技術要約：深層地熱同軸熱交換器用ハイブリッド断熱内管ストリングの設計と伝熱性能

問題提起

深層地熱同軸熱交換器は、内管ストリングの設計に関する極めて重要なエンジニアリング上のトレードオフに直面している。従来の全鋼製断熱管は、深部井戸に必要な機械的強度と高温耐性を提供するが、過度な重量をもたらし、坑口荷重や展開作業に負荷をかける。逆に、ポリマー管は軽量で低熱伝導率であるが、深部井戸環境（しばしば120 °Cを超える）で求められる長期的な耐熱性に欠ける。既存のソリューションは、熱絶縁、高温における機械的信頼性、および軽量設計という相反する要求を同時に満たすことが困難である。さらに、井戸内の上昇流の高温流体と下降流の冷流体の間の径方向の熱伝達は、「熱的ショートサーキット」を引き起こし、システムの有効な熱抽出能力を著しく低下させる。

方法論

本研究では、数値シミュレーション、材料科学、構造設計、およびフィールド検証を統合したマルチスケール・アプローチを採用した：

1. 数値モデリング： COMSOL Multiphysicsを用い、過渡的な連成浸透・伝熱モデルを開発した。このモデルは、西安陥没帯の地質条件に基づき、シメントシェース（セメント被膜）および周囲の地層を含む深層同軸熱交換器（200 m × 200 m ドメイン）をシミュレートした。モデルには、井戸内の流れのための $k$–$\varepsilon$ 乱流モデルと、地下水浸透のためのダルシーの法則を組み込んだ。
2. モデルの検証： 数値モデルを4050 m深の地熱井のフィールドデータに対して検証し、全体的な計算誤差は6.6%であった。
3. パラメトリック解析： 入口流量、入口温度、内管の熱伝導率、内管径、および断熱区間の長さが熱抽出性能に与える影響を評価した。
4. 材料および構造設計：
   • 材料選択： エンジニアリングポリマー（PPS、PEEK、PEI）およびアルミニウム合金を評価した。下部セクションには、高い比強度と耐熱性を持つことから、7075-T6511アルミニウム合金を選択した。
   • 断熱構造： 真空環状空隙とシリカエアロゲルフェルトを組み合わせた複合断熱設計を開発した。
   • 伝熱促進： 内管の外表面にスパイラルフィン構造を設計し、摩擦因数の増加に対するヌセルト数の利得のバランスをとる性能評価基準（PEC）を用いて最適化した。
   • 腐食抑制： 鋼とアルミニウムの界面における電食を防ぐため、熱絶縁および電気絶縁を備えたパップジョイント（PEEKライナーを使用）を設計した。
5. フィールド試験： 分割されたハイブリッド内管ストリングを4050 m深の井戸に投入した。構成は、P110鋼セクション（0–3685 m）と7075アルミニウム合金セクション（3685–4001 m）である。性能は、6日間のテストおよび3ヶ月間の暖房シーズンにわたり、分布型温度センシング（DTS）を用いてモニタリングされた。

主な貢献

• 分割ハイブリッド設計： 本研究は、井戸の深さをセグメント化し、最大の構造荷重を担う上部セクションには鋼を用い、軽量化を実現するために下部セクションには軽量なアルミニウム合金を用いる、新しい「ハイブリッド断熱内管ストリング」を提案する。このアプローチは、熱絶縁のニーズと構造的軽量化を両立させるものである。
• 最適化された断熱と促進： 熱伝導率を0.008 W/(m·K)まで低減させた真空・エアロゲル複合断熱構造の開発、および熱流体性能を最大化するためのスパイラルフィン形状（高さ20 mm、厚さ4 mm、間隔216.89 mm）の最適化を行った。
• 包括的な検証： 材料特性とシステムレベルの性能の間のギャップを、実験室試験、数値シミュレーション、および全スケールのフィールド検証を通じて橋渡しした。

結果

• 数値解析の結果：
  • 内管の熱伝導率を下げ、断熱区間を長くすることは、熱的ショートサーキットを抑制することで熱抽出を大幅に改善する。
  • 断熱区間の長さを増やすことは収穫逓減をもたらし、井戸の上部における断熱が最も重要であることを示唆している。
  • 入口流量が高くなると総熱抽出電力は増加するが、出口温度は低下する。入口温度が低いほど、熱力学的駆動力が向上する。
• 材料性能：
  • アルミニウム合金断熱管の単位長さあたりの質量は10.96 kg/mであり、これは比較対象となる鋼管（29.78 kg/m）のわずか36.9%である。
  • アルミニウム合金は150 °Cにおいて381 MPaの降伏強度を維持した。
  • 構造計算により、設計が4000 mの深さにおける座屈（58.1 MPa）および内圧（46.3 MPa）の要件を満たしていることが確認された。
• フィールド性能：
  • ハイブリッドストリングは、全鋼製構成と比較して総管ストリング重量を5.7%削減した。
  • DTSデータによれば、4001 mの全内管ストリングにわたる加重平均温度降下はわずか7.61 °Cであった。
  • システムは6.80の暖房成績係数（COP）を達成した。
  • 平均熱抽出率は352 W/mであり、年間で推定770.73トンの標準石炭換算量の節約と、2019.31トンのCO₂排出削減を実現した。
  • 運用コストは、ガスボイラーや都市ガス暖房の代替案よりも大幅に低かった。

意義

本論文は、提案されたハイブリッド断熱内管ストリングが、深層地熱の同軸熱抽出のための実行可能なシステムレベルのソリューションを提供することを主張している。軽量設計、熱絶縁、高温における機械的信頼性、および強化された伝熱性能を統合することにより、単一材料の管ストリングの限界を克服できることを示した。フィールド試験の成功は、この分割アプローチが熱絶縁と機械的完全性を維持しながら、構造的重量を効果的に削減できることを実証しており、地域暖房のための深層地熱資源の大規模な利用に向けた実用的な経路を提示している。