闭式地埋管换热器系统：两个意大利案例研究的启示

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《Renewable Energy》：Closed-loop borehole heat exchanger systems: Insights from two Italian case studies

【字体：大中小】 时间：2026年09月05日 来源：Renewable Energy 9.1

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　　 # 摘要本文对闭式环路钻孔热交换器（BHE）系统进行了热经济分析，研究其在直接供热应用以及热电联产中的可行性。研究重点聚焦于意大利两个案例：Gavorrano的居民区集中供热应用和Mt. Amiata地区的工业/农业应用。研究开发了一个数值模型来优化系统组件，包括一种针对

　　

# 摘要

本文对闭式环路钻孔热交换器（BHE）系统进行了热经济分析，研究其在直接供热应用以及热电联产中的可行性。研究重点聚焦于意大利两个案例：Gavorrano的居民区集中供热应用和Mt. Amiata地区的工业/农业应用。研究开发了一个数值模型来优化系统组件，包括一种针对在离设计工况下运行的有机朗肯循环（ORC）机组的新型成本关联式，井流量范围在50至300 kg/s之间。结果表明，地质特性和钻井成本对经济可行性具有关键影响。从经济角度来看，两个应用与欧洲类似技术的表现基本一致。特别是，Mt. Amiata案例展现了显著的经济潜力，在15口井配置下实现了0.1161 €/kWh的供热平准化成本（LCOH），在20口井配置下为0.1462 €/kWh。这些发现表明，钻孔热交换器系统可以作为在适宜地热条件下实现工业供热部门脱碳的经济有效解决方案。

# 引言

以可持续和可再生的方式生产电力、热能和冷能是我们社会面临的最重大挑战之一。在可再生能源框架内，一种可能性是利用地球内部的热能。与太阳能和风能等大多数其他可再生资源不同，地热能源持续不断地产生，在容量因子和电网可靠性方面具有显著优势。从理论上看，在任何地点都可以通过不同的深度从地下采集地热能，并可通过各种地表技术加以利用。根据资源的热力学潜力，地热能可用于直接供热应用（如集中供热和工业过程），也可用于发电。

尽管这一资源潜力巨大，但目前已安装的热能和电力容量仍然相对有限[1]、[2]。地热能的提取在经济上的可行性迄今为止主要是在需要低温热或处于特别有利的地质条件下（如具有高渗透性的高温水热储层）得到证实的[3]。这是迄今为止最成熟的地热开发方式，已被利用了一个多世纪。然而，这种方法本质上排除了热岩存在于中等深度但缺乏足够天然流体含量（热干岩，HDR）的地质环境。

过去几年提出了多种新型地热系统，以便在不同地质条件下开发这一资源，从与相变储能相结合的浅层能源隧道创新应用[4]到使用响应因子矩阵（RFM）方法对多个深层钻孔热交换器进行的高级分析建模[5]。其中，增强型地热系统（EGS）是最早且研究最为广泛的方案之一，代表了科学文献中最成熟的方案之一[6]。这些系统依赖于储层的液压、化学或热激励来生成或扩展裂缝网络，从而增加渗透性并促进流体在高温岩体中的循环。尽管此类系统的技术可行性已在多个案例中得到验证，但EGS的大规模部署仍受各种挑战限制，包括诱发地震问题[7]。

为了克服这些局限，人们提出了闭式环路地热系统（CLGS），也称为先进地热系统（AGS）。该系统通过循环热流体，使其在地下与岩石进行热交换——无论是否存在水热流体。热流体在通过多种方式安装于井内的闭合回路中循环。在这种配置下，流体不会渗透储层，而是主要通过井周围热岩的导热作用来提取热量。

这种技术方案具有显著优势。首先，由于热量主要通过传导从岩石传递到井筒，CLGS对储层渗透性的依赖程度有限。储层流体含量和岩石组成等因素仍可能有利，但它们对这些系统可行性的影响大幅降低，从而在选择场址时提供了更大的灵活性。其次，CLGS被认为比开式环路系统更环保，因为工作流体与周围岩石之间没有直接接触。这种设计在缓解环境问题方面极为有效，如流体流失、地下水污染和诱发地震，从而最大限度地降低维护成本和环境影响。

