陈泽民：岩土储能的原理及其应用

万江新能源股份有限公司成立于2008年，总部位于河南省郑州市，是由三全食品创始人陈泽民先生出任董事长，三峡资本、青岛元盈纵信、河南航空港公用事业投资集团有限公司等央企、国企出资占股的混合所有制企业，是全国率先涵盖“从浅层到中深层，从单一地热到多能耦合”的全能型地热开发高新技术企业，致力于构建清洁能源上下游的新兴产业链，包含系统方案与设计、装备研发、集成系统与施工管理一体化服务体系，提供区域公用、民用建筑供暖、制冷整体解决方案。

《中国地热》编委、三全食品创始人、万江新能源股份有限公司董事长陈泽民
岩土储能的原理及其应用
文 | 陈泽民

一、岩土储能原理

岩土体具有一定的热容量和导热性能，岩土储能（Borehole Thermal Energy Storage, BTES）是一种利用地下岩土的热容量来储存能量的技术。其核心原理是将热量或冷量储存在地下岩土中，并在需要时提取这些能量用于供暖或制冷。岩土储能循环利用技术的核心在于利用岩土的热储效应，将岩土作为“储能宝”，在不同季节进行能量的储存和提取：夏季储热：在夏季将环境热量通过换热管储存到地下岩土中供冬天取暖用。冬季储冷：在冬季将冷量储存到地下，供夏季制冷使用。

根据地下温度的变化，地表通常被划分为四个地温带：

温度日变化带：受地表气温的剧烈变化影响，其温度日变化幅度也较大，高则可达50～70℃，变化深度范围一般不超过1米。

温度年变化带：受季节性气温变化影响，深度范围一般不超过20米。

恒温带：距离地表最浅的年温度变化小于0.1℃的带，也称常温带或中性带，深度一般20m左右。

地热增温带：在恒温带以下，地层温度随深度增加而升高，一般每深100米，温度大约上升3度。

地表温度变化对浅层地层温度的影响：在温度日变化带和年变化带内，浅层地层温度会随着地表温度的变化而变化。例如，在气温变化剧烈的地区，浅层地层的温度变化幅度可达50～70℃。

季节性变化显著：浅层地层温度的季节性变化与地表温度的季节变化密切相关。在冬季，地表温度较低，浅层地层温度也会相应降低；而在夏季，地表温度升高，浅层地层温度也会随之升高。

“深度越深，影响越小：随着深度的增加，地表温度变化对地层温度的影响逐渐减弱。在20米以下的恒温带，地层温度基本不受地表气温影响。但通过技术手段，把浅层地表作为储能宝，把夏天冬天的热和冷，存储在300米内的岩土中，供反季节循环使用。”

中国地表温度的最高值通常出现在夏季高温天气期间。例如，在2024年6月13日，北方多地出现极端高温天气，部分地区地表温度超过69℃，其中新疆吐鲁番、河南沁阳和陕西西安的地表温度更是达到72℃及以上。在2023年6月25日，河北霸州的地表温度曾达到72.4℃。中国地表温度的最低值通常出现在冬季，尤其是在高纬度和高海拔地区。例如，东北地区多年冻土的年均温度大多在-1.5℃到0℃之间，最低可达-4.2℃。在青藏高原等高海拔地区，多年冻土的年均温度最低可达-5℃到-4℃。中国冻土层的厚度因地区而异：东北地区：多年冻土厚度一般在50米以下，最厚可达百米。西部高山和高原地区：如青藏高原，冻土厚度可达一二百米。中国地表温度的极端值和冻土层厚度因地区和季节差异而有所不同。

二、岩土储能应用

三门峡地坑院，也被称为“天井院”，是中国北方独特的传统民居形式，被誉为“地下四合院”，距今已有约4000年的历史。这种建筑形式主要分布在河南三门峡市陕州区、山西运城、甘肃庆阳和陕西部分地区。其中，三门峡陕州区的地坑院保存最为完好，至今仍有100多个地下村落、近万座天井院，许多村民仍居住其中。

