热导率对地热勘探和成功开发地热供热系统的重要性

介绍

2030年11月是联合国所设定的实现17个明确定义的永续发展目标的最后期限。作为这个星球的居民,我们现在有责任在人类造成的气候变化继续对我们的地球造成不可逆转的破坏之前,设计和实现必要的基础设施来实现这些目标。

其中一些永续发展的目标强调可将形成污染的能源获取和制造的方式转移到干净且可再生资源。随着气候变化的时钟滴嗒作响,距离最后期限仅剩8年,各国政府和权威人士肩负着重任,他们需制定解决方案,以更环保的技术和基础设施替代温室气体排放系统。

联合国17个可持续发展目标
图1:联合国17个可持续发展目标——其中目标7,强调负担得起的清洁能源和可再生能源的重要性

什么是地热能?

这种替换赛将对可再生能源系统的需求推至顶天。大多数的这类系统中一旦安装,可以大量减少有害温室气体的排放,并有助于大幅节省经济支出和能源消耗。其中,有一项特殊的绿色能源正在成为人们关注的焦点,那就是地热能。这些系统利用地表之下储存的能量,将其重新定向,为各种供热和制冷过程提供能量。这种能源可以通过各种规模的开发项目来加以利用,从可以为整座城市提供足够能源的大型发电厂,到可以为个人住宅调节温度的地下热泵。

地热能是通过地球中心和地球表面之间的自然传导和对流过程从地核中获得的。地核内的温度可高达到4000°C,这导致周围的岩石融化并转化为熔岩(或称为岩浆)。滚烫的熔岩会将热量向上传递,进入位于地核上方的地幔中,使其表现得更像塑料而非坚硬的岩石。当地幔的一部分由于失去刚性而开始起伏时,它们通过对流将热量上传至地球表面。当我们开发地热能时,这种向上移动的热量和能量就是我们所要开发的。

地球内部能量利用的图示
图2:地球内部能量利用的图示

地热能简史

这种形式的能量最初通过收集地壳裂缝所释放的蒸汽来加以利用。虽然具有创新性,但蒸汽的应用受到严重限制,仅限于驱动简单的涡轮机。从那时起,地热能的使用范围逐渐得到了扩大并实现了现代化,如今已普遍用于建筑物和家庭内部的供暖和制冷。目前最大的地热能生产国是美国,但其他国家,如冰岛,得益于其靠近地壳板块边界的独特地理位置,拥有大量可供开发的地热资源。一个多世纪以来,冰岛一直在开发地热能,由于其地貌包括25座活火山、600处温泉和5座以上大型地热能发电厂,冰岛成为了成功开发地热能的最好例子。这个北欧国家目前从地热资源中收集的能源在其能源总量的占比达到了惊人的25%。

地热能的好处

将传统的化石燃料能源转换为地热能对环境有许多实质性的好处。例如,地热能的二氧化碳排放量是清洁天然气发电厂的1/5,而且比传统形式的能源便宜,与化石燃料相比,可以为用户节省80%的费用。与太阳能和风能不同,地热能不依赖于不可控的变量——如天气或风。它是一种持续可用的资源,只等被开发利用。尽管地热能有许多好处,但它也有一些缺点,包括初期建设、钻探和勘探成本。在设计任何规模的地热能源系统时,考虑周围地质材料的热性能和结构对于确保建造最经济和高效的系统极其重要。以下三个地下特性是决定地热换热器系统设计成败的关键因素:这些热性能包括热容、无扰动地表温度和热导率

