一个利用废弃矿井打造的可持续能源中心：集抽水蓄能、太阳能热能和热泵系统于一体的低碳社区能源解决方案

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A sustainable energy hub from abandoned mines: Integrated pumped hydro, solar-thermal, and heat pump system for carbon-neutral communities

废弃矿井通过泵式水力发电、光伏-热电联产及储热泵系统改造为综合能源枢纽，实现电能、热能和冷能协同供应与碳中和。系统利用地下水库双功能储能在电力和热力传输中发挥核心作用，结合 valley 电价调度和光伏自发自用策略，年综合能效 COP 达 5.54，碳排放减少 80.6%，运营成本降低 77.4%。关键技术包括级联储水优化电网弹性、PVT 驱动的吸收式制冷系统（峰值制冷能力 6400kW）、储热泵多阶段协同运行控制。研究提出 north China 地区典型社区（建筑面积 12 万㎡）的能源自给率解决方案，电能自给率 98.6%，综合能源自给率 99.3%，验证了多能互补系统在寒区城市能源转型中的可行性。

　　
本研究针对全球能源低碳转型背景下，中国作为全球最大碳排放国提出"双碳"目标（2030年前实现碳达峰，2060年前碳中和）的国情，创新性地提出将废弃矿井改造为多能耦合型综合能源枢纽的系统方案。该研究通过整合地下抽水蓄能（UPHS）、光伏-光热（PVT）转换系统与储热泵技术，构建了涵盖电力、热力、冷量三位一体的新型能源系统架构，在技术集成、资源利用和生态修复方面取得突破性进展。

### 一、系统设计创新与技术集成
研究团队基于河北工程大学矿区废弃矿井的地理特征，设计出"三位一体"能源协同架构：
1. **多层级储水系统**：将废弃矿井改造为上下双功能储水层，上层作为抽水蓄能电站调节电力负荷，下层作为热交换介质稳定温度场。这种级联设计突破了传统单一储能介质局限，实现电力存储与热力调节的物理耦合。
2. **光热-储热耦合系统**：采用光伏-光热（PVT）板替代传统光伏组件，在转换电能的同时产生85℃高温热水，既提升能源利用率又为储热泵提供稳定热源。实测数据显示，PVT系统在日均4小时光照条件下可提供持续6-8小时的稳定热输出。
3. **智能调度算法**：开发基于时间电价机制的动态调度系统，通过三层控制逻辑（需求侧-设备侧-电网侧）实现能源流的多目标优化。系统在 valley 电价时段（日均16-20小时）实现94.3%的高效储能，显著降低电网依赖。

### 二、技术验证与运行性能
研究采用TRNSYS平台进行8760小时动态模拟，验证了系统在复杂工况下的可靠性：
1. **热力学性能**：储水层温度梯度稳定在11-35℃，较传统地源热泵提升12℃运行温度范围。HP系统在冬季平均COP达4.95，夏季提升至5.41，显著优于常规系统（3.5）。
2. **能源自给能力**：系统实现98.6%电力自给率，综合能源自给率99.3%。其中PVT发电占比58.5%，储水调峰贡献19.9%，电网辅助仅占3.4%。
3. **环境适应性**：通过地下储水层热惯性调节（热时间常数约2.3小时），成功应对北方地区极端温差（日较差达15℃）。模拟显示储水层温度波动范围控制在±4℃，满足HP系统高效运行需求。

### 三、经济效益与碳减排效益
1. **成本效益分析**：
- 运营成本较传统系统降低77.4%（从295万/年降至67万/年）
- 投资回收期8-10年，敏感度分析显示在电价波动±20%、折现率3-10%等极端条件下仍保持可行性
- 平准化能源成本（LCOE）降至0.42-0.46元/kWh，较市政电网降低24-26%

2. **碳减排绩效**：
- 年碳排放量1.9万吨（传统系统9.5万吨），减排率80.6%
- 通过多能源耦合实现全生命周期碳排放强度下降63%，其中光伏占比51%，储水调峰贡献28%，热泵协同优化19%
- 峰谷电价利用率达94.3%，显著提升能源利用效率

### 四、社会经济效益与生态价值
1. **矿区再生模式**：将废弃矿井改造为年产2.22×10^6 kWh的电力存储基地，同时创造60-80个就业岗位，推动矿区经济转型。
2. **热环境改善**：通过储水层温度调控，社区冬季供暖能耗降低42%，夏季制冷能耗下降35%，热舒适度提升28%。
3. **生态修复协同**：储水层容积达6万立方米，年可吸收矿区扬尘1.2万吨，同时种植耐盐碱植物促进土地复垦。

### 五、技术经济性突破
研究团队在以下方面实现创新突破：
1. **多能源耦合机制**：首次将抽水蓄能、光热转换、储热泵进行物理空间耦合，系统综合效率达82.7%（传统系统约50%）。
2. **储水层双功能设计**：通过水力-热力耦合模型，储水层同时承担电力存储（峰谷调节）和热源/冷源（温度缓冲）双重功能，设备利用率提升至91.3%。
3. **智能调度系统**：开发基于深度强化学习的多能流协调算法，实现：
- 电力侧：97.5%的PVT自发自用率
- 热力侧：85℃高温热水与7℃冷水双流供应
- 负荷侧：与建筑热工特性匹配的耦合系数达0.83

### 六、规模化应用前景
研究团队已完成2000m2示范工程验证，预测在以下场景可实现技术复制：
1. **矿区改造**：中国预计2030年仍有15万座废弃矿井，若采用本技术可形成年减排量2.8亿吨的潜力。
2. **工业园区**：适用于年耗能5000万kWh以上的园区，通过余热回收可降低30%能源成本。
3. **生态城市**：在长三角、京津冀等区域推广，可构建"区域能源互联网"，实现区域内80%能源自给。

### 七、未来研究方向
1. **多技术耦合**：探索储氢、压缩空气储能等技术的集成应用，目标提升综合能源效率至85%以上。
2. **全生命周期评估**：建立涵盖建设期、运营期、退役期的LCA模型，优化材料选择。
3. **数字孪生系统**：开发基于物联网的实时仿真平台，实现系统运行优化（预测精度达92%）。

该研究不仅为矿区可持续发展提供技术范式，更开创了多能耦合系统设计的新思路，其核心价值在于：
- 物理空间耦合：储水层同时满足电力存储与热交换需求
- 时间维度耦合：峰谷电价机制与建筑热负荷周期匹配
- 空间维度耦合：地下储水层与地上光伏形成立体能源网络

这种"地下储水-地上光伏-地面能源站"的三维协同架构，为全球矿区再开发提供了可复制的技术方案，对实现《巴黎协定》1.5℃温控目标具有重要实践价值。