深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为:裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水量分段压裂,可以提高注水井与生产井的连通能力。通过优化压裂工艺,采用多段压裂模式,每次压裂初始期间快速提高注水速率,而后期缓慢降低注水速率,避免井筒压力的突然波动,可以达到控制诱发地震震级的目的,避免产生实质性伤害地震。结合可再生能源大规模地下存储,既能实现多能互补,又能提高REGS项目生产寿命和盈利能力。研究成果有助于为我国深部地热能热电联产和储能一体化技术的试点和标准化推广奠定基础。

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

屋顶光伏—土壤源热泵系统在不同气候区分娩猪舍的应用

可再生能源逐步替代常规能源,是规模化猪场未来的趋势。为了探索土壤源热泵系统(ground-coupled heat pump systems,GCHPs)和附加光伏屋顶(building attached photovoltaic, BAPV)系统在规模化猪场的应用,该研究提出一种屋顶光伏—土壤源热泵系统(building attached photovoltaic-ground-coupled heat pump systems,BAPV-GCHPs)保障某分娩猪舍的冷/热需求,并选择绥化、青岛和重庆分别作为严寒、寒冷和夏热冬冷地区3类典型气候区代表城市,对比了该系统在3类气候区的运行特性,分析了BAPV系统对GCHPs运行性能及综合效益的影响。研究结果表明,3个地区BAPV发电量由大到小依次为:青岛、绥化、重庆;GCHPs耗电量由大到小依次为:绥化、青岛、重庆;绥化、青岛、重庆3个地区的年太阳能分数分别为0.62、0.71、0.53;BAPV系统的加入明显提高了GCHPs的性能系数、一次能源利用率和CO_(2)减排量;3个地区BAPV-GCHPs相对于GCHPs年性能系数分别提高了64.2%、97.6%和39.6%;一次能源利用率分别提升了1.6倍、2.4倍和1.1倍。与GCHPs相比,BAPV-GCHPs可分别减少5.82、6.45和2.17 t CO_(2)排放量。研究结果为该系统在中国不同气候区分娩猪舍的推广应用提供了一定参考。

基于响应面法的矿用翅片管空冷器参数优化

矿用空冷器是矿井降温系统常用的末端设备,优化矿用空冷器换热性能对提升矿井降温系统能效具有重要意义。采用Fluent建立了平直翅片管矿用空冷器模型,研究了翅片间距、翅片厚度、横向管间距和纵向管间距对传热因子、阻力因子和综合性能评价指标的影响规律;采用Box-Behnken响应面法,分析了双参数协同作用下传热因子、阻力因子和综合性能评价指标变化规律。结果表明:随着翅片间距、横向管间距的减小,以及翅片厚度增加,传热因子、阻力因子和综合性能评价指标逐渐增加;综合性能评价指标则随纵向管间距的增加而先增加后降低;横向管间距、翅片厚度是影响空冷器传热及流动性能最显著的两个参数,而翅片间距、纵向管间距的影响最小;得到了平直翅片管矿用空冷器的最优参数,传热因子提升16.3%、阻力因子增加26.3%、综合性能评价指标提升8.3%。研究结果可为矿用翅片空冷器设计参数优化提供指导。

美国FORGE计划犹他州干热岩开发示范项目进展综述

21世纪是全球能源获取方式发生重要变化的时代。现有以煤炭、石油、天然气等传统资源为基础的能源正在逐渐被风能、太阳能、生物质能、地热能等环境友好、低排放的绿色能源所取代。干热岩是一种不含原生水(或含少量水但不能流动)的高温地热资源,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量相当可观的地热能。本文以美国能源部正在组织实施的FORGE计划犹他州干热岩示范项目为研究对象,综述了项目在场地地质条件表征、基础设施建设等方面取得的主要进展与成果,总结了项目在高温硬岩钻井、储层建造、微震监测等方面取得的广泛且深入认识,从统筹部署、组织实施、场地表征和设施建设、关键技术装备突破、数据共享等方面提出了值得我国借鉴参考的具体实践。

严寒地区空气源热泵耦合电磁能系统模拟运行研究

目的 为了促进空气源热泵耦合电磁能供热系统在严寒地区住宅建筑中的应用,研究该系统的运行性能和稳定性。方法 以沈阳地区某住宅建筑为例,应用Trnsys软件建立了空气源热泵耦合电磁能供热系统仿真模型,并用实测值对模型进行了验证;深入探讨空气源热泵耦合电磁能供热系统在供热期的运行特点,并与空气源热泵和电磁能供热系统分别进行比较。结果 空气源热泵耦合电磁能供热系统模型可靠,相对误差可以控制在15%以内;在供热期,室内平均温度可保持在17.97~21.84℃;空气源热泵耦合电磁能供热系统比电磁能供热系统的COP提高了59.17%,空气源热泵耦合电磁能供热系统CO_(2)减排量比空气源热泵和电磁能供热系统分别提高1.47%和59.50%。结论 空气源热泵耦合电磁能供热系统运行和COP变化更为稳定,系统环境效益更佳,室内热舒适性更高。

