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区域尺度浅井换热器技术地热潜力的量化

日期:2021-03-18    来源:地热科学前沿  作者:地热小分队

国际新能源网

2021
03/18
10:42
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关键词: 浅层地热能 地热技术 地热能源

文章来源

Gudmundsson A , Mohajeri N , Scartezzini J L , et al. Quantifying the technical geothermal potential from shallow borehole heat exchangers at regional scale[J]. Renewable Energy, 2020, 165:369-380.

全文导读

利用钻孔换热器(BHEs)提取浅层地热能是一种很有前途的加热段脱碳方法。然而,BHE的密集部署可能会导致相邻钻孔之间的热干扰,从而过度开采地面的热容量。

本文提出了一种考虑潜在热干扰和BHE装置可用面积的BHE技术潜力估算方法。该方法结合了对钻孔间距和深度范围内通过BHE进行长期热抽提法的模拟,并包括优化步骤,以最大限度地提高热采量。该方法在瑞士西部一个可用面积284 km2的案例研究中的应用,年技术潜力为4:65 TWh,最大能量密度为15:5 kWh=m2。结果还表明,在最小钻孔间距5m、最大钻孔深度200m的情况下,累计安装钻孔深度不应超过2km=ha。城市规划人员可利用估计的技术潜力对必和必拓系统进行技术经济分析,并由决策者制定鼓励使用浅层地热能的战略。

图1 GSHPs技术潜力建模工作流程

图2 根据地形景观模型显示地块边界、可用区域和排除区域的样图。在左下角,显示了两个示例场景(BHE距离B=5 m;B=25 m)的BHE虚拟安装,用于红色框内的区域

结果讨论

产热潜力Qpot的优化需要在热提取率qmax和可提取能量Qfield之间进行权衡,如图3所示。它表明,对于所有钻孔深度H,qmax(图3a)随钻孔间距B增大,而Qfield(图3b)随钻孔间距B减小,这是因为安装的BHE(NB)数量较少。

图3热提取率qmax(a)和相应的可提取能量Qfield(b)作为B和H的函数。这些线显示了90%区域的平均值,不包括最低和最高的第5百分位值。两个图中的点表示qmax与0:8 qnom的交点,即(a)中虚线所示的每个H的最小可接受工作功率

结果进一步表明,最佳安装BHE的数量随着Hopt而减少,因为较深的BHE通常需要更大的间距来满足优化约束。如图4所示,对于最短探头,最大NB;opt(蓝线)从每公顷40 BHE(对应于15 m的平均Bopt)减少到Hopt¼200 m的10 BHE(Bopt=30 m)。相比之下,每公顷的最大累积BHE深度(红线)与Hopt近似恒定,假设最小钻孔间距为5 m,最大深度为200 m,则仅低于2 km/ha。这些发现表明,每公顷的累计安装钻孔深度可能比相邻钻孔之间的最小间距更适合限制BHE的密集部署。

图4 安装BHE的数量随着Hopt图

对主要输入参数(l,a,T0,dT=dz,top,rb,Rb)的敏感性分析表明,平均而言,单个场的位能对T0和l最为敏感,其次是top和Rb(见图5a),如图5b所示,总技术潜力随qmin线性减小,随Hmax成比例增大。

图5 a) Qfield对地面数据(l,a,T0,dT=dz)和技术参数(top,rb,Rb)变化的敏感性。通过改变表1中H=150m、B=20m和8个相邻钻孔的平均BHE布置的平均值,计算Qfield的变化。b) 技术潜力Qpot对所需热提取率(x轴)和Hmax(颜色)变化的敏感性,在所有字段中求和。虚线显示了这里使用的不同的Hmax

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