“向深地资源开发进军，”这是新时代发展号角！然而进军深地，需要解决地下工程中系列问题：如何高效解决深长距离的通风难题？如何克服地球深部的热害困扰？需要克服地下高水压涌入？如何解决软弱破碎地层的垮塌？-----。

1.储能让“液空”走进工程视野

随着世界以“双碳”发展目标和新能源技术的不断推进，以“空气”介质的储能技术正在迅速崛起。不仅是“空压储能”技术，“液空储能”技术也随即后起，且备受关注。

液空储能发电，一方面突破抽水蓄能在选址受限等局限，另一方面则克服化学储能在时效稳定、规模经济、材料环保等方面不足。而液空储能则以能量的高密度性，选址的灵活性、规模大小的适应性等优势迅速得到业界重视。

受到这一波液空技术革命激发，北京科技大学周晓敏团队结合团队历年在地层深冷冻结、矿山热害问题等研究的历史积累，2025年1月10日成功申请了发明专利（“一种热害矿井高效通风、降温、综合利用的新能源系统”），令人振奋的是2025年08月18日收到国家知识产权局发送的"授权办登通知书"，专利授权号ZL202510102934.4。

液空，顾名思义是一种液态下的空气，也是普通理工科人群能够理解的一种低温状态下空气，通过对空气的机械压缩和冷却等特殊过程获得，它是液态氮和液态氧的混合液体。纯液氮相变温度约-196℃，液氧相变温度-183℃，作为混合液体的液空，汽化温度是约-192℃。但长期以来在工业工程应用中，液态空气并不直接作为产品来应用，而是精馏出液氧、液氮、液氩等液体气体的中间产品。液空至今尚未至今未被工程所用，或者因为是液空自身价值应用的开发不足，或是因为其液氧液氮的混合液安全性问题。

2026年元月16-18日，仅仅1年时间，北京科技大学未来城市学院周晓敏教授团队在河北邢台南宫试验基地，成功开展了获得发明专利后的首例概化应用模型的试验研究，为下一步液空深冷技术的拓展应用奠定了一步坚实基础。

2. 畅想储能“液空”的几个应用点

随着大规模液化空气储能装备技术的日益成熟与造价降低，液态空气储能站正从独立的大型电站，走向与各类厂矿生产场景的深度融合，成为一种兼具能源调节与工业气体供应能力的多功能基础设施。

1. 储能“液空”助力发展新能源，降低用电成本

对于用电大户厂矿而言，自建或配套液空储能站，相当于拥有了一个巨型“电力海绵”。它可以在夜间谷电时段或光伏、风电出力高峰时充电液化，在白天电价高峰时段或新能源出力不足时放电发电，实现“低储高发”。这不仅能大幅平滑企业的用电曲线，降低综合用电成本，更能有效消纳当地不稳定的风、光绿电，提升新能源渗透率，为企业的绿色低碳转型提供关键支撑。

2. 储能“液空”助力厂矿自主供给液氮、液氧等深冷液体

液空储能系统自产“液态”空气。但单一的液空生产会导致过剩浪费，系统运行不安全或不稳定。但液空站也可拓展液空储存、分馏功能，可以便捷地提取一定纯度的液氮和液氧。不同纯度对应不同的工业应用：如钢铁冶炼、化工合成、金属加工、食品保鲜等需要大量工业气体的厂矿，这意味着一举多得：在完成储能的同时，实现了核心原料——工业气体的低成本、自主化供应，避免了外购气体高昂的成本和运输依赖，提升了供应链安全与生产弹性。

3. 储能“液空”助力厂矿的通风、空调的高质量

“液空”本质特征能保障形成的空气的纯洁，无杂物，且提供大量的“冷能”。通风、空调的目标是确保空气的温度、湿度、清洁度、含氧量达标。通风、空调与液空储能之间能够简单无缝连接，高效运行、减少浪费，提升整体稳定性。这不仅显著降低了夏季空调的电力负荷，实现了能源的梯级利用，更能为高温作业环境改善提供经济可行的解决方案。

4. 储能“液空”助力矿区深部采矿的热害防治和能量综合利用

深部矿井面临严峻的“热害”问题。传统的矿井降温效率低，“冷量”浪费严重。液空储能系统在矿井热害治理方面可发挥三重作用：一方面，液空将常规空气缩小了650多倍，大大减少传统“冷量”输送中“耗冷”接触面积，运输“冷量”更加高效；其次，气化产生的大量冷能可直接用于矿井工作面的通风系统，与深部各种降温技术耦合，更加高效治理热害，能产生1+1>2的功效，因为液空不仅降低采矿环境的温度，还能降低新风中的湿度，提高含氧量，降低粉尘，矿井环境空气质量大大提高，保障作业安全与生产效率；第三，液空不仅仅提供“冷量”，还可以在发挥降温功效中传递“能量”，进行压缩能与机械能的转换，减少储能的能量转换次数，降低采矿动力成本。