井下流体抽注强制对流作用下超长重力热管地热系统取热强化增产研究

采用超长重力热管开采深部地热资源能够有效避免增强型地热系统存在的工质损耗、结垢腐蚀以及地下连通困难等问题,但重力热管地热系统取热速率受限于热储的低导热率。提出一种井下流体抽注强制对流换热方案,对井下热管与热储之间流体流动传热过程进行数值模拟,获取了流场和温度场的变化规律,对比了井下流体静止和流动情况的采热性能,分析了不同质量流量、抽注时间比、周期时长对采热性能的影响。结果表明:井内抽注流动可以显著增强热管系统的采热性能,增大抽注流量能够提高采热率;慢抽快注的方式对采热率有明显的提升效果,抽注时间比越大采热性能越好;采热总时长不变,抽注周期时长越大对采热性能提升效果越明显。

区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构开采浅层地热能评价综述

随着浅层地热能的大规模开发利用,针对地埋管地源热泵和能源地下结构的研究正由单个、单体尺度逐渐转向区域尺度。相较于地埋管地源热泵,能源地下结构占地面积小、成本低,在大规模城市建设及地下空间开发中具有良好的优势。从热物性参数和地下城市热岛效应两方面总结浅层地热能理论潜力现有研究成果,简述浅层地热能的开发形式,重点针对区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构的适应性评价进行系统综述,从适宜性分区、热交换潜力、满足建筑物能源需求效果三方面建立相应的区域尺度能源地下结构评价体系,以我国山东临朐县和德国巴登-符腾堡州地埋管地源热泵及我国南京大学仙林校区能量桩的区域性研究为案例进行深入分析,归纳当前研究中存在的问题,并对区域尺度能源地下结构的下一步研究进行展望。

中深层水平连通地热井取热特性研究

高效取热技术是实现地热效益化开发的关键,建立了水平连通地热井数值仿真模型,计算了连续开采和间歇开采工况下的出口流体温度和换热量,研究了注入温度、注入流量、水平段长度对系统换热性能和岩层温度恢复能力的影响。结果表明,随着注入流量增加,地热井出口水温下降,但整个系统换热量提高;当注入温度较高时,可有效提高出口水温,但系统换热量降低较大;随着水平段长度增加,出口水温和换热量逐渐上升,换热性能提高;岩层温度恢复能力随注入流量和注入温度的增加而提高。综合考虑钻井成本、水泵功耗等因素,适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度能有效提高水平连通换热井的换热性能;虽然高的注入温度可提升岩层温度恢复能力,但不利于提高系统换热性能。

地下水源热泵回灌中大肠杆菌阻塞试验研究

以地下水源热泵回灌过程中大肠杆菌堵塞作为研究对象,通过自主研发的砂层颗粒迁移-沉积试验系统观察大肠杆菌在多孔介质孔隙孔道内的运移、沉积。分别以石英石、玻璃珠作为多孔介质做对比性试验,通过试验得出:石英石颗粒不均匀,级配不良,颗粒间的咬合力为大肠杆菌的沉积提供了“温床”,进而孔隙水压力呈现先增大后减小再稳定的状态;但玻璃珠颗粒粒径均匀,同时颗粒之间光滑,咬合力小,不利于大肠杆菌的沉积,孔隙水压力呈现陡减的现象。建立大肠杆菌渗透率衰减数学模型,将理论值和室内试验值进行数据拟合,从验证的结果看,所提渗透率衰减模型对预见微生物的迁移和沉积所引起的孔隙率减小是有效的。

