含水層儲能系統（英語：Aquifer thermal energy storage，ATES）是一項將熱能儲存在地表下以及回收的節能技術。ATES 被廣泛應用在建築物來提供加熱和冷卻的能源，通過地下水井從含水土層抽取和灌入地下水，實現儲存和回收熱能。ATES 系統通常以季節性模式運作。地下水在夏季被抽取，使用熱交換器將熱量從建築物轉移到地下水，從而達到製冷的目的。隨後，加熱的地下水被注回到含水土層，形成了一個「地下熱水庫」。在冬季流向相反，加熱的地下水被提取用於加熱（通常與熱泵聯合運轉）。因此，使用 ATES 系統將能量臨時儲存在地表下，可以緩解季節性變化的加熱和冷卻需求。在取代傳統的依賴化石燃料加熱和冷卻系統的時候，ATES 作為一種經濟有效的技術可以減少建築物的主要能源消耗和相應的二氧化碳排放。

在 2009 年丹麥哥本哈根舉行的聯合國氣候變化大會裡，世界上很多國家和地區都制定了關於保護全球氣候變化的目標。歐盟同樣也制定了自己關於減少溫室氣體排放，增加使用可持續發展能源和提高能源利用率的目標。由於 ATES 在幫助實現這些目標里是可以提供極大的貢獻，因為大概 40% 左右的全球能量消耗是被用在建築物里來供暖或者供冷，所以 ATES 被關注得越來越多，而 ATES 的數量也有了極大的增加，尤其是在歐洲。例如在荷蘭，有報告預測在 2020 年的時候，ATES 的數量會上升到差不多 20,000。而這個數量的 ATES 系統可以幫助減少荷蘭 11% 左右的總二氧化碳排放量。除了荷蘭，比利時，德國，土耳其和瑞典等其他國家也有意增加 ATES 的應用。

 



系統類型

基本上，ATES 系統由兩個井組成（叫做雙井式儲能系統）。一個井用於儲存熱能量，另一個用於儲存冷能量。在冬季，（熱的）地下水從熱井中抽取出來，灌入冷井中。在夏季流向相反，（冷的）地下水從冷井中抽取出來，灌入熱井中。因為每個井都被用作抽取和灌入井，所以這個系統被叫做雙向系統。還有一種單向系統，這種系統不切換泵送方向，因此被抽出的地下水的溫度保持和普遍含水層的溫度一致。雖然熱能被儲存在地表下，通常這些儲存在含水層里的能源並沒有被特意提取。
熱能儲存也可以通過，在地埋管換熱器中循環一種流體來實現。這種系統通常由一個水平或垂直管道組成。由於這些系統不抽取或灌入地下水，和地下水層沒有水的交換過程，所以它們被稱為封閉系統，又被稱為 Borehole Thermal Energy Storage（BTES）或循環地源熱泵系統。另外一種使用地下熱能提供能量的應用叫做地熱能生產，它通常使用地下更深處的溫度更高的地熱。



發展歷史

在 20 世紀 60 年代，中國首次提出將熱能儲存在含水層中。之後大量的地下水被提取，用於提供工業設施的冷卻。這也導致了大量的地面沉降。為了抑制地面沉降，冷的地表水被注如回到含水層。之後的觀察發現，所存儲的水在被灌入之後仍保持低溫，可以用於工業冷卻。含水層中的熱能儲存，在 20 世紀 70 年代被進一步的研究，大量的野外實驗和可行性的研究在法國，瑞士，美國和日本開展。儘管 ATES 系統在全世界的數量和大小並沒有正式的統計信息，荷蘭和瑞士被普遍認識處於領導地位，尤其是在在其市場應用方面。2012 年，瑞典大約有 104 ATES 系統，提供 110 兆瓦的總容量。同年，有 2740 個 ATES 系統在荷蘭建設，大約提供 1103 萬千瓦的總容量。



典型特徵

應用在商業、辦公等大樓里的 ATES 系統中，普遍使用的抽、灌井流量大概在 20-150 立方時。一年中，每口井的地下水存儲和回收的總額在 10000 到 150000 立方米之間。ATES 應用的深度通常在地表下 20 到 200 米之間。這個深度的溫度非常接近年平均地表溫度。在溫和氣候地區，地表溫度大約 10 攝氏度。在這些地區中，冷井大約在 5 到 10 攝氏度，熱井大約在 10 到 20 攝氏度。也有少量的工程項目報導，熱量被存儲在 80 攝氏度以上。



