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城市綜合體包括一座五星級酒店、二座高級公寓和商業中心，建筑面積為35萬平面。含水層儲能/地下水源熱泵技術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。項目地處西安高新區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。若采用地下水能源系統，必需在技術和工藝有所突破與創新。作為項目的先期，我們對原中科院地球環境研究所的暖通系統的冷熱源用含水層儲能技術進行改造，目的：
1. 是展示含水層儲能新技術、新工藝的可行性，尤其是解決國內普遍存在的地下水回灌難的問題。
2. 地質勘探、鉆進和成井工藝試驗，為正式項目提供設計和施工依據。
（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
淺層的地下環境溫度是冬暖夏涼，適合暖通空調系統的冷熱能的儲存。在冬季，從“熱井”抽出的熱的地下水經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，整個過程周而復始，含水層儲能實現了“冬冷夏用”、“夏熱冬用”的季節性儲能。
與地下水源熱泵系統相比，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冷熱需求量精心設計儲能系統，基于“量入而出”的原則，需要精心計算存取冷熱量，并根據含水層的性質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. 從地質環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，對地質環境的影響也一樣。
2. 二者都會采用熱泵，即當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。
當然，含水層儲能和地下水源熱泵如此相似，涉及的學科之多，即使業內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，有時業內將含水層儲能稱為地下水源熱泵的升級版。
含水層儲能/熱泵系統特點
1. 成井工藝：采用先進的全液壓頂驅氣舉反循環車載鉆機，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，并用高質量的粘土球進行嚴格封井，以防異物的侵入。根據當地的地質環境要求，取水段在地下50米以下。井水的泥砂含量小于20億分之小，遠低于國家標準的20萬分之一。
2. 地下水系統：采用全密封的地下水對井系統，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。系統配置了液位、壓力、溫度和流量傳感器組成的監控系統，以確保系統的正常運行和故障的早期預警。
3. 熱泵機組供熱功率630kW。系統設計（不含末端泵）供熱時的COP為4.2，供冷COP為15.2。
系統于2015年12月投入運行至現在，地下水系統抽灌正常，實現了地下水的100%回灌。除了控制系統外，全部采用國產的設備。由于系統的末端仍采用舊的風機盤管系統，使得含水層儲能的潛力未能得到充分的體現。但與原系統的空氣源熱泵系統相比，節電效果顯著，在60%以上。
2017年12月18日，在《暖通空調》雜志舉辦的“首屆暖通空調青年論壇”上，中國中元國際工程有限公司賀繼超高工作了題為《多能互補在區域能源中的應用》的報告。介紹了區域能源發展的3個階段，簡述了多能互補的關鍵技術，如燃氣“冷熱電”三聯供技術、地源熱泵技術、地下含水層儲能技術、綠電蓄熱技術、能源智能化管理和工業建筑的人文設計。
中國中元國際工程有限公司賀繼超高工
賀繼超高工在“首屆暖通空調青年論壇”上作的《多能互補在區域能源中的應用》
