含水层热能储存

含水层热能储存(ATES)是地下热能的储存和回收。ATES用于为建筑物提供供暖和制冷。热能的储存和回收是通过使用地下水井从含水层中提取和注入地下水来实现的。系统通常以季节性模式运行。夏季抽取的地下水通过热交换器将热量从建筑物转移到地下水，用于冷却。随后，加热的地下水被注入含水层，从而形成加热地下水的储存。在冬季，流动方向相反，这样加热的地下水就会被提取出来并用于供暖（通常与热泵结合使用）。因此，运行ATES系统使用地下作为临时存储来缓冲供暖和制冷需求的季节性变化。在更换传统的依赖化石燃料的加热和冷却系统时，2009年丹麦哥本哈根联合国气候变化大会上，许多国家和地区制定了全球气候保护目标。欧盟还制定了减少温室气体排放、增加使用可持续能源和提高能源效率的目标。对于这个目标，ATES实际上可以做出重大贡献，因为全球约40%的能源消耗由建筑物完成，主要用于供暖和制冷。因此，ATES的发展备受关注，ATES的数量急剧增加，尤其是在欧洲。例如，在荷兰，据估计到2020年可以实现约20,000个ATES系统。对于荷兰的目标，这可以减少约11%的二氧化碳排放量。除了荷兰、比利时、德国、土耳其，只要气候条件和地质水文条件合适，ATES可以在全球范围内应用。随着ATES系统在城市地区的累积，地下空间的优化需要关注具有合适条件的地区。

在其基本形式中，含水层热能储存系统由两个孔（称为双峰）组成。一口井用于储热，另一口用于冷库。在冬季，从蓄热井中抽取（温）地下水并注入蓄冷井。在夏季，流动方向反转，使得（冷）地下水从蓄冷井中提取并注入蓄热井。因为每口井都用作提取井和注入井，所以这些系统被称为双向系统。还有单向系统。这些系统不会切换抽水方向，因此地下水总是在自然含水层温度下提取。尽管热能存储在地下，但通常无意取回存储的能量。热能存储也可以通过使流体循环通过埋地热交换器来实现，该热交换器通常由水平或垂直管道组成。由于这些系统不抽取或注入地下水，因此它们被称为封闭系统，被称为钻孔热能储存或地源热泵。使用地下提供热能的另一种热应用是地热能生产，它通常使用温度较高的较深的地下。

1960年左右，中国首次报道蓄意蓄积蓄水层的热能。xxx套ATES系统是在上海为工业冷却而建造的。在那里，大量的地下水被提取出来，特别是为纺织厂提供冷却。这导致了大量的地面沉降。为了抑制沉降，将冷的地表水注入含水层。随后，观察到储存的水在注入后保持冷态，可用于工业冷却。1970年代进一步建议在含水层中储存热能，这导致在法国、瑞士、美国和日本进行了现场试验和可行性研究。没有关于全球ATES系统数量和规模的官方统计数据。然而，目前全球有超过2800个ATES系统在运行，每年提取超过2.5TWh的供暖和制冷。荷兰和瑞典被认为在实施方面占据市场主导地位。85%的系统位于荷兰，另外10%位于瑞典、丹麦和比利时。2012年，瑞典大约有104个ATES系统，总容量为110兆瓦。同年荷兰的ATES系统数量为2740个，估计总容量为1103MW。

公用事业部门典型应用的流速为每口井20至150立方米/小时。一年内储存和回收的地下水总量一般在每口井10000m3到150000m3之间变化。应用ATES的深度通常在地表以下20到200米之间变化。这些深度的温度通常接近年平均地表温度。在温和的气候中，温度约为10°C。在这些地区，冷藏温度通常在5到10°C之间，而热量储存在10到20°C之间。尽管频率较低，但也有一些项目报告将热量储存在80°C以上。

ATES可以实现的节能很大程度上取决于场地的地质情况。主要是，ATES需要存在能够接受和产生水的合适含水层。因此，选择厚（>10m）砂质含水层。在储存阶段，天然地下水流可以将（部分）储存的能量输送到井的捕获区之外。为了减少对流热损失，优选具有低水力梯度的含水层。此外，应避免地球化学成分的梯度，因为不同地球化学成分的水混合会增加堵塞，这会降低井的性能并导致维护成本增加。

ATES目前不允许在受污染的含水层中应用，因为污染物可能会在地下的地下水中扩散，尤其是在城市地区。这将导致地下水质量恶化，而地下水也是饮用水的重要来源。尽管制定了防止ATES与地下水污染物之间干扰的规定，但由于ATES数量的迅速增加和城市地区地下水污染修复进展缓慢，它们遭遇的可能性正在上升。在常见的地下水污染物中，氯化乙烯最有可能干扰ATES系统，因为它们通常在与ATES相似的深度被发现。当氯化乙烯以致密非水相液体(DNAPLs)存在时，

ATES和氯化乙烯之间可能存在的干扰也被视为可持续能源技术与可持续地下水管理相结合的机会。ATES与增强型生物修复的结合首先在2009年荷兰的“更多地表能源”（MeermetBodemenergie,MMB）项目中引入。一些科学和实践的基本原理是将这种结合视为一种有希望的可能性的基础。暖井周围温度升高可以增强氯化乙烯的还原脱氯作用。虽然冷井的低温会阻碍生物降解，但ATES的季节性操作可以将污染物从冷井转移到热井，从而加快生物降解速度。这种季节性的地下水输送也可以使环境条件同质化。ATES也可用作生物刺激剂，例如注入还原脱氯所需的电子供体或微生物。最后，ATES的使用寿命（30年）符合原位生物修复的长持续时间。

ATES和增强自然衰减（ATES-ENA）的组合概念可以在荷兰和中国使用，特别是在城市化地区。这两个国家的这些地区都面临着地下水的有机污染。目前，该组合理念可能更适用于ATES技术和应用较为成熟的荷兰。ATES和地下水污染之间的重叠也促进了对这种组合技术的需求。然而，对于ATES与荷兰相比落后得多的中国来说，重要的优势是可以在实际应用之前建立更多的示范试点项目，并且可以开发灵活的系统，因为地下使用的压力较小ATES与荷兰相比。为了城市的可持续发展，