使用 COMSOL 软件模拟地热过程

这是新的“地热能”系列博客文章的第一篇，我们将介绍模拟地热过程的基本概念以及大量相关的物理现象。我们还将向您展示一个地埋管换热器的示例模型。

如何从地下提取热能

在攻读博士学位期间，我研究了多种地热能提取技术。研究的重点是浅层地热地埋管换热器，不过在我的小组中，我也接触过开口式地埋管和深层地热开发方法。令我惊奇的是，我发现各种地热应用中涉及的几乎所有过程都可以使用“地下水流模块”进行模拟。

可再生能源是一个新兴的行业，地热能这一分支也是当前研究的热点。在过去的几十年中，各种不同的地热提取技术层出不穷，从地表浅层到深层均有所涉及。闭环地埋管换热器(BHE) 是从浅层和中深层提取的标准方法。

在地埋管换热器中，流体在地埋管内部的管道中循环流动，在流体和地表间产生间接的热交换。由于换热器是闭环的，因此这种方法效率不高，有效的热交换受限于所采用的设备本身。为显著提高效率，可以从含水层抽取地下水，通过热液对井系统从距抽取点一段距离的位置回灌热流体，以此获得热能。

增强型地热系统 (EGS) 通过水力压裂法从干燥、不渗透的岩石或者干热岩(HDR) 中提取地热资源。这个过程中高压水流泵入预设地层，产生新的裂缝，同时使现有裂缝和裂隙增大。注入的水随后流经裂隙，温度升高，然后从第二个地埋管中抽出。

地热提取方法。

地热能仿真中的多物理场需求

地下传热以对流、分散和传导为主。因此，需要了解地质层的热性能才能更好地运行仿真。然而，我们通常只能基于地质图和岩芯样本作一个大致估计。在整个提取过程会涉及对流热传导，它有时甚至起决定性的作用，这通常由浮力自然驱动，也可以通过井人为驱动。

根据当地的地质，地下水流可能完全是饱和多孔介质或者部分是，或者可以演化为裂隙。尽管不同的地热开采技术原理不同，但“地下水流模块”为模拟地下热的开发提供了必要的功能。您可以将传热与速度场轻松耦合。

在有些情况下，必须进行双向耦合。如果温度梯度较高，则与温度相关的参数（如水力传导）不可忽略不计，必须考虑在内。此外，在一些情况下，多孔弹性过程也会造成影响，尤其是在涉及水力压裂时。

示例模型：地埋管换热器阵列的热影响

让我们来看一个示例，其中演示了地热过程模拟所需的一些功能。下面这个模型求解了一个地质区域中安装的浅层地热装置周围的热传递。这个区域划分为多个部分，表示各层性质不同的地质层。还利用 COMSOL Multiphysics 的内置环境气候数据库引入了季节温度变化对地表的热影响。

一个 135 米深位于层状基岩的 3*3 地埋管换热器 (BHE)阵列。每个地埋管换热器全年提取的热量为 20 W/mK。60-70 米为含水层，其中含有地下水，产生水平对流的热传递。右图显示阵列中间三个地埋管换热器的地埋管壁温度。由于散热器之间会发生热交互，中间地埋管换热器的温度（绿线）低于其他两个换热器温度。在含水层区域，由于中间地埋管换热器向上发生热交换，使其中水流向下的速度比其他两个换热器（红线）中的快，使其温度更低。

对地埋管换热器的长期影响进行预测时，使用仿真模拟是必要的，这样可以检查管道是否冻结。最简单的快速模拟地埋管换热器的方法是忽略地埋管内的发热和传热，并在管壁上施加适当的热通量边界条件。由此，地埋管成为一个局部的散热器，热量将通过它传递。如果在某个位置安装了多个地埋管换热器，则换热器可能会在启动一段时间后才传递热量。尤其是，如果含水层中有地下水，则地埋管中将发生热传递。这种热交互会导致整个地热系统效率明显降低。另一方面，地下水的流动也提高了热回收率。地质数据足够准确，预测才可靠。

一年之内通过地埋管换热器传递的热量。根据德国柏林的气象气候数据，顶部表面温度在 0-20 °C 之间呈季节性变化。请注意温度记录图在含水层区域沿水流方向延伸。

今天，我们介绍了如何在地热能应用中使用多物理场仿真。在接下来的这一系列博客文章中，我们将介绍更高级的应用，涉及传热管阵列中的热传递与地下多孔介质流之间的耦合。敬请关注！

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