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1、能源研究与利用!# 年第 $ 期%$基金项目：国家自然科学基金项目 &%!(%!)。摘 要：地下含水层储能已成为一项在世界上较为知名的储能技术。在含水层储能系统中，从含水层中抽出的地下水被抽取或贮入热能，随后再将温度已改变的地下水再回灌回含水层进行储能，以备在不同的季节使用。该系统使我们能够利用夏季的热和冬季的冷，这些都是以前不能利用的可再生能源，并且这能减少燃料的使用量以及对大气的废气排放。本文介绍了地下含水层储能系统以及如何就该系统对环境的影响进行全面的评估。关键词：含水层储能 环境影响评估!#$%&$( *+,-./0 12/0345 /6/078 91:047/?:3/ 4 0/541
2、-/58 A/55 B C6:A6/6/078 91:047/ 1/?26:5:78 -6 3468 D4019 :. 12/A:05EF G6 *;4?C -61: 12/ 943/ :0 46J:12/0 4+,-./0 .:0 91:047/F G6 12/ :DD:9-1/ 9/49:6H12/ 91:0/E 12/0345 /6/078 -6 12/ 4+,-./0 ?46 /,9/EF =,?2 9891/3 ?46 2/5D ,9 -6 ,1-5-L-67 12/2/41 -6 9,33/0H 12/ ?:5E -6 A-61/0F ;2/9/ 40/4?1,4558 0/6/A
3、45/ 0/9:,0?/9H A2-?2 24/ 6:1/6 .,558 /ID5:-1/E /.:0/F ;2,9 12/ ,9/ :. .:99-5.,/59 46E MN!H =NI 46E ONI /3-99-:69 1: 12/413:9D2/0/ ?46 / 0/E,?/E ?:69-E/0458F)*+ ,-%.#： 4+,-./0 12/0345 /6/078 91:047/,06 大学及美国地质调查局、法国地质及采矿研究办公室。在瑞士、德国及法国还进行了一些 较 小 规 模 的 现 场 试验。 $WQ 年，美国的劳伦斯柏克莱试验室 （ 简称YZY） 进行并报道了含水层储能的详
4、细数值模拟通用研究。同年在苏格兰 ;,06/008 举行的北约组织科学委员的会议上也鼓励进一步发展含水层蓄热 *+,-./0 ;2/0345() 会 议 每 隔 三 年 举 行 一次 ， 主 要 讨 论 地 下 水 储 能 的 新 的 研 究 结 果 和 实 践 经验 。从 国 外 后 期 建 成 的 地 下 含 水 层 储 能 项 目 来 看 ，该 项 技 术 的 最 大 优 点 是 节 能 ， 采 用 天 然 的 冷 量 或 热量 能 显 著 地 减 少 系 统 的 电 耗 ， 地 下 含 水 层 储 能 的 空调 系 统 的 ? 值 可 高 达 A = -， 而 常 规 的 空 调 系
5、统 最高 也 只 能 达 到 $。 与 采 用 地 下 水 直 接 冷 却 相 比 ， 采 用这 种 系 统 使 地 下 水 资 源 得 到 了 保 护 ， 控 制 了 地 面 沉降 。 此 外 ， 其 所 占 的 地 面 空 间 较 小 ， 维 护 费 用 也 较少 。 总 之 ， 地 下 含 水 层 蓄 能 是 一 项 很 有 潜 力 的 技 术 。%B 地 下 含 水 层 储 能 系 统 的 分 类目 前 ， 利 用 地 下 含 水 层 的 储 能 系 统 常 见 的 有 垂直 插 管 式 、 地 坑 式 和 井 式 储 能 系 统 。垂 直 插 管 式 ， 即 CD(（ C1204E3
