《Renewable Energy Focus》：Long-term numerical assessment of shallow geothermal systems in arid regions along the Nile River
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浅层地热能在炎热干燥气候中的可行性研究，通过开罗大学近尼罗河实验室的GSHP系统数值模拟，对比串联与并联流模式及生活热水整合对地温场的影响，验证了串联流降低峰值温度5.69%和DHW整合减少3.24%热积累的长期效果，建立FEFLOW模型可靠性。
Khaled Abdelghafar|Francesco Tinti|Mohamed Ismael|Hany Helal|Mohamed Elkarmoty
开罗大学工程学院，采矿、石油与冶金工程系，Gamaa街1号，吉萨12613，埃及
摘要
可再生能源系统的可持续运行确保了其长期的可靠性和竞争力。虽然地热能具有巨大潜力，但在以制冷为主的热气候条件下，其性能尚未得到充分研究。这些地区的高制冷需求导致大量热量注入地下，使得系统恢复初始热状态变得至关重要。本研究首次对位于埃及开罗、尼罗河附近的地下源热泵（GSHP）进行了数值模拟，该系统配备了三个40.00米深的钻孔热交换器（BHEs），并使用FEFLOW?数值软件进行建模。模型通过现场测量和热响应测试进行了校准；随后，利用该模型评估了系统在不同运行情景下的十年性能，包括并联和串联流动以及生活热水（DHW）生产的集成。结果表明，与并联流动相比，串联流动可将钻孔出口温度最大降低5.69%，并将热羽流限制在较浅的深度。并联流动导致地下温度逐渐升高，热羽流扩散范围更广，而生活热水的集成进一步改善了热平衡，使峰值温度降低了约3.24%，并减轻了长期热量积累。观测数据证实，串联流动有利于地下热能的回收，而并联流动则会导致逐渐失衡（地下温度升高）。总体而言，研究结果表明，在开罗炎热干燥的气候条件下，浅层地热系统在技术上是可行的，其中串联流动与生活热水回收相结合的方式提高了系统的长期热可持续性。数值预测与现场数据的一致性证明了模型的可靠性，为炎热干燥地区GSHP的设计和性能提供了指导。
引言
全球向可持续能源系统的转型加速了对传统化石燃料供暖和制冷替代方案的探索。在埃及，2030愿景战略目标是将可再生能源占比提高到42%[1]。这一转型至关重要，因为该国面临着制冷需求的急剧增长，夏季气温经常超过40°C。通过地下源热泵（GSHP）利用的浅层地热能（SGE）已成为一种高效解决方案。与容易在极端环境温度下效率下降的空气源系统相比，GSHP利用地下作为稳定的热储存库，表现出更优的性能[2],[3]。
尽管GSHP技术在温带地区已经成熟，但在炎热干燥气候条件下的长期可持续性仍需针对具体地点进行研究[4]。在以制冷为主的地区，持续向地下注入热量会导致地下未扰动温度（UGT）逐渐升高。沙特阿拉伯[5],[6],[7]、阿联酋[8]、突尼斯[9]、约旦[10]、摩洛哥[11]和阿尔及利亚[12]的研究表明，升高的UGT会随着时间的推移降低制冷性能[4],[13]。如果没有有效的控制策略，这种热失衡可能导致系统完全失效，因为地下失去吸收废弃热量的能力[13]。全球范围内，上海的一项20年研究表明，GSHP的性能会下降，地下温度上升超过12.0°C，温差增加约0.20K，COP逐渐降低[14]。忽略地下水流的情况下，这种模型支持了地下温度的升高。然而，不同研究显示，地下水流显著改善了系统的长期性能[15]。这些结果与夏威夷岩石介质的情况一致，其中地下水流通过传导以外的对流增强了热传递[16]。
为了减轻热量积累，研究人员提出了混合系统。例如，将冷却塔与GSHP结合使用可以有效稳定地下温度[17]。采用这种混合式地下源热泵系统后，制冷能耗最多可降低10.80%，显著提高了地下热稳定性，将年地下温度上升幅度从1.00°C降至0.10°C以下[18]。
