孔彥龍等-Innovation：地熱計算器——人人都能數值模擬

地熱能清潔穩定、潛力巨大，它的開發利用如何做到既高效又環保，能源系統如何實現可持續生產，都離不開智能化數值模擬技術的加持。近年來，地熱開發利用技術和場景更加多元化，更多的先進模擬技術得到應用。然而，基于這些新技術的數值模擬軟件流程復雜、操作難度大，建模要靠高度專業化人員來開展，而許多一線工程技術人員被擋在了地熱數值模擬的門檻之外，這種情況限制了數值模擬新技術在生產實踐中的廣泛應用。

為了改變這個不利局面，中國科學院地質與地球物理研究所地熱團隊聯合多位國內外學者開發了“地熱計算器”數值模擬軟件。該軟件具有以下特點：

1. 基于應用場景，將繁復的模擬流程整合起來，包括概念模型、數值模型剖分、目標優化等均交給計算機自動完成。地熱模擬變得像使用“傻瓜相機”一樣簡單——一線工程師也能上手就用。同時，軟件集成研究團隊近年來自主開發的多個計算模塊（孔彥龍等，2017；Kong et al., 2017; Chen et al., 2019; Pan et al., 2020; Ren et al., 2023; Tian et al., 2024; Cai et al., 2025)于軟件之中，將研發的新技術，以菜單操作的便利方式呈現在用戶面前，轉化為現實的計算能力。

2.突破傳統的思維模式，提出兩種設計范式，首先是“基于場景模擬（scenario-based modeling）”范式。由每次執行單次正向模擬（forward simulation），發展為內置多種地熱技術應用場景模塊（井距優化、資源評價、換熱量計算等），可以實現參數自動化掃描以實現連續多次模擬。例如，在優化地熱對井間距時，用戶只需設置儲層基礎物性參數、開采時間等信息，軟件便會自動完成在不同井距下所有參數組合的模擬計算，并直接輸出如最優井距、水位變化、溫度變化等工程決策所需的計算結果。這相當于為地熱數值模擬建立了一條“自動化流水線”，將工程師從重復性勞動中解放出來，極大地提升了不確定性量化分析和參數優化的效率。其次是“免手動建模（physical model-free）”的設計思路。這并不是說模擬過程中不需要地質模型，而是針對許多工程場景（如均質儲層井距優化、地埋管系統設計），軟件內部預置了經過驗證的、標準化的地質模型模板。用戶只需輸入核心的工程參數（如巖石屬性、初始溫度、井控條件等），即可獲得仿真結果。這種設計極大地簡化了操作流程，使得非數值建模背景的技術人員也能快速上手，進行可靠的工程技術評估與方案優化比選。

3. 為了覆蓋從產業實踐到前沿科研的全鏈條需求，“地熱計算器”針對性地開發了“基礎版”與“專業版”，分別發布。其中，基礎版集成了八大“開箱即用”的模塊，涵蓋井距優化、資源評價、淺層地熱、中深層同軸地埋管換熱、中深層U型井換熱、靜態地層溫度預測、碳減排量計算、ORC地熱發電等豐富的地熱應用場景（圖1），它面向企業工程師，追求極致的易用性與解決問題的高效性。而專業版則面向高校和科研機構，允許用戶導入精細的地質模型、構建離散裂縫網絡，進行高分辨率的水-熱耦合模擬，以解決地質非均質性、裂縫內流體流動等復雜的科學問題。

4. 地熱計算器的可靠性經過了嚴格驗證，其模擬結果與國際公認的解析解及野外實測數據吻合度好，例如中深層同軸地埋管的模擬誤差僅為2.2%，證明了其在追求“易用”的同時并未犧牲模型的精度 (Cai et al., 2025)。

圖1 地熱計算器原理、架構與應用示意圖

研究成果發表于國內綜合學術期刊The Innovation（孔彥龍*，田小明*，黃永輝，蔡皖龍，于淼，孟博言，陳超凡，劉昌為，王中鵬，龔宇烈，邵亥冰，龐忠和，汪集暘.GeothermalKits for modeling geothermal energy: A scenario-based and physical model-free simulation platform [J].The Innovation, 2026, 7(5): 101350. DOI: 10.1016/j.xinn.2026.101350.）。

• 基礎版下載地址：https://xiaomingtian-1.github.io/archives/

• 專業版下載地址：https://doi.org/10.5281/zenodo.17231957

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