6、6 :130 1FE:3/712） 垂直 插 管 子 于 地 下 含 水 层 一 定 深 度 ， 管 内 可 走 盐 水 、 丙二 醇 等 水 溶 液 ， 管 外 含 水 层 以 上 部 分 与 土 壤 的 空 隙则 可 用 沙 浆 之 类 的 物 质 填 上 。 这 种 方 式 比 较 节 省 费用 ， 但 输 出 功 率 较 小 。对 于 地 坑 式 ， 目 前 既 有 部 分 绝 热 的 和 完 全 绝 热的 蓄 能 系 统 。 工 程 上 通 常 往 地 坑 里 填 充 砾 石 、 沙 G 水等 混 合 物 作 为 储 能 媒 体 ， 来 模 拟 自 然 含 水 层 ： 在 储 水装
7、置 内 部 填 充 了 砂 石 和 水 。 由 于 人 工 的 储 能 装 置 其容 积 会 很 大 ， 造 价 高 ， 技 术 也 复 杂 。所 以 ， 直 接 使 用 地 下 含 水 层 与 地 下 水 作 为 长 时间 储 热 （ 冷 ） 的 手 段 和 热 媒 的 井 式 储 能 系 统 就 有 不 可比 拟 的 优 点 。%B * 井 式 含 水 层 储 能 系 统井 式 含 水 层 储 能 系 统 一 般 有 两 种 储 能 方 式 ， 即同 层 储 能 与 异 层 储 能 。!同 层 储 能一 般 用 于 储 冷 或 储 热 。 其 方 法 是 把 抽 汲 出 来 的地 下 水
8、， 经 使 用 后 ， 再 灌 入 到 同 一 含 水 层 中 去 ， 把 冷量 （ 或 热 量 ） 贮 存 起 来 ， 留 待 夏 季 需 要 降 温 时 （ 或 冬 季需 要 取 暖 时 ） 抽 用 。应 该 指 出 ： 进 行 同 层 储 能 时 ， 水 源 井 应 按 地 下 水流 动 方 向 布 置 在 上 游 ， 储 能 井 分 布 在 下 游 ， 而 且 要 根据 地 下 水 的 渗 透 性 和 流 动 速 度 ， 在 储 能 井 和 水 源 井之 间 隔 开 一 定 的 距 离 ， 即 储 能 井 应 布 置 在 水 源 井 最大 降 幅 的 影 响 半 径 之 外 ， 以 免
9、 灌 入 含 水 层 里 的 冷 水（ 或 热 水 ） 回 流 入 水 源 井 而 被 抽 出 。异 层 储 能主 要 采 用 异 层 储 冷 冬 灌 夏 用 和 储 热 夏 灌 冬 用 的“ 循 环 灌 采 ” 地 下 水 的 方 法 。具 体 做 法 是 ： 在 不 同 含 水 层 中 ， 分 别 开 凿 储 冷 井和 储 热 井 。 由 于 所 利 用 的 不 是 同 一 含 水 层 ， 所 以 井 距可 以 不 作 限 制 。虽 然 异 层 储 能 便 于 实 现 灌 水 、 抽 水 和 节 约 材 料的 原 则 ， 但 是 由 于 在 异 层 储 能 系 统 中 ， 两 层 含 水
10、层 的水 质 可 能 会 有 明 显 的 不 同 ， 所 以 极 有 可 能 造 成 地 下水 污 染 。 而 一 旦 造 成 污 染 ， 又 是 极 难 治 理 的 。因 此 利 用 地 下 水 最 好 采 用 封 闭 的 地 下 水 回 路 系统 ， 也 就 是 宜 于 使 用 同 层 含 水 层 储 能 系 统 H 地 下 水从 储 能 井 抽 出 ， 热 （ 冷 ） 量 通 过 热 交 换 器 带 给 外 界 ， 再回 灌 回 同 一 含 水 层 。 由 于 地 下 水 处 于 完 全 封 闭 状 态 ，故 可 以 不 受 任 何 污 染 ， 并 且 可 维 持 地 下 水 水 位 ，
11、 避 免由 于 抽 用 地 下 水 引 起 的 地 面 沉 降 。典 型 的 同 层 含 水 层 储 能 系 统 原 理 如 图 % 所 示 ：3 夏 季 工 作 过 程能 源 研 究 与 利 用!# 年 第 $ 期%& 冬 季 工 作 过 程图 $ 含 水 层 储 能 原 理! 含 水 层 储 能 的 水 文 地 质 条 件!( $ 含 水 层 储 能 的 地 质 要 求储 能 含 水 层 必 须 具 备 灌 得 进 、 存 得 住 、 保 温 好 、抽 得 出 等 条 件 ， 才 能 达 到 储 能 的 目 的 。 因 此 ， 适 合 储能 的 含 水 层 的 水 文 地 质 条 件 ，