地坑院是在平整的黄土地上向下挖掘7米左右深的方形或长方形土坑，然后在坑壁上凿出数个窑洞。其中一孔窑洞被挖成斜坡，形成通向地面的通道，称为“门洞”，是地坑院的入口。地坑院内还设有专门的排水系统，如渗水井和拦马墙，用于防止雨水倒灌。地坑院因其独特的建筑结构和保温性能，地坑院的年平均温度约为15℃左右，具有“冬暖夏凉”的特点，被誉为“天然空调，恒温住宅”。地坑院的温度变化相对稳定，受外界气候影响较小，是理想的居住环境。由于地坑院的保温性能好，冬季不需要过多的取暖设备，夏季也不需要空调，大大减少了能源消耗。这种自然的温度调节方式不仅节省了电力和燃料，还减少了碳排放。
万江新能源采用新技术、新材料、新方法，利用岩土储能的特性，在多个项目中成功应用了岩土储能技术，实现了高效、环保的冷暖双供：郑州中牟县万江零碳能源港：该项目采用中深层地热井下换热技术和岩土储能循环利用技术，摆脱了对地下水的依赖，实现了地热能的高效可持续利用。北京新机场高速公路服务区：该项目是北京地区首个采用岩土储能循环利用系统的冷暖双供项目。通过将夏季的热量储存到地下用于冬季供暖，将冬季的冷量储存到地下用于夏季制冷，该技术大幅减少了打井数量，节约了施工场地面积。节能效果显著：与传统中央空调供冷技术相比，夏季节能量达到30%。与燃气供暖方式相比，冬季能源效率提升了4倍。

万江新能源采用岩土储能技术，通过同轴套管结构实现高效换热：外管吸热、内管隔热，换热介质在井下与岩土进行热量交换后，通过内管返回地面。采用表面改性或复合结构优化热传导路径。以北京新机场高速公路服务区项目为例，万江新能源的岩土储能项目运作流程如下：

项目于2024年9月开工，采用300米深度的岩土储能循环利用系统，通过创新的钻井技术和同轴套管结构，大幅减少了打井数量，节约了60%以上的施工场地，项目仅用两个月完成建设并投运，实现了当季建设当季投运。

系统在夏季将热量储存到地下，冬季提取热量用于供暖。通过智慧管控系统，实时监测和调节能源供应，确保高效运行。预计全年节约运营费用三分之一以上。
万江新能源的岩土储能技术广泛应用于公共建筑、交通枢纽和工业园区等场景：在交通枢纽领域，如北京新机场高速公路服务区，为服务区建筑提供冷暖双供；在工业园区领域，如华晨宝马地热能供暖项目，为工厂提供零碳供暖；在市政供暖领域，如中原农谷清洁能源集中供暖项目，为80多万平方米建筑提供清洁能源供暖。
通过冷热循环利用，显著提高了能源利用效率，岩土储能技术通过夏季储热、冬季取热，以及冬季储冷、夏季取冷的方式，实现了冷热能的高效循环利用。单井换热能力是传统地埋管的三倍以上，显著提高了能源利用效率。冬季能源效率提升了4倍，夏季节能量达到30%，整体能源利用效率远高于传统供暖制冷方式。
岩土储能技术实现了“取热不取水”，不依赖地下水资源，避免了传统地热供暖中可能引发的地下水位下降等问题。该技术大幅减少了碳排放，以每年新增或改造一亿平方米公共建筑为例，可减少约362万吨碳排放，替代约10亿立方米天然气用量，减少了对传统化石能源的依赖，大幅降低了碳排放。并且该技术不依赖地下水资源，实现了真正的“取热不取水”。

岩土储能技术大幅减少了打井数量和施工场地面积，缩短了建设周期，降低了建设和运营成本。项目运行后，运营成本大幅降低，具有显著的经济和社会效益。节约60%以上的施工场地面积，降低了建设成本。运营成本显著降低，项目运行后预计全年节约运营费用三分之一以上。以每年新增或改造一亿平方米公共建筑计算，每年可节省运营费用约55亿元。

岩土储能技术采用同轴套管结构，换热过程封闭运行，系统稳定性高。通过冷热平衡设计，解决了传统地埋管系统中冷热堆积问题。

岩土储能技术适用于多种场景，包括医院、学校、市政场馆、交通枢纽、工业园区等。例如，北京新机场高速公路服务区项目采用岩土储能技术，实现了当季建设当季投运的高效目标。

三、岩土储能技术应用展望

岩土储能技术作为一种清洁能源技术，为实现“双碳”目标提供了有力支持，推动了能源结构的绿色转型。万江新能源的岩土储能技术在能源利用效率、环境友好性、经济效益、系统稳定性、应用场景广泛性等方面均优于传统供暖方式，是未来清洁能源供暖制冷的重要发展方向。岩土储能技术作为地热能开发正逐渐在全国范围内推广。万江新能源等企业在技术研发和项目实施方面的成功经验，为推动我国能源结构转型和“双碳”目标的实现提供了有力支持。岩土储能技术具有广阔的应用前景，通过这些创新技术和项目实践，万江新能源为推动地热能的规模化应用和绿色低碳发展提供了重要示范可以在能源领域、建筑领域等多个方面发挥重要作用。随着技术的不断发展和完善，岩土储能的效率和经济性将进一步提高，为可持续发展做出贡献。

来源：《中国地热》杂志、地热加投稿邮箱：direjia@126.com