其他策略包括增加钻孔热交换器（BHEs）的数量或采用太阳能辅助配置来减轻对地面的热应力[19]。此外，流动配置会影响效率；研究表明，串联流动可以获得比并联流动更高的温差，但这需要权衡更高的泵送能耗[13]。为了限制温度上升，采用了一种混合配置，使用七个BHEs。在组/单独策略中，六个BHEs同时处理供暖和制冷负荷，而另一个专门用于生活热水（DHW）；在并联策略中，所有七个BHEs仅用于供暖和制冷。20年的模拟显示，组/单独方法将进入水的平均温度降低了约1.03°C，提高了长期热性能[20]。此外，文献中强调了开发改进的回填材料和工作流体、优化地下热交换器配置以及将地热系统与其他可再生能源或废热源结合的必要性，以通过数值和分析方法指导有效的工程应用[21]。
预测长期热响应对于系统可靠性至关重要。数值模型用于验证设计、评估地下水流动的影响以及相邻钻孔之间的热干扰[22]。可靠性取决于与热响应测试（TRT）的准确校准；即使地下热导率估计存在微小误差，也可能导致钻孔深度的重大计算错误。
评估了热失衡的长期影响，发现20年周期内季节性性能下降了9.10%[23]。结果表明，在运行的初始阶段，地下温度上升最为明显，前五年每年上升约0.72°C，而在20年周期的最后五年，上升速率稳定在每年约0.03°C，地下渗流通常具有有益的冷却效果[23]。最近使用计算流体动力学（CFD）的研究表明，热失衡增加35%至76%会导致钻孔出口水温随时间上升10.70°C[24]。
尽管在浅层地热研究方面取得了进展，但在受尼罗河等主要河流系统影响的炎热干燥地区，这些系统的长期性能仍存在关键差距。本研究通过提供开罗高温环境下GSHP系统的十年数值评估来填补这一空白。利用校准过的FEFLOW?模型，研究了流动配置（并联与串联）、地下水对流以及生活热水（DHW）集成作为热平衡策略的协同效应。主要目标是：
- 1. 量化在密集制冷负荷下地下的长期热演变；
- 2. 评估流动布局和地下水流动对热羽流扩展和衰减的影响；
- 3. 评估生活热水（DHW）集成作为减轻地下热量积累和改善系统季节性能系数的有效性。
系统配置
所分析的系统是为开罗大学工程学院（CUFE）的一个中型实验室（47.25平方米）设计的，位于吉萨，距离尼罗河以西不到1公里（图1）。这个开创性的试点系统由三个垂直BHEs组成，每个BHE的深度为40.00米，钻入的热导率平均为2.10 W·m^-1·K^-1和2.53 W·m^-1·K^-1，根据不同的采集技术，UGT分别为24.10°C和25.10°C。两个BHE已安装完毕
数值模型设置
数值模拟使用了有限元代码FEFLOW?，该代码能够模拟耦合的地下水流动和热传输。模型考虑了地下热传导、由于地下水流动引起的对流以及BHE内部循环流体的热交换。计算域覆盖了150.00米×70.00米的水平区域，深度为60.00米，足以消除BHE场周围的边界效应。
结果与讨论
基于短期性能监测，在夏季模式（S-ACP- 制冷 & 生活热水）下，水通过BHEs串联循环的效果优于仅进行制冷（P-ICP- 制冷）模式，可以更有效地降低钻孔水温，从而提高性能。图6明确显示了全年运行模式（S-ACP- 全年活动）对钻孔进出口温度的影响，与最低性能模式进行了比较
结论
本研究评估了在开罗以制冷为主、受地下水影响的环境中运行的GSHP系统的长期热性能。结果表明，与并联布局相比，串联流动配置改善了热管理，将钻孔出口水温的最大值降低了5.69%，并在取热期间将最低出口温度提高了11.59%。生活热水（DHW）生产的集成进一步降低了峰值出口温度
CRediT作者贡献声明
Khaled Abdelghafar：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、概念化。Francesco Tinti：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、概念化。Mohamed Ismael：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。Hany Helal：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。
资助
本工作得到了ERASMUS+资助的“EGYPT地热能能力建设项目‘GEB’（项目编号618455-EPP-1-2020-1-EG-EPPKA2-CBHE-JP）在2021-2024年期间的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