12、应 符 合 以 下 几 点 ：!水 层 具 备 一 定 的 渗 透 性 ， 但 地 下 水 流 缓 慢 ， 含水 层 厚 度 大 ， 贮 水 容 积 大 。水 层 中 地 下 水 热 交 换 速 度 缓 慢 ， 无 异 常 地 温梯 度 现 象 。#储 能 后 对 地 下 水 的 水 质 影 响 ， 应 向 好 的 方 向发 展 。$含 水 层 储 能 后 ， 不 能 引 起 其 他 不 良 的 水 文 地质 和 工 程 地 质 现 象 ， 如 地 面 沉 降 、 土 地 的 沉 陷 或 土 壤盐 碱 化 等 。!( ! 含 水 层 储 能 的 水 质 要 求含 水 层 储 能 的 回 灌 水
13、 源 ， 不 但 要 有 足 够 的 水 量 ，而 且 要 充 分 注 意 水 质 。 如 果 水 源 丰 富 ， 但 水 质 很 差 ，回 灌 后 会 使 地 下 水 遭 到 污 染 ， 回 灌 井 堵 塞 而 损 坏 。 因此 ， 回 灌 工 作 必 须 和 保 护 地 下 水 资 源 密 切 结 合 ， 如 果回 灌 水 水 质 不 符 合 标 准 时 ， 一 定 要 加 以 妥 善 处 理 。回 灌 水 如 果 含 有 不 良 成 分 ， 灌 入 地 下 含 水 层 以后 ， 可 能 发 生 以 下 三 种 作 用 ：!灌 水 中 杂 质 灌 入 含 水 层 以 后 ， 充 填 在 砂
14、 层 孔隙 中 。回 灌 水 与 铁 井 管 和 滤 水 管 发 生 电 化 学 和 化 学作 用 ， 产 生 各 种 沉 淀 物 ， 充 填 于 砂 层 的 孔 隙 中 ， 造 成回 灌 井 堵 塞 。#回 灌 水 中 的 有 害 成 分 和 多 种 盐 类 进 入 地 下 水中 后 ， 可 能 使 局 部 地 区 的 地 下 水 水 质 变 坏 或 受 污染 。确 定 回 灌 水 源 的 水 质 标 准 时 ， 必 须 比 原 地 下 水的 水 质 略 好 些 ， 最 好 达 到 饮 用 水 标 准 。 回 灌 不 应 引 起区 域 性 地 下 水 的 水 质 变 坏 和 受 污 染 ；
15、也 不 应 含 有 使井 管 和 滤 水 管 腐 蚀 的 特 殊 离 子 或 气 体 。& )*+, 系 统 对 环 境 影 响 的 评 估虽 然 )*+, 系 统 已 经 成 为 一 项 实 用 技 术 ， 但 是在 大 多 数 国 家 却 没 有 获 得 应 用 许 可 ， 其 主 要 原 因 就是 ， 政 府 担 心 系 统 运 行 后 会 对 周 围 环 境 尤 其 是 地 质环 境 造 成 较 大 的 影 响 。 随 着 对 这 项 技 术 的 深 入 认 识 ，不 少 科 研 机 构 对 系 统 运 行 后 的 周 围 环 境 进 行 监 测 ，以 此 评 估 其 对 周 围 环
16、境 的 影 响 ， 这 种 评 估 已 经 成 为含 水 层 储 能 研 究 中 不 可 或 缺 的 部 分 。)*+, 对 环 境 的 影 响 按 照 范 围 大 小 分 为 三 个 层次 ， 即 本 地 的 、 地 区 性 的 、 全 球 性 的 。 本 地 影 响 指 那 些只 对 方 案 的 物 理 边 界 内 的 区 域 产 生 影 响 ； 外 部 影 响或 称 为 地 区 性 影 响 指 对 方 案 物 理 边 界 外 的 区 域 也 产生 影 响 ； 全 球 性 影 响 包 括 全 局 性 的 评 估 ， 例 如 从 温 室气 体 排 放 减 少 中 获 得 的 利 益 等 。另 外 ， 国 外 的 许 多 文 献 中 都 使 用 域 的 概 念-$.来对 环 境 影 响 进 行 评 估 ， 任 何 )*+, 设 备 都 可 以 用 四个 域 来 描 述 ： 资 源 域 、 运 行 域 、 用 户 域 及 外 部 域 。资 源 域 包 括 含 水 层 、 储 能 的 地 质 媒 介 、 水 井
