城市綜合體包括一座五星級酒店、二座高級公寓和商業(yè)中心，建筑面積為35萬平面。含水層儲能/地下水源熱泵技術(shù)采用旨在解決綜合體的供冷和供熱，造就一個高舒適、低能耗的社區(qū)。項目地處西安高新區(qū)科技一路和灃惠南路交界處，有合適的含水層，水力坡度小，適合冷熱能的儲能，但含水層其本是由老黃土細(xì)砂交錯的巖性，鉆進、成井極為困難，地下水的回灌也難以回灌，被視為回灌的禁區(qū)。若采用地下水能源系統(tǒng)，必需在技術(shù)和工藝有所突破與創(chuàng)新。作為項目的先期，我們對原中科院地球環(huán)境研究所的暖通系統(tǒng)的冷熱源用含水層儲能技術(shù)進行改造，目的：

1. 是展示含水層儲能新技術(shù)、新工藝的可行性，尤其是解決國內(nèi)普遍存在的地下水回灌難的問題。

2. 地質(zhì)勘探、鉆進和成井工藝試驗，為正式項目提供設(shè)計和施工依據(jù)。

                               （a）夏季流程              （b）冬季流程

圖1.含水層儲能基本原理

含水層儲能

淺層的地下環(huán)境溫度是冬暖夏涼，適合暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱能的儲存。在冬季，從“熱井”抽出的熱的地下水經(jīng)過熱泵向建筑物供熱，釋放熱量后的地下水變冷，然后回灌至“冷井”供夏季供冷。整個冬季供熱過程，“熱井”周邊的熱水體由大變小，而“冷井”周邊的冷水體由小變大。而到了夏季，可以利用冬季回灌至“冷井”的冷量，從“冷井”抽出的冷的地下水經(jīng)過換熱器向建筑直接供冷，釋放冷量后的地下水變熱，然后回灌至“熱井”供冬季供熱。整個夏季供冷過程，“冷井”周邊的冷水體由大變小，而“熱井”周邊的熱水體由小變大。這樣，整個過程周而復(fù)始，含水層儲能實現(xiàn)了“冬冷夏用”、“夏熱冬用”的季節(jié)性儲能。

與地下水源熱泵系統(tǒng)相比，它們間的不同點：

1． 含水層儲能對回灌的溫度有一定要求，需要控制回灌溫度，兼顧全年的能效。對供冷而言，需要冬季回灌溫度越低越好，以保證回灌冷量夏季以后能直接供冷，即通常所說的免費供冷；對于供熱，由于供熱要求的溫度高，一般還得用熱泵來提升溫度。而地下水源熱泵一般對回灌的溫度不作控制，夏天也是通過熱泵供冷；

2． 含水層儲能需要根據(jù)冷熱需求量精心設(shè)計儲能系統(tǒng)，基于“量入而出”的原則，需要精心計算存取冷熱量，并根據(jù)含水層的性質(zhì)和井群的布置模擬和核算含水層冷熱儲存和釋放的特性和溫度響應(yīng)特性，見圖例；而地下水源熱泵則利用的是地下水的自然溫度，通常是冬暖夏涼，通常認(rèn)為是源，則取之不盡，用之不竭的冷熱源。但事實上，一旦進行地下水回灌，含水層的溫度場就會受到影響。

相同點是：

1. 從地質(zhì)環(huán)境和水資源保護角度而言，二者都需要抽灌地下水，而且是地下水的全面回灌，對地質(zhì)環(huán)境的影響也一樣。

2. 二者都會采用熱泵，即當(dāng)含含水層儲能直接供冷供熱不到溫度需求時，含水層儲能也會使用熱泵。

當(dāng)然，含水層儲能和地下水源熱泵如此相似，涉及的學(xué)科之多，即使業(yè)內(nèi)資深專家有時也難以分辨二者的差異。一些含水層儲能的理念和做法也逐漸滲透到地下水源熱泵中去，如地下水的全面回灌、地下全年的冷熱平衡等等。而含水層儲熱也往往會用到熱泵進行供熱升溫。因此，有時業(yè)內(nèi)將含水層儲能稱為地下水源熱泵的升級版。

含水層儲能/熱泵系統(tǒng)特點

1. 成井工藝：采用先進的全液壓頂驅(qū)氣舉反循環(huán)車載鉆機，進行清水鉆進，井深為180米；采用高強度的UPVC井管和濾水管，直徑為315mm。濾水管與鉆孔壁充以與含水層砂粒徑相級配的石英砂濾料，并用高質(zhì)量的粘土球進行嚴(yán)格封井，以防異物的侵入。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境要求，取水段在地下50米以下。井水的泥砂含量小于20億分之小，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的20萬分之一。

2. 地下水系統(tǒng)：采用全密封的地下水對井系統(tǒng)，即一口“熱井”和一口“冷井”，相距50米，單井出水量為45m3/h。并防止外界空氣滲入，系統(tǒng)維持一定的壓力。整個管路采用不銹鋼、PE和UPVC等耐腐、給水級材料，保護地下水資源。系統(tǒng)配置了液位、壓力、溫度和流量傳感器組成的監(jiān)控系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的正常運行和故障的早期預(yù)警。

3. 熱泵機組供熱功率630kW。系統(tǒng)設(shè)計（不含末端泵）供熱時的COP為4.2，供冷COP為15.2。

系統(tǒng)于2015年12月投入運行至現(xiàn)在，地下水系統(tǒng)抽灌正常，實現(xiàn)了地下水的100%回灌。除了控制系統(tǒng)外，全部采用國產(chǎn)的設(shè)備。由于系統(tǒng)的末端仍采用舊的風(fēng)機盤管系統(tǒng)，使得含水層儲能的潛力未能得到充分的體現(xiàn)。但與原系統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，節(jié)電效果顯著，在60%以上。 

2017年12月18日，在《暖通空調(diào)》雜志舉辦的“首屆暖通空調(diào)青年論壇”上，中國中元國際工程有限公司賀繼超高工作了題為《多能互補在區(qū)域能源中的應(yīng)用》的報告。介紹了區(qū)域能源發(fā)展的3個階段，簡述了多能互補的關(guān)鍵技術(shù)，如燃?xì)?ldquo;冷熱電”三聯(lián)供技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、地下含水層儲能技術(shù)、綠電蓄熱技術(shù)、能源智能化管理和工業(yè)建筑的人文設(shè)計。

中國中元國際工程有限公司賀繼超高工 

賀繼超高工在“首屆暖通空調(diào)青年論壇”上作的《多能互補在區(qū)域能源中的應(yīng)用》