熱導率對地熱勘探和成功開發地熱供熱系統的重要性

介紹

2030年11月是聯合國所設定的實現17個明確定義永續發展目標的最後期限。作為這個星球的居民,我們有責任在人為所造成的氣候變遷對我們的地球造成不可逆轉的破壞之前,設計和實現必要的基礎設施來實現這些目標。

其中一些永續發展的目標強調將形成污染的能源獲取和製造的方式轉移到乾淨且可再生資源。隨著氣候變遷的時鐘滴嗒作響,距離最後期限僅剩8年,各國政府和權威人士肩負著重任,他們需要制定解決方案,以更環保的技術和基礎設施替代溫室氣體排放系統。

聯合國17項可持續發展目標——強調目標7,強調負擔得起的清潔和可再生能源的重要性
圖1:聯合國17項可持續發展目標——強調目標7,強調負擔得起的清潔和可再生能源的重要性

什麼是地熱能?

這種替代賽將對可再生能源系統的需求推到高點。這類大多數的系統,一旦安裝,可以大量減少有害溫室氣體的排放,並有助於大幅節省經濟支出和能源消耗。其中,有一項特殊的環保能源正在成為人們關注的焦點,那就是地熱能。這些系統利用地表之下儲存的能量,將其重新定向,為各種供熱和製冷過程提供能量。這種能源可以通過各種規模的開發專案來加以利用,從可以為整座城市提供足夠能源的大型發電廠,到可以為個人住宅調節溫度的地下熱泵。

地熱能是通過地球中心和地球表面之間的自然傳導和對流過程從地核中獲得的。地核內的溫度可高達到4000°C,這導致周圍的岩石融化並轉化為熔岩(或稱為岩漿)。滾燙的熔岩會將熱量向上傳遞,進入位於地核上方的地幔中,使其表現得更像塑膠而非堅硬的岩石。當地幔的一部分由於失去剛性而開始起伏時,它們通過對流將熱量上傳至地球表面。當我們開發地熱能時,這種向上移動的熱量和能量就是我們所要開發的。

地球內部能量利用的圖示
圖2:地球內部能量利用的圖示

地熱能簡史

這種形式的能量最初通過收集地殼裂縫所釋放的蒸汽來加以利用。雖然具有創新性,但蒸汽的應用受到嚴重限制,僅限於驅動簡單的渦輪機。從那時起,地熱能的使用範圍逐漸得到了擴大並實現了現代化,如今已普遍用於建築物和家庭內部的供暖和製冷。目前最大的地熱能生產國是美國,但其他國家,如冰島,得益於其靠近地殼板塊邊界的獨特地理位置,擁有大量可供開發的地熱資源。一個多世紀以來,冰島一直在開發地熱能,由於其地貌包括25座活火山、600處溫泉和5座以上大型地熱能發電廠,冰島成為了成功開發地熱能的最好例子。這個北歐國家目前從地熱資源中收集的能源在其能源總量的占比達到了驚人的25%。

地熱能的好處

將傳統的化石燃料能源轉換為地熱能對環境有許多實質性的好處。例如,地熱能的二氧化碳排放量是清潔天然氣發電廠的1/5,而且比傳統形式的能源便宜,與化石燃料相比,可以為用戶節省80%的費用。與太陽能和風能不同,地熱能不依賴於不可控的變數——如天氣或風。它是一種永續的資源,只等被開發利用。儘管地熱能有許多好處,但它也有一些缺點,包括初期建設、鑽探和勘探成本。在設計任何規模的地熱能源系統時,考慮周圍地質材料的熱性能和結構對於確保建造最經濟和高效的系統極其重要。以下三個地下特性是決定地熱換熱系統設計成敗的關鍵因素:這些熱性能包括熱容、不受干擾的地表溫度和熱導率。

