地源热泵地下岩土热物性的测定方法

提出了可用于现场测量计算地下岩土综合热物性参数的方法。垂直埋设在地下的换热器与周围岩土换热过程可以近似地看作半无限大介质中常热流边界条件下的非稳态导热过程来处理。这种方法克服了其他常用研究模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管及下降管之间的距离、换热器材料和回填材料的物性参数的要求,相应地消除了上述各个参数所带来的误差。通过测量地埋换热器的循环水流量、进出水口温度,加热器的加热功率等数据确定地下岩土综合的热物性参数。     

北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究

岩土导热系数是地源热泵地埋管换热器的重要设计参数;测井单位深度换热量是地埋管换热器系统的设计依据。掌握工程区域岩土的热物性及换热性能,是保证地源热泵系统高效、稳定运行的关键。文章建立了现场测试岩土导热系数及换热量的方法,并结合沈阳浑南高新技术产业开发区某地源热泵工程,测试分析了岩土导热系数和测井单位深度换热量。结果表明,该区域的岩土具有较好的导热能力,适合采用地埋管地源热泵系统;在特殊地理条件下设计地源热泵系统方案前,应对拟建区域的地质条件进行全面勘探,以优选工程区域,为岩土热响应测试结果的可靠性提供保障。     

地下U形埋管传热及土壤温度分布研究

对地源热泵系统核心组成部分的地下U形埋管的传热性能进行了深入研究。首先建立了真实的地下U形埋管换热器的模型,然后对地下U形埋管换热器在不同工况下的运行进行了模拟计算。重点研究了U形埋管入口水温、水流速度和回填土导热系数对U形埋管传热和土壤温度分布的影响。结果表明：最佳水流速度应为0.6～0.8m/s;最佳回填土导热系数应比土壤导热系数大,且小于土壤导热系数的2倍;U形埋管组最佳管间距应保持在6m左右;增大入口水温、水流速度及回填土导热系数都会使土壤温度有所升高。     

用于现场测量深层岩土导热系数的简化方法

为便于工程上实现应用现场测量确定实际介质的物性,采用一种简化的传热分析方法确定深层岩土导热系数。该方法不需要测量钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的特性等参数,可消除上述参数测量带来的误差。通过现场测量地下埋管回路的加热热流、回路循环水流量以及回路出入口水温度随时间的变化,利用简化分析和最优化估计方法,确定了某工地地下岩土的导热系数,检验证实了该方法的实用性和可靠性。     

紧邻的双井中深层套管式地埋管换热器换热特性研究北大核心CSCD

目前中深层地热能受到了广泛的关注,文章基于有限差分法建立双管中深层换热器数值模型,并通过FLUENT软件对模型进行校验。利用双管模型研究了埋管间距、岩土热物性等因素对双管换热器换热性能的影响。计算结果表明:增大埋管间距可以有效缓解地下岩土冷量堆积的现象,埋管间距较小时,埋管中心点处温度更低;当埋管间距大于50 m时,双管换热器的换热特性与单管近似;当埋管深度增加时,可以适当减小埋管间距;岩土导热系数较大时,需要加大埋管间距;岩土体积比热对换热器影响较大,实际工程中需要根据岩土体积比热大小调整埋管间距。     

基于TRNSYS模拟的地埋管换热效果影响因素分析

通过原位热响应试验数据验证了TRNSYS软件中U型地埋管换热器模块Type557计算模型的可靠性,应用TRNSYS软件建立地埋管换热模型。基于正交试验的研究方法,综合分析了埋管壁、回填材料、埋管周围岩土的导热系数对埋管换热器换热效果的影响规律。得到影响地埋管换热过程的最主要因素是岩土导热系数,回填料导热系数对其影响程度略低于岩土导热系数,埋管壁导热系数对其影响不大的结论。     