因此，近年来这些系统在商业和研究领域获得了越来越多的关注。具体而言，Budiono等人[8]提供了一项综合系统综述，重点关注核心设计配置及其相关传热性能。在此基础上，Zargartalebi等人[9]进一步强调了闭式环路装置在全球范围内作为高潜力低碳可再生能源的作用。从实际应用角度来看，Kol等人[10]等针对特定领域的技术报告评估了商业多分支设计（如荷兰的Eavor-loop概念）的区域部署和技术可行性。尽管科学文献中强调了这些优势，但这些系统的经济可行性仍存在较大争议。现有大多数研究主要关注井的热力学建模及其与周围岩层的相互作用[11]、[12]，而对可能部署这些系统相关的经济指标要么被忽略，要么被大幅简化。最近，Beckers等人[13]使用GEOPHIRES[14]数值评估了一个CLGS的经济绩效，假设了有利的经济参数，考虑了广泛的系统配置和地质条件。他们的分析得出，同轴系统的供热平准化成本（LCOH）为20–110 $/MWh·th，U型管系统为10–70 $/MWh·th，而估算的电力平准化成本（LCOE）在83至2200 $/MWh·el之间，总体表明竞争力有限。White等人[15]通过全面的参数分析扩展了这一工作，表明此类系统在直接利用应用中可能具有竞争力，但在发电方面则不然。Tangirala等人[16]进一步证实了这一趋势，指出谨慎扩展EGS技术比CLGS更有前景，用于从非常规地热资源扩大电力生产。

尽管这些研究提供了大致一致的见解，但它们在一定程度上依赖于对地表电站的简化假设，并且没有考虑可能对系统有利的因素，如热负荷的动态行为[17]。因此，仍需进一步分析以全面评估这些系统的经济可行性。

本研究旨在评估基于钻孔热交换器（BHE）的深层闭式环路地热系统的技术经济可行性，同时考虑直接供热应用和热电联产配置。分析基于意大利中部两个案例研究，这些案例在HOCLOOP项目框架下选定，代表了不同的地质环境和热需求特征。

为实现这一目标，研究开发了一个热经济建模框架，用于描述井的瞬态行为，考虑可变负荷条件及周围岩石的长期热耗竭。特别强调经济评估，通过引入一种针对在离设计工况下运行的有机朗肯循环（ORC）机组的新型成本关联式。

居民区集中供热应用与工业热电联产案例的比较有助于识别影响闭式环路BHE系统竞争力的主要因素，并为这些系统作为全球热能需求脱碳解决方案的潜力提供见解。

# 案例研究

本文呈现的案例研究是在HOCLOOP项目[18]框架下选定的，旨在对具有中等至高热流和地热梯度的地区中这些地热系统的性能进行数值评估。地热系统由一组同心BHE组成，如图1所示，包括一个初始下降段（钻至达到目标岩石温度）和一个水平段（钻以增大总换热...）。

# 方法论

深层闭式环路地热系统面临的主要问题之一（如本研究分析的系统）是，由于井周围岩石的冷却，热性能会随时间退化。当井不使用时，周围岩石会重新升温，恢复原有性能。

为考虑这种有益效应，我们开发了一个能够预测变量和/或间歇负荷对周围岩石冷却影响的井模型，并且...

# 模型验证

为对井模拟工具进行基准测试，使用了Leontidis等人[41]的数据。在该参考案例中，利用一个潜在的HOCLOOP测试场址（即比利时Mol的Vito开式环路地热项目[42]）的地质和热需求信息，模拟了不同负荷场景和控制策略下的地热系统。

为验证上述建模方法，选择了不规则需求案例（也称为场景2）...

# 结论

本工作对闭式环路钻孔热交换器系统进行了全面的热经济分析，旨在评估其在直接供热应用和发电方面的可行性。通过对意大利两个特定案例的研究，本文揭示了利用深层闭式环路技术开发地热能的潜力和局限性。本研究的主要发现总结如下：

# CRediT作者贡献声明

Pietro Ungar：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。Federico Gigliotti：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、软件、资源、方法论。Edoardo Falchini：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法论。Daniele Fiaschi：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。

# 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

佛罗伦萨大学的贡献资金通过参与HOCLOOP Horizon欧洲项目获得（Horizon Europe计划，招标号：HORIZON-CL5-2021-D3-03，项目编号：101083558）。

Pietro Ungar | Federico Gigliotti | Edoardo Falchini | Daniele Fiaschi
佛罗伦萨大学工业工程系，意大利

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