西藏谷露地热田ZK401高温地热井钻井工艺技术

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的典型水热型高温地热田,安全、经济和高效的钻井工艺技术很大程度上决定了其高温地热资源的可开发利用潜力。ZK401井是在谷露地热田实施的一口优质高产探采结合井,地层以花岗岩类为主,其岩石硬度大,机械钻速低,钻头使用寿命短。自上而下揭露多层热储,其35~41m即可揭露124.8℃中温地热流体,汽水总量约40 t·h^(-1);50~320 m揭露超过120℃的中温热储,汽水总量约30~35 t·h^(-1);320~1320 m揭露186.9℃高温热储,汽水总量高达348 t·h^(-1),具有热储埋深浅、温度高,断裂构造发育,地层出水量大的特点,高温及水侵作用致使钻井液极易失效,井喷风险大,安全钻井难。为解决上述钻井施工难点,进行了高温地热钻井关键技术研究。通过采用异形齿PDC钻头和岩石热裂提速技术,使单只异形齿PDC钻头进尺较同规格牙轮钻头提高了23%~48%,使三开井段花岗岩类地层的平均机械钻速提升至3.18 m·h^(-1)。通过优化井身结构,采用简易控压钻井技术,利用低温清水作为二开及三开钻进循环钻井液,达到了及时发现并有效保护热储层和控制井喷风险的目的;实现了ZK401井在520 m揭露186.9℃高温热储且汽水总量达348 t·h^(-1)苛刻条件下的安全、持续钻进,且非生产时间较采用常规钻井技术的邻井缩短了37%,极大地降低了钻井成本,提高了高温地热资源的可开发利用潜力。为后续该区域乃至其他地区解决高温地热井钻井施工提供参考。

大型地埋管群地源热泵三维传热-渗流耦合模拟

为确定地下水渗流对大尺度、多分支埋管集群地源热泵系统换热区温度场和换热特性的影响,基于上海天文馆880个地埋管地源热泵场地,建立考虑地下水渗流和地质分层的三维传热-渗流耦合模型,并利用现场热响应试验对模型进行验证。结果表明:渗流作用引起管群内和支管群之间沿地下水流动方向发生温度干扰,89.5~120.3 m埋深范围内的温度干扰现象相对明显;地下水渗流有利于提高管群的换热总量,缩小夏季和冬季工况的换热量差距;换热量增加百分比随水力梯度的增加而增大,两者呈对数函数关系,当水力梯度大于0.005时,换热量增加百分比趋于平稳。

基于改进粒子群算法的中深层地源热泵供暖系统运行优化

构建变工况运行且包含蓄热装置的中深层地源热泵供暖系统,基于改进粒子群算法,分别以运行费用、系统COP和地热能利用系数为目标函数对系统运行进行优化,并对优化结果进行比较和分析。结果表明:对应目标函数优化后的运行费用、系统COP和地热能利用系数分别为279.27元、6.4420和0.8527。以系统COP为目标函数的优化效果与运行费用相反,而与地热能利用系数相近。

温室大棚地热能与空气能多能互补能源配比研究

“双碳”目标下采用可再生能源解决温室大棚的供冷、供暖,构建安全、绿色、智慧、高效的能源系统成为了温室大棚的发展方向。近年来,中深层地热能、浅层地热能、空气能在温室大棚供热中的应用得到快速发展。以河南省周口市扶沟县某农业产业园为例,结合区域地热资源情况,提出了中深层地热+地源热泵+水源热泵、中深层地热+地源热泵+空气源热泵、地源热泵+空气源热泵、地源热泵+水源热泵4种可再生能源配比方案。结果表明:地源热泵+水源热泵投资最高,地源热泵运行费用是中深层地热的2.01倍,空气源热泵运行费用是水源热泵1.95倍,地源热泵运行费用与水源热泵相相近。能源利用优先级排序为中深层地热能>地源热泵>水源热泵>空气源热泵,采用中深层地热+地源热泵+水源热泵方案为最优的能源搭配方式。

基于格子Boltzmann方法的地埋管管群换热的模拟研究

土壤结构和地下水通常会影响地埋管换热器的传热,本文将利用随机四参数生成法建立双分布函数格子Boltzmann模型,对有渗流条件下地埋管管群换热器与饱和土壤多孔介质的换热情况进行了模拟,分析了影响埋管外土壤平均温度的主要因素。研究表明,土壤热传导特性主要受土壤孔隙度、地下水渗流速度和土壤骨架导热系数k s的影响。本文的研究结论对考虑土壤渗流的地下换热器的设计具有一定的指导意义。

基于TRNSYS的中深层土壤源供暖系统运行特性分析

本文针对长春地区某居住建筑,利用TRNSYS软件建立中深层地埋管土壤源热泵系统仿真模型,模拟分析了热泵机组性能系数(简称COP)随地埋管深度和运行年数的变化趋势及岩土导热系数对地埋管出水温度的影响。结果表明,地埋管深度越深,COP随运行年数变化越小,系统运行越趋于稳定。当地埋管深度达到1800 m时,系统运行趋于稳定。在运行初始阶段,地埋管出水温度变化幅度较大。当运行达到750 h时,地埋管出水温度趋于稳定;当热储层岩体导热系数增加2 W/(m·℃),载热流体出口温度由34.1℃增至36.9℃,增加了8.21%,由此可见岩体导热系数对地埋管出水温度的影响显著。