为安装水平回路的地热热泵系统所挖的钻井
图3:为安装水平回路的地热热泵系统所挖的钻井。

影响地源换热器效率的热特性

在加拿大和类似的北纬地区,用于住宅供暖和制冷的最高效系统是地热换热器(GHE:Geothermal Heat Exchanger),加拿大市场表现出对闭环GHE系统的强烈偏好。这种偏好在很大程度上是由于这类系统易于维护,并且有相对简单的与其安全操作相关的规定。这类换热器通常被称为地源换热器(GCHE:Ground Coupled Heat Exchanger),可以垂直或水平安装。GHE通常由高密度聚乙烯管制成,埋在不同深度的钻孔或沟槽中。一种由水和防冻剂组成的载热流体在这些地下管道中循环,从而使热量通过流体与其上方的地面交换。除了GHCE配置,热泵效率在很大程度上取决于建筑的能源需求和地下材料的传热能力。这就是热导率发挥作用的地方,因为它是量化这种传热能力的最具影响力的指标之一。
水平地源换热器设计和结构部件解构
图4:水平地源换热器设计和结构部件解构。

尽管地源换热器(GCHE)的成功主要取决于地下材料的热导率,但在勘探过程中必须将这三个决定因素都考虑在内。然后,这些地表测量数据被用来确定所需的钻孔深度和激发换热器的水温,以评估所有可能的能源节约。无扰动地表温度根据间隔钻孔之间的浅层地下温度图推断而来,或者根据大气数据推导得出。地质材料的地表热容通常变化不大,并且大多数换热器系统对其周围材料的储热能力都表现得不敏感。地埋式换热器的灵敏度就在于地下材料的热导率。

地源热泵系统
图5:地源热泵系统矢量图。

热导率对GCHE的影响

 

GCHE所在位置的地质材料的热导率会对所需的钻孔深度产生巨大的影响,有时甚至需要增加多达50%以满足建筑物的能源需求。材料的热导率描述的是一种材料通过传导过程传递热量的能力,通常以“W/(m·K)”来表示。大多数地质材料的热导率值在0.5~8 W/(m·K)之间,GCHE的理想地表热导率平均约为6 W/(m·K)。任何低于2 W/(m·K)的地下热导率值都需要钻更深的孔,因此增加了供热系统的安装成本。在建造地热系统之前,确定地面的热导率很关键,这样可以准确地筹划出节约能源的回报时间,从而使GCHE取代传统能源系统成为更具吸引力和经济竞争力的选择。


测量地下热导率

目前,评估地下热导率最常用的方法是热响应测试(TRT)。这是一种相对较新的描述区域热导率的方法,直到20世纪80年代中期才开始普遍应用。由于深层地质材料的热导率很少能够直接测量,它必须通过监测某一特定区域内的地表温度和其所产生的热传递,并对所收集的温度测量数据进行广泛分析来评估。这种监测可以是主动的,也可以是被动的。主动监测是在钻孔位置实地使用的方法,如使用TRT或在钻孔的不同深度间隔进行瞬态测量。另外,被动监测依赖于地球物理测井或对未受TRT干扰的井眼温度曲线的分析。然后,用数学方法从这些长期收集过程中反映出来的测量结果计算得出热导率。实验室方法是对一个地区的热导率进行分类的另一种方法,对指定GCHE地点的地面材料进行取样分析来进行。该方法是一种主动方法,采用多种热导率测量装置进行瞬态和稳态传热实验。无论使用什么方法来确定地下热导率,这些值都能够使地热换热器的设计和安装更有效、更安全,通过确保其安全运行显著降低与系统潜在故障相关的风险。


结论

可再生能源技术在地热能领域不断进步,特别是围绕着更准确、更廉价的方法来量化重要的地质属性,如热导率。更现代的方法和设备的发展将有助于降低设计地源换热器的门槛,并使其成为房屋所有人更容易接受的开发方案。除了一些广泛的勘探和安装过程,地热供暖和制冷系统的好处是巨大的,并且可以通过成为传统化石燃料的经济友好型替代品来帮助地球恢复环境。诸如这样的能源开发和日常应用方式的改变,可以推动社会朝着正确的方向发展,以实现联合国的可持续发展目标,并使我们地球继续朝着更环保、更干净的未来前进。


作者:Kallista Wilson  | 初级研究科学家 | Thermtest

参考资料

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Raymond, J. (2018). Colloquium 2016: Assessment of subsurface thermal conductivity for geothermal applications. Canadian Geotechnical Journal. https://cdnsciencepub.com/doi/10.1139/cgj-2017-0447

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