能源码头墙性能分析与优化：创新地热能量交换系统的研究

为解决传统地源热泵系统成本高及环境影响问题，研究人员开展了能源码头墙（EQWs）的性能分析与优化研究。通过数值模型验证，发现EQWs在热交换过程中能显著提高能源效率，尤其在湍流条件下效果更佳。这一研究为可再生能源利用提供了新的解决方案。

　　

论文解读

在全球能源需求不断增长的背景下，传统的化石燃料依赖已经引发了严重的环境问题和资源枯竭的担忧。为了应对这些挑战，可再生能源的开发和利用成为了研究的热点。其中，地源热泵（GSHP）系统因其能够提供低温度的加热和冷却系统而备受关注。然而，传统的地源热泵系统在安装和维护上存在较高的成本，且对环境的影响也不容忽视。因此，寻找一种更加高效、环保的地热能量交换系统成为了迫切的需求。

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员针对这一问题，开展了关于能源码头墙（EQWs）的性能分析与优化研究。EQWs是一种创新的能量地质结构，具有与土壤和水体进行热交换的独特能力。尽管实验室测试显示了这种系统的良好能量效率，但其新颖性要求进行深入研究以理解其热行为并优化能量效率。

在这项研究中，研究人员采用了两种有限元（FE）数值模型来分析EQWs的性能。第一个模型用于重建未受干扰（即地热激活前）的土壤温度剖面，第二个模型则用于全面分析EQWs应用中的热交换过程。通过这些模型，研究人员能够评估流体流动模式和开放水体速度对EQWs系统能量效率的影响。

研究发现，开放水体是EQWs系统中能量获取的主要来源，尤其是在热交换管道内存在湍流的情况下，这种贡献更为显著。此外，土壤在短期内也能提供关键的能量输送。研究还强调了开放水体运动的重要性，指出在完全静止的水体情况下，能量提取会减少48%。

为了验证模型的准确性，研究人员在荷兰代尔夫特进行了全尺寸的EQWs实地测试。测试结果显示，数值模型能够准确地预测土壤温度剖面和热交换过程。这为进一步优化EQWs系统的设计和运行提供了重要的参考。

此外，研究还探讨了不同季节空气和水温变化对EQWs系统性能的影响。通过模拟不同工况下的热交换过程，研究人员发现，湍流条件下的能量提取效率显著高于层流条件。这一发现对于提高EQWs系统的实际应用效果具有重要意义。

在研究方法上，研究人员使用了有限元数值模拟技术来分析EQWs的热性能。通过建立数学模型并求解相应的偏微分方程，研究人员能够模拟不同条件下的热交换过程。此外，研究人员还利用了现场监测数据来验证模型的准确性，确保研究结果的可靠性。

在研究结果方面，研究人员发现，EQWs系统在湍流条件下的能量提取效率显著高于层流条件。具体来说，浅层环路和附加面板在湍流条件下的能量提取效率比层流条件下提高了51%，而深层环路则提高了62%。这一结果表明，通过增加流体流动速度来实现湍流状态，可以显著提高EQWs系统的能量效率。

此外，研究还发现，开放水体的流动对EQWs系统的能量提取具有重要影响。在静止水体的情况下，能量提取效率会降低48%。这表明，保持开放水体的流动对于提高EQWs系统的性能至关重要。

在讨论部分，研究人员总结了EQWs系统的几个关键优势。首先，EQWs系统可以利用现有的码头墙结构进行安装，减少了额外的基础设施需求。其次，EQWs系统能够在热交换过程中同时利用土壤、水和空气的能量，提供了多样化的能源来源。最后，湍流条件下的能量提取效率显著高于层流条件，这为进一步提高系统性能提供了可能。

总体而言，这项研究为能源码头墙（EQWs）系统的设计和优化提供了重要的理论基础和实践指导。通过数值模拟和实地测试，研究人员不仅验证了EQWs系统的可行性，还提出了提高其能量效率的有效策略。这对于推动可再生能源的应用和减少对化石燃料的依赖具有重要意义。