基于热平衡原理的地埋管地源热泵系统开发利用规划评价

为了保障海门地区地埋管地源热泵系统的可持续开发利用,科学合理设计地埋管地源热泵系统布置方案,准确评价系统的浅层地热能可采资源量,根据研究区水文地质和浅层地热地质条件,基于热平衡原理,建立了海门地区地埋管地源热泵系统水-热三维耦合数值模型,预测分析了未来地源热泵系统运行期间不同布置方案下浅层土体温度场的动态变化规律。通过对比分析,针对出现的热堆积问题,确定了克服土体热堆积的地埋管优化布置方案,评价了研究区地埋管地源热泵系统的浅层地热能可采资源量。结果表明,海门地区地埋管地源热泵系统开发可分为6个区,各区地埋管间距在29~39m,能够保证未来运行10a内土体温度升幅不超过0.5℃,地热能可持续开采。在此方案下,研究区地埋管地源热泵系统可采资源潜力夏季为3.851157×10^(4)m^(2)/km^(2),冬季为7.586812×10^(4)m^(2)/km^(2)。

基于实际工程的地埋管地源热泵回填材料导热性能差异分析

为研究实际工程应用中回填材料导热性能差异,以郑州市浅层地热能示范工程为研究对象,通过现场热响应试验、地温监测、数值模拟对中细砂、中细砂+水泥、中细砂+膨润土、原浆四种常见回填材料导热性能进行分析.研究结果表明:原浆的平均导热率最低为1.83 W/(m·℃),中细砂的平均导热率最大为2.17 W/(m·℃);同时中细砂排热和取热下单位深度换热量也为最大,分别为48.52 W/m和47.38 W/m.夏季制冷时中细砂+水泥材料温度仅升高0.0002℃,远低于中细砂材料温度升高;而冬季供暖时,四种材料的温度下降值相近,最小为4.2842℃.基于数值模拟结果,中细砂放热和吸热工况下热影响半径最小,为分别5.5 m和6 m;同时,岩土体温度增温速度由大到小为中细砂、原浆、中细砂+膨润土、中细砂+水泥.因此,中细砂导热性能最好,可作为研究区域地埋管地源热泵回填材料的首选.研究成果为场地条件相似地区地埋管地源热泵回填材料选择提供依据,并对推进郑州地区能源绿色低碳发展具有一定参考意义.

CPGS国内外研究现状及发电应用进展

CPGS结合了CO_(2)地质封存和深部地热开发2种技术的优势,在实现地热能开采的同时,也对CO_(2)进行了地质封存,从而实现了温室气体减排和可再生能源利用技术的结合,CO_(2)的排放在最大限度上减少。介绍了增强型地热系统和CO_(2)羽流地热系统,对比分析了水和CO_(2)作为传热工质的优缺点,同时详细地介绍了CO_(2)羽流地热系统的国内外研究现状以及研究需要改进之处。最后介绍了3种CO_(2)羽流地热系统发电应用技术,即热伏发电、有机朗肯循环发电技术、基于以太阳能为辅助热源的CPGS-sCO_(2)布雷顿联合循环发电技术。

深层埋管换热技术研究热点与发展趋势分析

为动态分析深层埋管换热领域研究热点与前沿发展趋势,运用可视化知识图谱分析软件,将近23年CNKI和WOS数据库中与深层埋管研究相关的学术性文献作为数据源,分别从发文量、国际核心机构和关键词等进行文献计量与内容分析,解析该领域的研究热点和前沿分析。研究结果表明:2000年以来深层埋管研究领域的文献发文量逐步上升,核心作者及机构之间的合作仅为单线或团队内部之间,跨机构之间较少;研究热点和趋势具有阶段性特征,不同阶段的研究重点不同。随着地热能+、“双碳”目标和“十四五”可再生能源发展规划等一系列战略决策及清洁能源高效利用理念的提出,深层埋管换热领域的研究热点更聚焦于交叉学科的渗透和技术方法的创新,国内深层埋管换热技术未来的发展趋势表现为开采技术突破、换热器类型及材质方面的创新与探索、研究方法优化和外扩中深层地热、综合效益评价等新的研究方向,国外则侧重于换热性能、热泵系统、深层埋管换热器和数值模拟等方向。相关数据可为深层埋管换热技术相关学者的研究工作提供借鉴。