為安裝地熱水平面迴路熱泵系統所挖的鑽井。
圖3:為安裝地熱水平面迴路熱泵系統所挖的鑽井。

影響地源換熱器效率的熱特性

在加拿大和類似的北緯地區,用於住宅供暖和製冷的最高效系統是地熱換熱器(GHE:Geothermal Heat Exchanger),加拿大市場表現出對閉環GHE系統的強烈偏好。這種偏好在很大程度上是由於這類系統易於維護,並且有相對簡單的與其安全操作相關的規定。這類換熱器通常被稱為地源換熱器(GCHE:Ground Coupled Heat Exchanger),可以垂直或水平安裝。GHE通常由高密度聚乙烯管制成,埋在不同深度的鑽孔或溝槽中。一種由水和防凍劑組成的載熱流體在這些地下管道中迴圈,從而使熱量通過流體與其上方的地面交換。除了GHCE配置,熱泵效率在很大程度上取決於建築的能源需求和地下材料的傳熱能力。這就是熱導率發揮作用的地方,因為它是量化這種傳熱能力的最具影響力的指標之一。

水平地源換熱器設計和結構部件解構
圖4:水平地源換熱器設計和結構部件解構。

儘管地源換熱器(GCHE)的成功主要取決於地下材料的熱導率,但在勘探過程中必須將這三個決定因素都考慮在內。然後,這些地表測量資料被用來確定所需的鑽孔深度和激發換熱器的水溫,以評估所有可能的能源節約。不受干擾的地表溫度根據間隔鑽孔之間的淺層地下溫度圖推斷而來,或者根據大氣資料推導得出。地質材料的地表熱容通常變化不大,並且大多數換熱器系統對其周圍材料的儲熱能力都表現得不敏感。地埋式換熱器的靈敏度就在於地下材料的熱導率。

地源熱泵系統向量圖
圖5:地源熱泵系統向量圖。

熱導率對GCHE的影響

GCHE所在位置的地質材料熱導率會對所需的鑽孔深度產生巨大的影響,有時甚至需要增加多達50%以滿足建築物的能源需求。材料的熱導率描述的是一種材料通過傳導過程傳遞熱量的能力,通常以“W/(m·K)”來表示。大多數地質材料的熱導率值在0.5~8 W/(m·K)之間,GCHE的理想地表熱導率平均約為6 W/(m·K)。任何低於2 W/(m·K)的地下熱導率值都需要鑽更深的孔,因此增加了供熱系統的安裝成本。在建造地熱系統之前,確定地面的熱導率很關鍵,這樣可以準確地籌畫出節約能源的回報時間,從而使GCHE取代傳統能源系統成為更具吸引力和經濟競爭力的選擇。

測量地下熱導率

目前,評估地下熱導率最常用的方法是熱響應測試(TRT)。這是一種相對較新的描述區域熱導率的方法,直到20世紀80年代中期才開始普遍應用。由於深層地質材料的熱導率很少能夠直接測量,它必須通過監測某一特定區域內的地表溫度和其所產生的熱傳遞,並對所收集的溫度測量資料進行廣泛分析來評估。這種監測可以是主動的,也可以是被動的。主動監測是在鑽孔位置實地使用的方法,如使用TRT或在鑽孔的不同深度間隔進行瞬態測量。另外,被動監測依賴於地球物理測井或對未受TRT干擾的井眼溫度曲線的分析。然後,用數學方法從這些長期收集過程中反映出來的測量結果計算得出熱導率。實驗室方法是對一個地區的熱導率進行分類的另一種方法,對指定GCHE地點的地面材料進行取樣分析來進行。該方法是一種主動方法,採用多種熱導率測量裝置進行瞬態和穩態傳熱實驗。無論使用什麼方法來確定地下熱導率,這些值都能夠使地熱換熱器的設計和安裝更有效、更安全,通過確保其安全運行顯著降低與系統潛在故障相關的風險。

結論

可再生能源技術在地熱能領域不斷進步,特別是圍繞著更準確、更廉價的方法來量化重要的地質屬性,如熱導率。更現代的方法和設備的發展將有助於降低設計地源換熱器的門檻,並使其成為房屋所有人更容易接受的開發方案。除了一些廣泛的勘探和安裝過程,地熱供暖和製冷系統的好處是巨大的,並且可以通過成為傳統化石燃料的經濟友好型替代品來幫助地球恢復環境。諸如這樣的能源開發和日常應用方式的改變,可以推動社會朝著正確的方向發展,以實現聯合國的永續發展目標,並使我們地球繼續朝著更環保、更乾淨的未來前進。

作者:Kallista Wilson  | 初級研究科學家 | Thermtest

參考資料

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