通过能量墙实现供暖和制冷的地下储存

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Underground Storage of Heating and Cooling Through Energy Walls

本研究通过热-水-力学有限元模拟，系统分析平面地球接触结构（如地下墙、隧道等）作为地下热能存储装置的可行性，探讨几何、运营及场地参数对热力学性能、地质影响和结构响应的影响，发现其储能效率可达60%，并评估其对地下热岛效应的作用。

　　

奥黛尔·蒙塔纳尔（Odile Montarnal）| 杰克·努利施（Jack Nulisch）| 莱塞·拉卢伊（Lyesse Laloui）| 亚历山德罗·F·罗塔·洛里亚（Alessandro F Rotta Loria）

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）土壤力学实验室（LMS），站点18，洛桑1015，瑞士

摘要

本研究探讨了作为热交换器的平面地球接触结构（通常称为能源地构）的热能储存潜力。迄今为止，已有许多研究探索了这些平面能源地构在热能提取和注入方面的性能，但尚未有研究全面分析其热能储存潜力。本研究通过进行热-水-力学有限元模拟，来模拟这些平面结构热交换器在未研究的热能储存操作下的行为，从而填补了这一知识空白。研究使用了芝加哥Loop区一个停车场的代表性模型，通过修改几何参数、运行参数和场地参数，全面分析了这些平面能源地构在能源、岩土工程和结构性能方面的表现。这些分析旨在深入理解支配此类技术运行的机制和现象，为科学、工程和技术的未来发展奠定基础。初步研究结果表明，热能储存是可行的：通常可期望达到60%的效率。同时，还研究了机械响应以及对永久性地下加热的影响，以考虑热能储存过程的更广泛影响。平面地下墙作为热传递和储存介质的广泛应用，有望促进更可持续的社会发展。

引言

全球范围内，城市化进程正在引发一场全球性的能源危机¹。在美国的商业建筑中，空间供暖和制冷消耗了超过40%的终端能源²，而全球气温上升加剧了这一需求³。因此，迫切需要建设能源生产基础设施。由于城市空间有限且追求能源的可再生性，人们开始将目光投向地下。

浅层地热技术可以通过两种方式实现这一目标：热交换和热储存。热交换技术（即地源热泵GSHP）利用浅层地下的近似恒定温度进行热能的提取和注入⁴。GSHP通常利用机械能驱动热泵，通过地下管道系统与地下进行热交换。热储存技术（即地下热能储存UTES）则通过将太阳能或废热储存在地下，将地下空间转化为“热电池”⁵。UTES会在地下形成比原始温度更高或更低的区域，这些能量可以在未来被提取出来。

能源地构（EGs）通过将GSHP和UTES整合到建筑环境中，扩展了传统浅层地热技术的应用范围，从而解决了城市扩张带来的空间限制问题。这种结合还有助于降低建设成本⁶。地热管道系统被嵌入到基础结构和基础设施中，如地下室墙壁、隧道外壳和基础桩等。这些所谓的“能源墙”“能源隧道”和“能源桩”构成了EG技术的主要组成部分。

用于UTES的能源地构可以执行多种操作，包括日常和季节性的供暖和制冷储存。例如，用于季节性供暖储存的能源地构在夏季的“充电期”通过管道循环热水；在冬季的“放电期”，较冷的流体通过同一管道循环，从而从地下热能储存中提取能量用于供暖和供水。制冷储存的过程则相反：在冬季将低温与地下交换，以便在夏季使用。日常供暖和制冷的储存原理类似，只是时间尺度更短。

目前，越来越多的研究开始探索能源桩和能源隧道的热能储存潜力。能源桩已通过计算和实验技术得到了深入研究^{28, 29, 32}，而能源隧道的研究则相对较少^{21, 22}，目前主要限于数值建模。然而，能源墙的研究主要集中在热交换方面，而非储存方面。

本文探讨了能源墙用于地下热能储存的可行性，以及这一非等温过程对地下热稳定性的影响。通过研究中心几何参数、运行参数和场地参数对能源墙性能的影响，本文提供了对这种较少被研究的地构与其周围地面相互作用的新见解。模拟主要集中在供暖能量的储存上，但也包括了制冷能量的储存模拟。重要的是，这些模拟不仅涵盖了能源墙的热行为，还包括其机械行为。此外，本研究还量化了地下热能储存对城市热岛现象的潜在影响。由于人为活动，全球许多城市都出现了这种地面升温现象，需要采取措施加以缓解，以避免对环境³³、公共健康³⁴和民用基础设施³⁵造成不良影响。

为了评估能源墙的性能，本研究采用了受美国芝加哥一个大型地下停车场启发的热-水-力学有限元模拟方法。所得分析结果为能源墙的性能提供了预期值，为未来的设计实践提供了参考。因此，这项工作代表了在理解能源墙热能储存性能方面的重大进展。

部分内容摘要

一般信息

本研究使用COMSOL Multiphysics软件进行了三维热-水-力学有限元模拟^{36, 37}。模拟工作基于美国芝加哥Loop区Millennium Garages停车场的一个具体实例的几何和场地特征进行设计。

主要进行了两组模拟：一组是参考模拟，考虑了能源墙典型的几何参数、运行参数和场地参数；

参考案例

图3展示了50年间主要热变量的变化趋势。图3(a)显示了热载体流体的温度变化，图3(b)展示了地面温度和储存容量的变化过程，图3(c)展示了热功率的变化，图3(d)展示了年际热能和效率的变化，图3(e)可视化了热能产生的热泡的变化过程

结论性评论

本文探讨了平面能源地构在供暖和制冷热能储存方面的潜力。通过研究影响能源墙性能的多种几何参数、运行参数和场地参数，本文全面评估了利用能源墙进行地下热能储存的可行性。研究不仅关注了能源墙在这些应用中的能源性能，还考虑了其岩土工程特性

未引用参考文献

57, 58, 59, 60

CRediT作者贡献声明

奥黛尔·蒙塔纳尔（Odile Montarnal）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论设计、数据整理、概念构思。莱塞·拉卢伊（Lyesse Laloui）：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、概念构思。杰克·努利施（Jack Nulisch）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论设计、数据收集、形式分析

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：本文的第三和第四作者持有GEOEG和enerdrape（两家地热能源公司的）股份。