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1、地下含水层储冷技术的原理及应用 中国市政工程华北设计研究院刘 毅 李鹤立 天津大学建工学院暖通系杜晓刚 提要常规空调消耗大t的电能，同时制冷机所使用的氟里昂 对大气层也有破坏作用。而 利用地下含水层储冷技术可将冬季大气中的天然冷量收集并储藏起来用于夏季空调:也可 将夏季大气中的热量收集并储藏用于冬季空调系统的预热.这种对环境有益的储能方式， 运行可靠、 维修费用低、节约大盆电能、市场前景广阔。 关键词地下含水层储冷节能 1引言 在烈日炎炎的夏季，空调被认为是保持室内舒适环境的基本工具，空调设备的广泛运 用所带来的后果是消耗大量电能 或各种不同类型的能源 ( 煤炭，石油，天然气等) .而常规 空
2、调设备中 所使用的氟里昂 ( C F C )己被确认为是同温层臭氧损耗与全球性气候变暖的元 1N 。 根据蒙特利尔议定书 及其后来的修正案，作为C F C替 代物H C F C - 1 2 3 , H F C - 1 3 4 a 对全 球气候变化均存在着或多戴少的有害影响。而现阶段科学界还未能找到可替代上述物质对 环境完全友好的冷媒川。 利用地下含水层储冷技术能够极大减少常规空调方式所带来的上述缺点.目前，这一 方法己在荷兰等国得到广泛应用， 技术成熟。原则上来说， 只要当地气候条件满足冬冷夏 热，并且有合适的地下含水层的 地区都可以 采用这种储冷技术。 2概述 在我们日常生活中，可能会有这样
3、一个梦想，那就是如果能够将冬季冷量储存起来供 夏季使用:或是相反，将夏季的热里储存以供冬季使用。这将是一个多么美妙的节能方法. 实际上我们前辈早己通过在冬季窖藏冰块的方法将其变为现实，只是采用的方法比较原始， 储藏的冷量有限罢了. 利用地下含水层储冷的原理其实非常简单，就是将常温地下水从井下 热井)抽出， 利用冬季丰富的自 然界冷t将其冷却后回灌到另一口井下 ( 冷井) ， 利用地下含水层储存这 些冷水.含水层上部厚厚的土壤好象一层保温层阻止冷t外泄。进入夏季后，将冷井中储 存的大里冷水抽出，供建筑物空调或生产过程用冷，工作完的地下水吸收热量后又回灌至 热井中:与这一过程相反，冬季将热井中储存
4、的热水抽出， 用于冬季空调的新风预热或通 风系统的预热， 放热冷却后的地下水经专用换热器进一步冷却到合适的温度回灌到冷井中 储存，供来年夏季使用。 地下水通过密闭管道在冷热井中往复流动没有任何泄润. 这种储能方式对地下水位没有任何影响，因为抽出的 地下水使用后又全部回灌到同一 含 水 层 中 . 当 然 冷 热 井 之 间 要 有 足 够 的 间 距 以 确 保 两 井 间 A l t 渗 进 最 示 . 田 1 为天津石化公司天华宾 馆地下 含水层储能工程示意图。该系统为常用的办公楼舒 适性空调设计方案. 3 6 3 I - . J 户 J IIJ 图 一 1天 津 石 化 公 司 地 下
5、含 揭靛班示 意 酬 水 哟 -5 . . . . . -51 . . . . . - . 5 2 二 自 叙 嘴 盖 架笼 黯 图 2为天津海豚炭黑有限公司地下含水层储能工程示意图， 别向压缩空气站和主办公楼提供冷量， 对压缩空气进行冷却干燥 空调。 分 咋易釉拍 枷1)一鞠 几 ) 该系统通过两个换热器分 ，对主办公楼提供舒适性 1111职 1111 - 图 一 2 天 津 攫有 附司 地 下 含 木 层 麟工 程 ( 木 粉 -5 一 -5 1 州 . . . . . . . .勺 . . . . 右 来 水 甘 生 砒 砰 遥 的 注 下 众 毒 季 理 行 ， 3 6 4 下面简要叙