5. 储能“液空”助力地下工程的富水软岩的高效快速预加固

在隧道开挖或矿井建设中，遇到富水软岩地层极易引发涌水、坍塌。传统的深冷地层冻结依靠的是液氮。但是液氮在地下狭小空间操作存在“人员窒息”风险，深冷地层冻结技术在地下作业受到很大限制。用液空取代液氮，能根除地下用液氮进行深冷地层加固的“缺氧”风险，从而提高地下工程施工安全性、及时性和可靠性。

6. 储能“液空”助力地下硬岩的钻掘进

传统钻爆法基于炸药，在特定敏感环境（如城市附近、已有结构物旁）存在局限，非炸药爆破是一个发展方向。其次，利用液空气化瞬间产生的巨大压力或极低温导致的岩体脆化效应，与机械刀具配合，可发展新型破岩技术。例如，将液态空气注入岩体微孔后使其急速气化，利用相变膨胀应力使岩石破裂；或利用超低温射流作用于岩面，使岩石产生热应力裂纹而易于剥落。这为非炸药爆破、低震动、低粉尘的绿色掘进技术发展提供了新的技术选项。

综上畅想，液空储能已超越了单一的“储能”概念，正演变为一个集“调峰电站、气体工厂、制冷中心、工程冷源” 于一体的多功能工业节点。其与厂矿生产的深度融合，不仅能带来显著的经济效益与能源安全，更能为解决生产中的特定技术难题提供创新的能源与物质手段，展现出广阔的应用前景。

3.模型试验首探“液空”“脾气”

“液空”具有高密度能量、深冷冷量等诸多优秀特征，之所以还没有受到工程应用，除了时代技术背景的制约外，主要该物质是不常见，脱离大众的生活体验，长期受到低温冷源的刻板影响制约。

空气液化系列技术已经有近150年的历史了，液空、液空产品（液氧、液氮）在地面厂矿环境中的生产、运输与应用等技术已经相当成熟和安全了；在地面敞开环境使用“液空”，通常也不会令人生畏，但因其造价高难以应用。

然而“液空”在地下狭小空间中应用尚未开始，地下环境中的液空运输、汽化或分馏、通风降温、增氧除尘等的特性应用技术尚待开发。液空的地下工程应用，在安全性方面，往往受到液氮窒息和液氧助燃、超低温灼伤、高压爆炸等方面风险影响，这确实也不是普通或一般工业技术，需要步步为营地构建特殊的职业和技术规范。

北科大开展的首例液空模型试验，是基于地层深冷冻结为目的的。第一个问题是能否实现比液氮深冷地层冻结加固的更低成本或造价？第二个问题能否克服液氮在地下狭小空间使用的局限？

第一个问题是肯定的回答了。第二个问题回答目前国内外还没有经验和理论可参考，这是个跨学科的理论和技术难题，尽管还在工科理论范畴中。

第二个问题也是上述畅想“液空”应用点的共性难题。“液空”被利用时，从深冷变成常温，其中氧含量是如何变化的呢，存在哪些机制？略懂深冷液体的人员立马用到汽化相变温度知识，液空吸热汽化过程中，理论上液氮首先汽化，接下来涉及到一个问题：是否导致地下空间液空运输的不稳定，氧气或氮气的占比难以控制？这些过程中的任一环节不正常都立马会令人生畏，就像模电门一般地紧张起来。因此掌握“液空”的风险因素，状态监测，“液空”汽化规律是当务之急。即要摸清“液空”有哪些“脾气”？如何监测监控？

本次研究，土木专业的研究生们首先调研了“液空”储能电站的运行情况、学习研究了“液空”相关深冷液体的安全操作规程、运输和使用方法。设计了基于地层冻结器结构模型试验系统，在以测温、传热研究为基础上，增加了氧气含量监测，通过正交试验设计方法，研究各个气、液管径、汽化路径、环境温度等多因素影响。研究目的第一步是消除恐惧感，锻炼深冷过程操作技能，构建安全知识和技能；第二步，掌握模型试验理论，积累数据和问题，跨学科深化研究。

该项目研究是在国家自然科学重点基金《新型深冷人工地层冻结基础理论与关键技术研究》（项目批准号U24B2039）进行的，该课题由中国中煤能源集团资助，由中国矿业大学（北京）刘波教授领衔，北京科技大学、中煤邯郸特殊凿井处，三家产学研共同承担。

一年内完成《一种热害矿井高效通风、降温、综合利用的新能源系统》发明专利取证和第一步概化试验，这一进步应当是2026年取得了新年科研开门红，极大地激发在校研究生们的苦干实干、奋发有为的实践创新精神。

试验研究过程获得了北京科技大学首席深冷理论技术专家王立教授团队，河北邢台柏乡铸诚工矿、河北建投储能公司、中科院理化所、南宫安盛等企事业单位技术专家人员的大力支持。成功获得了第一批重要数据，为液空汽化过程中热交换规律、氧气占比的变化规律及其安全控制等研究提供了宝贵的实证。

图 1 中国首例液空深冷相变汽化应用试验现场图

责任编辑：kj005

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