水文地質限制

通過使用 ATES 節約能源，很大程度上依賴於建設地點的地質。最重要的是，ATES 需要一個合適的含水層，能夠接收並產生水。因此，通常選擇厚的（>10 米）沙質含水層。在儲存過程中，天然地下水流可以輸送（一部分的）井捕獲區之外的存儲能量。為了減少對流熱量損失，具有低水力梯度的含水層是首選。另外，需要避免將 ATES 應用在擁有不同地質化學條件的土層里。因為由於 ATES 的運行， 這些在不同地址化學條件土層里的地下水會混合在一起，某些氧化還原反映可能會進行，從而有可能會使雙井堵塞，最終導致 ATES 運行效率的降低和維護維修費用的上升。



法律規範

對於淺層地熱裝置（<400 米）的法律規範在各個國家都不相同。對於井的安裝條例，規定了對於危險材料的使用和鑽孔的正確回填，從而避免含水層之間的水力短路。另外還有其他法規，涉及到保護提供飲用水源的地下水域。一些國家規範了最低和最高儲存溫度限制，例如奧地利（5-20 攝氏度），丹麥（2-25 攝氏度），荷蘭（2-25 攝氏度）。還有一些國家規定了地下水溫的最大變化範圍，比如瑞士（3 攝氏度），法國（11 攝氏度）。



與氯化乙烯的干擾

現在 ATES 是不允許應用在受污染的含水層，因為人們擔心 ATES 的運作會造成地下水污染物的擴散，進而導致作為重要飲用水來源的地下水的質量降低，特別是在城市地區。儘管有規範來防止 ATES 和地下水污染物的相互干擾，但是考慮到 ATES 數量的極快上升和原位治理相對緩慢的進度，ATES 和污染物在含水層的遭遇還是在逐步上升。其中作為常見的地下水污染物，氯化乙烯因為普遍存在和 ATES 系統相似的地下深度，它對 ATES 的干擾是最有可能的。而且當氯化乙烯以重非水相液體（DNAPLs）存在時，ATES 對其可能造成的增加溶解作用會使地下水質量問題變得更嚴重。



在污染地區應用的可能性

那些 ATES 和下水污染物氯化乙烯相互干擾可能性也被看成是一個關於可持續發展能源技術的利用和地下水可持續發展管理相結合的機會。2009 年，荷蘭一個名為「更多的利用潛在含水層能源」（Meer met Bodemenergie，MMB）的項目第一次提出關於 ATES 和強化生物修復相結合的概念。而且這其中的科學性和實用性是這個有前景性的結合概念的存在的基礎。其中包括：熱井周圍上升的溫度可以增強氯化乙烯的還原脫氯作用。雖然冷井的低溫度會抑制生物降解，但是由於 ATES 的季節性運作，污染物可以從冷井被移動到熱井進而被降解。另外這個季節性運作還可以對含水層的環境條件起到均勻化作用。而 ATES 也可以作為一種強化生物修復的工程工具，例如可以用來灌入電子提供載體或者微生物來促進還原脫氯作用。最後，ATES 30 年的有效使用限期也和原位生物修復的長期性也很適合結合。



社會影響

ATES 和促進自然生物降解的結合理念（ATES-ENA）大有可能可以在荷蘭和中國里，尤其是在城市範圍內廣泛應用。這些城市區域都普遍存在有機地下水污染物。而按目前的情況來說，這個結合技術在荷蘭有可能會更快一些地被應用，因為 ATES 的技術與應用在荷蘭已經比較成熟。而且荷蘭存在的 ATES 和地下水污染物相互重疊的情況也使得這個結合技術應用的需求加快。但對於中國來說，即使中國在 ATES 方面的反正落後於荷蘭，但是優勢在於在真正實施技術之前，可以建立更多的試驗性的大型項目來更全面的研究，還有因為相對於荷蘭沒有很緊張的地下水層利用，這個結合系統在中國的應用可以更靈活些。對於將來可持續城市發展，ATES-ENA 結合技術可以為同時解決能源和環境問題帶來貢獻。



參考文獻