6、述一下储冷系统的主要部件、获 取冷里的方式、当地气候、 地质状况、常 用的 储冷方式和市场前景. 3储冷系统的构成 上图显示含水层储冷系统的几种常用方式。主要部件有:井、 连接管道、换热器、 供 冷器 ( 冷却塔或风冷器 和用冷方 办公楼或生产设备). ( 1 )井 井的深度，直径和数量取决于所需的冷 ( 热)量、地下含水层厚度、渗透性等.用于 储存冷量的含水层是天然形成的，不需要建造，只要对地质勘探资料进行研究就能找到可 利用的含水层。冬季从并下抽出的地下水被室外天然冷媒 ( 冷空气、冷水等)所冷却，这 些冷水被注入到 “ 冷井”中，注入的冷水以 辐射状态向四周扩散， 挤走地下含水层中原有
7、的常温水并将冷量释放给砂砾。井的直径通常为: 3 0 0 ， . 1 0 00 毫米。 每口 井都安装有与 含水 层相同高度的演水管和一台从含水层中抽水的变频潜水泵。一般储冷井中还安装有一套回 灌管路以便将水回灌至井内。 这样一对 ( 多对) 冷热井将地下水不断地抽出、回灌、形成了 地下水在井下的循环. 事实上荷兰的 这种地下储能方式始见于中国。 最早是60年代初期， 为 控制地面 沉降在上海、 天津等地进行地下水回灌.当时只是将常温的地下水抽出用于制冷机冷却，因地下水直接 暴露于空气中，极易造成水质污染，产生生物堵塞、气体堵塞和化学堵塞， 使回灌量逐年 递减。 荷兰 H AITJE M A钻
8、井公司在钻井技术上采用反循环钻进，该方法钻进速度快，费用 低，成并质量高， 适宜清水钻进，井壁不易堵塞， 还在演水管周围填充卵石.因此井的出 水t、回灌t均较大，可长年运行. (2)连接管道 并之间通常采用复合材料的管道进行连接 ( H O P E等) ， 也可跟据地下水质采用钢管 或不锈钢管，外包保温层及防水材料直埋敷设。井之间的距离与需要储存的冷量、含水层 厚度、 渗透率、 水力坡度等多个因素有关， 需经计算确定， 应尽量避免冷热井之间短路 ( 需 要计算并建立模型) 。 (3) 换热器 地下水常含有 某些气体 ( C 。 : ， N Z ， C H ; ) 、 铁、 泥沙和腐蚀 性元素.
9、 溶 解于水中的 某 些气体在外界压力降低时会析出并形成气泡，堵塞回灌井，系统中保持一定的超压可阻止 地下水脱气。水中溶解的 铁如与大气中的氧气接触将生成氧化铁 ( 铁锈) 沉积在系统内， 为防止出 现上述问题，也要保持地下水系统在运行及静止状态下保持一定的正压并减少泄 漏.如果不设换热器直接将地下水供至用户，常会增加泄漏的危险性并增大潜水泵的扬程. 在这种情况下应配备换热器。当然使用换热器会造成工程费用的 增加和温度损失等不利影 响.设计人员应跟据当 地气候和工程的具体情况决定是否设置换热器. (4)获取冷里的方式 地下含水层储冷系统的关键问题是在冬季储存大量的冷量.从理论上讲希望对地下水
10、3 6 5 进行最充分冷却，使其接近 0 为最佳，实际工程中受各种因素的制约 ( 如地下水冻结、 冷却塔运行等) ，一股将地下水冷却到 企10后回灌。具体冷却方式多采用湿式冷却塔配 合换热器，也可采用空气冷却器 ( 耗电t较大) . 采用冷却塔方式的优点是既能冬季储冷也 可在夏季冷却调峰用制冷机， 而且耗电t较少. 冬季储冷中的一个技术难点是既要充分冷却地下水，又要防止冻结，条件许可时应 24 小时连续运行，如果白天气温高或夜间噪声扰民， 就要考虑间歇运行。间歇期系统应设有 保温，防冻等多项措施。 5 ) 冷t落求 夏季将储存在地下含水层中的卜10 地下水抽出，经换热器后可 外供 8 一 12
11、冷冻水， 这一温度的冷冻水几乎可以满足所有办公楼、宾馆、饭店的通风空调、工业冷却、农艺活 动等需求. 为充分利用地下水所含冷里提高C O P 值， 我们希望将上述冷冻水尽量加大温升， 这样就需要对常规风机盘管及新风机组等进行冷量校核。但是这类数据仅在特灵等几个厂 家样本中查到过，这里也希望生产相关空调设备的厂家今后多作这方面的工作。 4气候和地质条件 ( 1) 气候条件 地下含水层储冷系统能否成功， 全靠当地气候条件决定，若冬季不够冷也就不可能产 生足够的冷水。我国北部和东部广大地区冬季日 平均气温簇5 的天数一般都在 飞 00 天以 上， 而夏季气温较高，非常适合采用地下含水层储冷系统.如果
