上海地区含水层储能关键技术的研究

【摘要】：20世纪60年代，上海发明了含水层储能技术(aquifer thermal energystorage,ATES)，并进行了大规模的应用。该技术影响了整个世界，70年代全世界掀起了地下含水层储能热。然而，国外真正能进行含水层储能商业化运行的国家并不多，到90年代后期，大部分国家的含水层储能工作处于停止甚至后退状态，而荷兰的含水层储能应用呈加速发展状态。分析含水层储能技术发展，发现影响其可持续发展的因素很多，如当地是否拥有合适的含水层、政府对新技术的支持程度、含水层储能相匹配的能源解决方案、储能系统的经济性等，最重要的是含水层储能系统的地下水能否100%高效可靠地回灌和项目对地质环境影响的可控程度，这是含水层储能成功之关键。 论文从地学观点出发，就目前国内的地源热泵、浅层地热的地下部分的能量传递过程进行了分析，提出了地源热泵也属于地下储能的另一种应用，属于一种被动的应用。当地源热泵不能进行有效储能时，整个系统能效将会降低，达不到使用的需求。厘清这一概念，有助于暖通空调工程师能设计出更有效的系统，另外，也有助于对地下生态环境的保护。 论文分析了地下回灌难的技术问题和上海含水层储能方面的教训，并比较荷兰的成功经验，提出了一套新的回灌工艺，它包括抽水井与回灌井的设计、钻进工艺、成井工艺和地下水回路建造。井的设计需要考虑对环境、对出水的含沙量影响。为了保证井的质量，钻进工艺将采用气举反循环清水钻进的方法，成井时，为了防止腐蚀带来的堵塞，采用全塑料的井管和滤水管。滤水管的开缝大小、滤料的粒径与含水层砂粒径分布需要严格按照级配关系。为了避免空气侵入对回灌带来氧化物和气相堵塞，建议采用压力回灌的方式。本文认为，这些新工艺使用，将会大大提高井的质量和使用寿命，解决目前地下水回灌困难的技术难题。 为了能准确设计地下含水层储能系统、对井群分布与优化、储能系统的能效预测和评估含水层储能对环境的影响，论文建立了含水层储能的数学模型，并采用数值模拟，获得结论如下：（1）储能系统的冷热井群布置对水力半径有着显著的影响，通过适当的布置，可以减少项目水力影响范围；（2）储能系统的热冷井群布置对温度的影响范围变化并不大，但是对储能系统的效率影响，仍然待于深入研究；（3）储能系统的地下冷热平衡影响地下热环境，若达不到冷热平衡，沉积的冷量或热量会将温度的影响区间不断扩大，既影响系统的能效，也影响着地下的热环境。