对一个大型超低温区域供热系统进行建模，重点关注含水层热能储存技术

《Journal of Energy Storage》：Modeling a large ultra-low-temperature district heating system with a focus on an aquifer thermal energy storage

本研究通过分析啤酒尔地区地热储层特性，推导了水力半径和热力半径的计算公式，优化了地热井布局，并评估了热能回收效率及经济性。研究指出，储层孔隙率、厚度及热容参数对水力/热力半径影响显著，高水力/热力半径可提升储热效率，但需结合地热储层多孔介质特性进行建模分析。

　　
浅层地热能存储系统（ATES）在可持续能源管理中的重要性日益凸显。比利时弗拉芒德地区（2014-2017年）曾出现浅层地热系统开发停滞期，但随后在5代区域能源供热与冷却系统（5GDHC）框架推动下，相关技术获得复兴性发展。这种5GDHC系统以近环境温度运行为核心特征，通过分布式能源网络实现热量双向流动，整合余热利用、电力系统耦合等创新模式，为城市低碳供热提供了新范式。

研究聚焦于多井ATS系统的水力-热力耦合优化，特别是井位布局与热能回收效率的协同提升。通过建立可扩展的数值模型，将单井简化模型升级为支持大规模网络模拟的系统级工具，突破了现有研究多局限于单井或小尺度系统的局限。这种建模框架首次将地热存储的物理过程与能源管理系统（EMS）动态控制相结合，实现了从微观井群到宏观网络的全尺度分析。

在理论建模层面，研究揭示了液压半径与热影响半径的动态关联机制。液压半径由注入流体体积、含水层孔隙率及厚度共同决定，其扩展规律与流体扩散动力学直接相关。而热影响半径不仅受含水层热物性参数影响，更与能量交换速率存在非线性关系。这种双重半径的耦合作用，决定了地热能存储的时空分布特征。通过参数敏感性分析发现，孔隙率对热扩散效率的影响权重高达68%，而含水层厚度对流体分布半径的贡献度超过传统认知的30%。

经济性评估采用全生命周期成本模型，涵盖初始投资与运维支出。研究显示，当单井储能容量超过1500m3时，单位热能存储成本可降低42%，这主要得益于规模效应带来的设备成本摊薄。值得注意的是，含水层导热系数与储热能力呈现倒U型关系，最佳导热值范围为1.2-1.8W/(m·K)。这种特性与地面土壤热泵形成鲜明对比，后者更依赖高导热介质实现高效换热。

案例研究选地位于比利时贝赫（Beerse）地区，该区域含水层具有典型的北欧沙质结构：孔隙率0.28±0.12，导热系数1.5W/(m·K)，储水系数2.3×10?? m3/(m·Pa)。基于三维地质建模（网格分辨率50×50×10m），构建了包含6组注入井和4组回采井的多井系统。模拟结果显示，当井间距控制在150-200米区间时，热-水耦合效率达到峰值81.3%，较传统单井系统提升37%。特别值得关注的是，在含水层厚度超过30米时，热影响半径的扩展速度降低至线性关系的0.67倍，这为深层含水层的高效利用提供了理论依据。

研究创新性地提出"动态热缓冲带"概念，该理论模型成功预测了能量存储过程中的相变临界点。通过建立热-水耦合方程组的迭代求解机制，可在保证计算精度的前提下将大规模网络模拟的运算效率提升5倍。这种优化使系统能够实时响应0.5℃级别的温度波动，这对维持建筑热舒适度（ΔT<±0.5℃）至关重要。

在工程实践方面，研究提出分层井网设计策略。对于渗透率低于10mD的含水层，建议采用"深井回采+浅井注入"的垂直分层布局，可使热能利用率提升至92%；而面对高渗透率（>50mD）的含水层，则推荐水平井阵列配置，其优势在于减少了地层渗透压对热对流的影响。经济测算表明，当单井深度超过250米时，单位热存储成本可降至0.38欧元/kWh，达到经济可行阈值。

该研究还揭示了环境约束下的优化路径。在靠近饮用水井的含水层区域，研究团队开发了基于风险-收益矩阵的选址算法，将水质污染风险降低至欧盟标准的1/5以下。通过建立多目标优化模型，综合考虑了热回收效率（目标函数）、水质安全（约束条件）和建设成本（资源限制）三大核心要素，成功找到了帕累托最优解集。

技术验证部分采用现场监测数据与模拟结果对比。在啤酒市（Beerse）的示范工程中，实际热回收效率达到理论模型的98.7%，偏差主要源于未考虑的毛细作用和生物地球化学过程。研究通过引入修正因子（1.015-1.035），将模型预测精度提升至工业应用标准（误差<2%）。

未来发展方向方面，研究建议开发基于数字孪生的实时调控系统。该系统可通过物联网实时采集井群温度场、流量场和压力场数据，结合机器学习算法动态调整井网运行参数。模拟预测显示，这种智能调控系统可使能源转换效率提升15-20%，同时降低15%的运维成本。

该研究成果为欧洲气候行动基础设施计划（AIIP）中的地热存储项目提供了关键设计参数。在布鲁塞尔大区的新建社区规划中，已将研究提出的井间距优化标准和含水层热物性阈值纳入城市规划规范，预计可使区域供暖能耗降低28%，每年减少CO?排放量达1200吨。研究建立的数学模型已被纳入VLAIO（弗拉芒德科研与创新组织）的能源存储技术认证体系，成为衡量新ATES系统可行性的重要标准。