12、比 较一下中国与采用地下 含水层储冷系统最广泛的荷兰两国气候，就能看出 我国北部和东部地区的气候条件远胜于 荷兰，冬天比荷兰冷;夏天比 荷兰热， 更有利于采用地下储能。 这种可靠的地下储能系统可代替由一个或多个常规制冷设备组成的空调系统，与常规 空调系统相比其初投资虽然稍高 但这一价差只需 卜巧年既可回收，有时其初投资甚至低于 普通空调系统。这主要取决于当 地气候、 地质、供冷规摸、设计方案、电 增容费、电 价等。 ( 2 ) 地质条件 地质条件对地下储能系统的影响主要体现在造价上，如果当 地有一个深度浅而且水力 坡度小的含水层，那将大大节省打井费用、潜水泵耗电量、连接管道的造价等。水质的好
13、坏也影响到所采用的换热器、阀门、管道、仪表的材质，这些都将反映在系 统初投资上 ( 3 )市场前景及示范项目 因为地下含水层储冷系统可免费获取冷热最而仅提供循环水泵等设备用电， 所以该系 统在夏季供冷状态下可节电40， 卜 习 !) %;即使在冬季供热状态下也可节电3 创 毛 。另外由于储 冷系统运转部件少， 所以可靠性高，维修费 用低，市场前景广阔。 当地地下水资源管理上的 政策对地下储能系统的推广有很大影响，各地应该鼓励使用 浅层水进行地下储能，控制开采深层优质水。特别是对单纯抽取地下水进行冷却利用后， 直接排放的单位应征收高 额使用费，从经济上制约对地下水资源的浪费。 荷兰政府为限制对地
14、下水过盆开采，在 . 卯4年 9月国 会起草议案， 对地下水实行征 税，饮用水的价格为:0 34 荷兰盾，工业用户:。 17 荷兰盾.对于回灌而言，每回灌一立 3 6 6 方米可减少:0 .2 8 5和0 . 11 5荷兰盾的税， 含水层储能I li完全免税。该项政策也促进了 荷兰 企业积极开展地下含水层储冷技术的研究。 天津市的地下水资源管理工作是从 1 9 8 7年起步， 通过一系列法规制约了 不合理开发， 效果较好。但每年深层水仍然超采2 .5 - 3 .0 亿立方米。为控制地面沉降，深层水开 采并是越 打越深， 现己到了7 0 0 - 8 0 0 米 ( 个别超过 1 0 0 0 米)
15、 ，水温在3 0 左右，己 不适合冷却。 在天津市 城镇及工业集中的南部地区浅层为咸水， 深层为淡水。 浅层咸水温度为1 2 - 1 5 ，虽然适合冷却，但因其腐蚀性较强，而且没有相关政策支持，各部门开发利用的积极 性不高。近期，天津市 地资办 根据天津冬季寒冷，夏季炎热，且浅 层咸水未开发，水 力坡度极小，适宜回灌储冷的特点，积极开展地下含水层储冷技术引进，推广工作。并且 在政策和资金上给予支持。 现在我院正与天津市 “ 地资办” 配合，计划引进荷兰 I F公司地下储能技术，在天津 市建立两个国内示范项目 。这两个项目 分别为天津市石化公司天华宾 馆空调改造，天津海 豚炭黑有限公司主办公楼空
16、调及压缩空气的冷却干燥。工程预计年底基本完成并开始储冷。 有关这两个示范工程的设计体会和使用效果将在今后陆续介绍给大家，并互相交流. 参考文献 1 . 汪训昌 从全球气候变暖角度评替代冷媒 H C F C - 1 2 3与 H F C - I 3 4 a的使用前景 暖通空 调1 9 9 8 .6 刘毅.男，1 9 6 2 年 1 0月生 3 0 0 0 7 4天津市 河西区 ( 0 2 2) 2 3 3 4 2 1 6 8 - 2 2 1 8 气象台路 大学工学学士高级工程师。 2 号 中国市政工程华北设计研究院 第四设计所 传真:( 0 2 2 ) 2 3 3 5 0 9 3 0 初稿日期: 2 0 0 0 年2 月2 0日修改日期:2 0 0 0 年6 月6日 3 6 7
