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城市含水层浅层地热系统热管理优化策略THERMAL：实现可持续开发与CO2减排的双赢路径
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年06月16日 来源：Journal of Hydrology 5.9
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针对城市含水层中地下水热泵(GWHP)系统热干扰导致的效率下降和热平衡破坏问题，西班牙研究团队提出创新性THERMAL管理方法。通过整合线性优化模型与三维数值模拟，对萨拉戈萨市3个GWHP系统的27种运行场景进行评估，最优方案实现年减排14.94 t eqCO2·year?1和7.53 k�·year?1经济效益，为城市地热资源可持续开发提供决策框架。
随着全球能源转型加速，浅层地热能作为清洁可再生能源在建筑供暖制冷领域应用日益广泛。其中开放式地下水热泵(GWHP)系统因其高能效和低成本优势备受青睐，但系统密集部署导致的热干扰问题日益凸显——热羽流(thermal plumes)不仅降低系统效率，更会破坏含水层热平衡，威胁生态系统稳定性。欧洲委员会联合研究中心预测，到2050年浅层地热可满足欧盟28%的供热制冷需求，但当前缺乏有效的城市尺度热管理方案。西班牙萨拉戈萨市作为典型研究区域，其冲积含水层中88个GWHP系统的热干扰问题尤为突出，亟需开发兼顾系统效率与环境保护的优化策略。
为破解这一难题，西班牙研究团队在《Journal of Hydrology》发表创新性研究成果，提出"浅层地热全优化管理(THERMAL)"方法。该方法首次将Martínez-León等开发的线性优化模型与三维热传输数值模拟相结合，通过对GWHP系统流量(Q)和排放温度(T2)的协同调控，在保持热功率(H)恒定的前提下实现热干扰最小化。研究选取萨拉戈萨城市含水层中三个存在三重热干扰的GWHP系统（分别服务于两家博物馆和一家医院），基于524,640条实测运行数据，构建包含941,312个元素的精细模型，评估27种热运行场景的可持续性。
关键技术方法包括：(1) 基于线性优化模型调整流量和排放温度组合，保持Q·Cwρw(T2-T1)恒定；(2) 采用FEFLOW?建立三维热传输模型，模拟21层含水层中88个GWHP系统的热干扰；(3) 通过多准则分析整合生产井热影响、高温区域(>4°C)面积和CO2减排等指标。
3.1 浅层地热系统可持续运行优化
通过对比27种场景发现，采用XQ策略（增加流量+降低排放温度）的GWHP-B系统可减少25%系统内热干扰。最优场景(6号)使GWHP-C系统间热干扰降低52%，验证了流量-温度调控对改善井位布局缺陷的有效性。
3.2 热影响区域缩减
模拟显示增加流量虽扩大总热影响面积，但能减少>4°C高温区15%。场景3实现最均匀的热分布（峰度-0.14），而单纯提高温度的方案(场景2)导致16.07°C极端热点，凸显热管理策略的双面性。
3.3 能源与经济效益
场景6实现最佳平衡：年减排14.94 t eqCO2（2%）和7.53 k�收益（2.7%），COP值提升证实系统效率改善。值得注意的是，最大CO2减排场景与最小高温区场景并不重合，反映环境-经济目标的权衡需求。
3.4 全优化决策
多准则评分显示场景4(XT+XQ+灵活模式)综合表现最优，而场景22在热影响控制与经济效益方面表现突出，为不同管理目标提供定制化选择。
这项研究开创性地建立了GWHP系统热管理的量化决策框架，其核心价值在于：(1) 证实通过运行参数优化可弥补井位设计缺陷，为已建系统改造提供经济方案；(2) 揭示流量与温度调控对热羽流空间分布的差异化影响，指导精准热区管理；(3) 开发的可迁移方法适用于全球城市含水层，特别是高渗透性(Pe>1)冲积层环境。研究结果对实现《巴黎协定》温控目标具有重要意义，为城市规划者平衡地热开发与含水层保护提供了科学工具。未来结合气候变化预测模型和机器学习算法，可进一步发展动态优化策略，推动浅层地热在全球能源转型中发挥更大作用。
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