在恒定速率和恒定水头注入-提取情景下，堵塞对含水层热能储存（ATES）的影响

《Journal of Hydro-environment Research》：On the impact of clogging in aquifer thermal energy storage (ATES) under Constant-Rate and Constant-Head Injection-Extraction scenarios

本研究通过数值模拟分析井堵对含水层热能储存（ATES）系统温度分布及恢复效率的影响，对比恒定流量（CRR）和恒定水头（CHR）两种工况。结果表明，CRR工况下井堵显著增加近井区域水力梯度，但流量不变时热恢复效率影响较小；CHR工况下井堵降低注入流量，导致热储存量减少，恢复效率下降约1%。热扩散系数β增大使温度分布更广，梯度更平缓。研究强调近井区水力条件建模的重要性，为抗堵设计提供依据。

　　### 评估地下水热能储存系统中堵塞对性能的影响

地下水热能储存（Aquifer Thermal Energy Storage, ATES）作为一种创新的可持续技术，正在全球范围内得到越来越多的关注。ATES利用地下含水层作为天然的热能储存介质，通过交替的注入和提取周期实现季节性的热能储存和回收。这种技术不仅能够提高能源利用效率，还能显著减少碳排放，是应对全球能源需求增长和碳排放问题的重要解决方案。然而，长期运行的ATES系统常常面临井口堵塞的问题，这会严重影响系统的热能分布和回收效率。本文通过结合解析解和COMSOL Multiphysics进行的高分辨率数值模拟，对两种注入-提取模式下的堵塞影响进行了深入研究，为ATES系统的优化设计和运营提供了新的视角。

#### 研究背景与意义

随着全球能源需求的持续增长，减少碳排放成为各国政府和科学家共同关注的重点。在这一背景下，ATES作为一种高效的可再生能源储存技术，展现了广阔的应用前景。然而，尽管ATES在理论和实践上都具有诸多优势，其长期运行仍可能因井口堵塞而受到影响。堵塞通常由悬浮颗粒沉积、化学沉淀以及生物膜形成等多因素共同作用，导致含水层有效孔隙空间减少，渗透性显著下降，从而影响地下水的流动和热能的传输。这些变化不仅会增加水力阻力，还可能需要更高的抽水或注水压力来维持系统的正常运行。因此，研究堵塞对ATES系统的影响，对于提高系统的可靠性、效率和长期运行能力具有重要意义。

#### 两种注入-提取模式的对比

本文研究了两种常见的ATES运行模式：恒定注水量模式（Constant-Rate Recharge, CRR）和恒定水头模式（Constant-Head Recharge, CHR）。在CRR模式下，注水和抽水速率保持不变，但堵塞会导致水力梯度的变化，从而影响热能的传输。然而，研究发现，在CRR模式下，尽管堵塞会增加井口附近的水力梯度和压力，但只要保持相同的注水速率，Darcian流速在堵塞和未堵塞情况下保持一致，因此对热能传输和回收效率的影响较小。相比之下，CHR模式对堵塞更为敏感。在该模式下，注水和抽水速率会随着水力梯度的变化而动态调整，堵塞导致的渗透性下降会显著降低流速，缩小热能羽状体的范围，增加热能损失，并导致回收效率的持续下降。因此，CHR模式下堵塞的影响更为明显，需要在设计和运行过程中更加重视。

#### 堵塞对水力和热能传输的影响

研究采用一个两区含水层模型，模拟井口堵塞对水力和热能传输的影响。模型包括一个内区的堵塞区域和一个外区的未受影响含水层。在堵塞区域，由于渗透性和孔隙度的下降，水力梯度会显著增加，尤其是在井口附近。然而，由于流速在CRR模式下保持不变，因此热能传输过程在堵塞和未堵塞情况下基本一致，回收效率的差异较小。而在CHR模式下，堵塞会显著降低流速，导致热能羽状体的传播速度减缓，热能损失增加，从而降低回收效率。这一结果表明，在CHR模式下，堵塞对系统性能的影响更为严重，需要特别关注。

#### 堵塞对热能分布和回收效率的影响

为了进一步研究堵塞对热能分布和回收效率的具体影响，本文分析了两种模式下的热能分布和回收效率。在CRR模式下，尽管堵塞会增加井口附近的水力梯度和压力，但由于流速保持不变，热能羽状体的传播过程不会受到显著影响，因此热能分布和回收效率的变化较小。而在CHR模式下，堵塞导致的渗透性下降会显著降低流速，进而影响热能羽状体的传播速度和范围，导致热能损失增加和回收效率下降。这一发现对于ATES系统的优化设计具有重要意义，特别是在长期运行和高热能需求的场景下。

#### 实验验证与模型对比

为了验证本文提出的模型和解析解的准确性，研究将其与已有模型进行了对比。实验结果表明，两种模型在热能分布和回收效率方面的预测结果高度一致，误差较小。这说明本文提出的模型能够有效地模拟ATES系统中堵塞对热能传输和回收效率的影响。此外，研究还通过高分辨率数值模拟验证了模型的可靠性，确保其能够应用于更复杂的实际场景。

#### 未来研究方向

尽管本文已经对堵塞对ATES系统的影响进行了系统分析，但仍存在一些局限性。当前模型假设堵塞区域具有均匀的水力和热能特性，这与实际地下环境中堵塞的复杂性和异质性不完全一致。因此，未来的研究应考虑更复杂的堵塞模型，包括空间异质性和各向异性的影响。例如，可以引入各向异性渗透性和热传导性模型，以更准确地模拟不同方向上的热能传输差异；还可以将堵塞区域建模为一个渐变过渡区或随机分布的区域，以更真实地反映堵塞的动态变化。此外，研究还可以考虑堵塞随时间的变化，如由于操作参数（如注水速率和水温）的变化、化学反应或微生物生长等因素引起的堵塞演变，从而提高模型的预测能力。

#### 结论

本文通过结合解析解和高分辨率数值模拟，系统研究了堵塞对ATES系统中热能分布和回收效率的影响。研究发现，在CRR模式下，堵塞对热能分布和回收效率的影响较小，系统能够通过增加水力梯度来维持注水速率，因此对热能传输的影响有限。而在CHR模式下，堵塞对系统的影响更为显著，不仅会降低流速，还会导致热能羽状体传播缓慢，热能损失增加，进而降低回收效率。因此，在设计和运营ATES系统时，需要根据实际地质条件和运营需求选择合适的注入-提取模式，以减少堵塞带来的负面影响。此外，研究还指出，堵塞区域的半径对系统性能有重要影响，较大的堵塞区域会导致更高的井口压力，而较小的堵塞区域则可能降低注水速率，从而影响热能的传输和回收。这些发现为ATES系统的优化设计和长期运行提供了重要的理论支持和实践指导。