而在人文因素上，對集中供暖呼聲較大的地區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儲熱在中國具有廣泛的應用價值，不但可以解決部分地區的供暖問題，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。