含水層熱能儲存(ATES)是地下熱能的儲存和回收。ATES用于為建筑物提供供暖和制冷。熱能的儲存和回收是通過使用地下水井從含水層中提取和注入地下水來實現的。系統通常以季節性模式運行。夏季抽取的地下水通過熱交換器將熱量從建筑物轉移到地下水，用于冷卻。隨后，加熱的地下水被注入含水層，從而形成加熱地下水的儲存。在冬季，流動方向相反，這樣加熱的地下水就會被提取出來并用于供暖（通常與熱泵結合使用）。因此，運行ATES系統使用地下作為臨時存儲來緩沖供暖和制冷需求的季節性變化。在更換傳統的依賴化石燃料的加熱和冷卻系統時，2009年丹麥哥本哈根聯合國氣候變化大會上，許多國家和地區制定了全球氣候保護目標。歐盟還制定了減少溫室氣體排放、增加使用可持續能源和提高能源效率的目標。對于這個目標，ATES實際上可以做出重大貢獻，因為全球約40%的能源消耗由建筑物完成，主要用于供暖和制冷。因此，ATES的發展備受關注，ATES的數量急劇增加，尤其是在歐洲。例如，在荷蘭，據估計到2020年可以實現約20,000個ATES系統。對于荷蘭的目標，這可以減少約11%的二氧化碳排放量。除了荷蘭、比利時、德國、土耳其，只要氣候條件和地質水文條件合適，ATES可以在全球范圍內應用。隨著ATES系統在城市地區的累積，地下空間的優化需要關注具有合適條件的地區。

在其基本形式中，含水層熱能儲存系統由兩個孔（稱為雙峰）組成。一口井用于儲熱，另一口用于冷庫。在冬季，從蓄熱井中抽取（溫）地下水并注入蓄冷井。在夏季，流動方向反轉，使得（冷）地下水從蓄冷井中提取并注入蓄熱井。因為每口井都用作提取井和注入井，所以這些系統被稱為雙向系統。還有單向系統。這些系統不會切換抽水方向，因此地下水總是在自然含水層溫度下提取。盡管熱能存儲在地下，但通常無意取回存儲的能量。熱能存儲也可以通過使流體循環通過埋地熱交換器來實現，該熱交換器通常由水平或垂直管道組成。由于這些系統不抽取或注入地下水，因此它們被稱為封閉系統，被稱為鉆孔熱能儲存或地源熱泵。使用地下提供熱能的另一種熱應用是地熱能生產，它通常使用溫度較高的較深的地下。

1960年左右，中國首次報道蓄意蓄積蓄水層的熱能。xxx套ATES系統是在上海為工業冷卻而建造的。在那里，大量的地下水被提取出來，特別是為紡織廠提供冷卻。這導致了大量的地面沉降。為了抑制沉降，將冷的地表水注入含水層。隨后，觀察到儲存的水在注入后保持冷態，可用于工業冷卻。1970年代進一步建議在含水層中儲存熱能，這導致在法國、瑞士、美國和日本進行了現場試驗和可行性研究。沒有關于全球ATES系統數量和規模的官方統計數據。然而，目前全球有超過2800個ATES系統在運行，每年提取超過2.5TWh的供暖和制冷。荷蘭和瑞典被認為在實施方面占據市場主導地位。85%的系統位于荷蘭，另外10%位于瑞典、丹麥和比利時。2012年，瑞典大約有104個ATES系統，總容量為110兆瓦。同年荷蘭的ATES系統數量為2740個，估計總容量為1103MW。

公用事業部門典型應用的流速為每口井20至150立方米/小時。一年內儲存和回收的地下水總量一般在每口井10000m3到150000m3之間變化。應用ATES的深度通常在地表以下20到200米之間變化。這些深度的溫度通常接近年平均地表溫度。在溫和的氣候中，溫度約為10°C。在這些地區，冷藏溫度通常在5到10°C之間，而熱量儲存在10到20°C之間。盡管頻率較低，但也有一些項目報告將熱量儲存在80°C以上。

ATES可以實現的節能很大程度上取決于場地的地質情況。主要是，ATES需要存在能夠接受和產生水的合適含水層。因此，選擇厚（>10m）砂質含水層。在儲存階段，天然地下水流可以將（部分）儲存的能量輸送到井的捕獲區之外。為了減少對流熱損失，優選具有低水力梯度的含水層。此外，應避免地球化學成分的梯度，因為不同地球化學成分的水混合會增加堵塞，這會降低井的性能并導致維護成本增加。

ATES目前不允許在受污染的含水層中應用，因為污染物可能會在地下的地下水中擴散，尤其是在城市地區。這將導致地下水質量惡化，而地下水也是飲用水的重要來源。盡管制定了防止ATES與地下水污染物之間干擾的規定，但由于ATES數量的迅速增加和城市地區地下水污染修復進展緩慢，它們遭遇的可能性正在上升。在常見的地下水污染物中，氯化乙烯最有可能干擾ATES系統，因為它們通常在與ATES相似的深度被發現。當氯化乙烯以致密非水相液體(DNAPLs)存在時，

ATES和氯化乙烯之間可能存在的干擾也被視為可持續能源技術與可持續地下水管理相結合的機會。ATES與增強型生物修復的結合首先在2009年荷蘭的“更多地表能源”（MeermetBodemenergie,MMB）項目中引入。一些科學和實踐的基本原理是將這種結合視為一種有希望的可能性的基礎。暖井周圍溫度升高可以增強氯化乙烯的還原脫氯作用。雖然冷井的低溫會阻礙生物降解，但ATES的季節性操作可以將污染物從冷井轉移到熱井，從而加快生物降解速度。這種季節性的地下水輸送也可以使環境條件同質化。ATES也可用作生物刺激劑，例如注入還原脫氯所需的電子供體或微生物。最后，ATES的使用壽命（30年）符合原位生物修復的長持續時間。

ATES和增強自然衰減（ATES-ENA）的組合概念可以在荷蘭和中國使用，特別是在城市化地區。這兩個國家的這些地區都面臨著地下水的有機污染。目前，該組合理念可能更適用于ATES技術和應用較為成熟的荷蘭。ATES和地下水污染之間的重疊也促進了對這種組合技術的需求。然而，對于ATES與荷蘭相比落后得多的中國來說，重要的優勢是可以在實際應用之前建立更多的示范試點項目，并且可以開發靈活的系統，因為地下使用的壓力較小ATES與荷蘭相比。為了城市的可持續發展，