基于 HPC 的水热有限元模拟器用于模拟社区尺度地热能源生产的地下响应
分布式、并行与集群计算
2021-03-02 v1 地球物理
摘要
地热作为可再生能源，由于其比传统化石燃料显著更低的 CO2 排放，在环境影响方面显示出巨大优势。利用浅层地热系统的开环和闭环地热热泵是一种用于建筑制冷和供暖的高效技术，尤其在城市地区。将地热能源技术综合用于区域供暖、制冷和热能存储，可应用于优化社区地下空间，为其提供多种可持续能源和社区韧性效益。对地下资源的利用可能导致地下环境变化，进而可能影响当地环境条件。然而，极少有模拟器能在区域或城市尺度上处理如此高度复杂的耦合计算集。我们已开发了基于高性能计算（HPC）的水热有限元（FE）模拟器，可在数十公里尺度上模拟地下及其水热条件。该 HPC 模拟器使我们能够在社区尺度上研究地下环境（如地下室和地铁）建成后的地下热力和水文响应。在本研究中，基于开源有限元库 deal.II 开发了耦合水热模拟器。通过将基准案例研究结果与 COMSOL Multiphysics 对比验证了该 HPC 模拟器，其中对含水层热能存储（ATES）进行建模并模拟了向 ATES 注热的过程。选择旧金山（美国加州）Treasure Island 再开发场的能源桩系统作为案例研究，以展示所开发模拟器的 HPC 能力。该模拟器能够在合理时间内建模多种城市尺度地热情景。
引用
@article{arxiv.2103.00081,
title = {An HPC-Based Hydrothermal Finite Element Simulator for Modeling Underground Response to Community-Scale Geothermal Energy Production},
author = {Xiang Sun and Kenichi Soga and Alp Cinar and Zhenxiang Su and Kecheng Chen and Krishna Kumar and Patrick F. Dobson and Peter S. Nico},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.00081},
year = {2021}
}
备注
46th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, February 15-17, 2021