竖直U型埋管地热换热器热短路现象的影响参数分析

通过引入换热器出口最高流体温度的概念,对地源热泵竖直U型埋管地热换热器的热短路现象进行了量化,基于竖直U型埋管周围的瞬时有限元模型,对影响热短路现象的主要参数(支管间距和回填料导热系数)进行了模拟分析,得出了量化结果。结果表明,增大支管间距可降低换热器出口最高流体温度,减小由热短路现象引起的热损失;回填料的导热系数对热短路现象的影响较大,当回填料导热系数小于周围土壤的导热系数时,增大回填料导热系数对减小热短路损失有较大作用,而当回填料导热系数大于土壤导热系数时则作用不大,推荐使用导热系数与周围土壤导热系数接近的回填材料。     

软土地区竖直地埋管换热器参数与换热性能分析

地埋管换热器是土壤源热泵系统的关键部件,选择合理的设计参数是对土壤源热泵系统工程进行优化设计的基础。依托上海市典型地质条件建立单U垂直地埋管换热器三维非稳态传热模型,分别分析了上海市地质条件、换热器结构、循环流体、运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并通过回归分析得到地埋管换热器换热效率的变化率与主要影响因素的关系式,使各影响因素的敏感度得到量化,对于影响地埋管换热器换热性能的参数,根据影响程度由大到小依次为循环水平均温度、原始地温、换热孔深度、岩土体导热系数、回填料导热系数。研究结果为土壤源热泵系统的实际应用提供参考。     

套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。     

防护工程口部内嵌埋管的传热研究

基于COMSOL有限元软件,构建防护工程口部隧道内埋管三维传热数值模型,结合南京市气候特点,对埋管及周围介质的动态传热过程进行分析。基于参数分析法研究埋管导热系数、管径、围岩导热系数和管内流体流速对内埋管传热性能的影响。结果表明,埋管换热量在运行初期迅速减小,随后趋于平缓,并在80天后达到稳态。埋管换热量随管径、岩土导热系数和管内流体流速的增加而增加,而埋管导热系数几乎不影响埋管的热性能。另外,埋管热性能提升率随埋管流速的增加而逐渐减小,水泵功耗随埋管流速的增加而逐渐增加,表明能源隧道内埋管存在经济流速,在这一流速下,埋管的热性能和经济性能达到平衡。     

竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析

准三维模型为竖直埋管地热换热器的结构优化提供了较为精确的理论基础。利用准三维模型对竖直埋管地热换热器进行分析与研究得出，不同的行程布置对双U型埋管地热换热器的传热性能有较大影响。就钻孔内热阻的对比，双U型埋管比单U型埋管钻孔内的热阻低，因而双U型埋管地热换热器较单U型埋管地热换热器更为合理。     

U型深埋管固井层对埋管换热性能影响的研究

结合西安市某个U型深埋管工程,建立三维全尺寸数值计算模型并进行模型验证。在此基础上,模拟分析不同导热系数的埋管固井层对埋管换热能力的影响。结果表明,固井层导热系数在小于及接近岩土层导热系数的范围内增加时,埋管换热强度随之增加明显;固井层导热系数对埋管换热的影响程度与周围竖向各层岩土导热系数的大小相关,而与地层竖向的温度分布无明显关系。     

热响应测试在土壤热交换器设计中的应用

分析了土壤热交换器系统的影响因素以及设计与施工中存在的问题,介绍了自主研制的移动式地源热响应测试装置原理与构成。针对天津市某地源热泵项目,阐述了热响应测试的方法与步骤,得到了项目所在地的无干扰地温以及地埋管系统的供回水温度响应曲线。利用线源理论,得到了地埋管换热器钻孔的导热系数及热阻,分析了测试装置与环境的热损失和热增益、测试时间、供电稳定性、无干扰地温、不同深度土壤热导率的变化以及地下水流动对热响应测试造成的影响。测试结论对于指导土壤热交换器设计与施工具有一定的参考价值。     

A two-region simulation model of vertical U-tube ground heat exchanger and its experimental verification

Heat transfer around vertical ground heat exchanger (GHE) is a common problem for the design and simulation of ground coupled heat pump (GCHP). In this paper, an updated two-region vertical U-tube GHE analytical model, which is fit for system dynamic simulation of GCHP, is proposed and developed. It divides the heat transfer region of GHE into two parts at the boundary of borehole wall, and the two regions are coupled by the temperature of borehole wall. Both steady and transient heat transfer method are used to analyze the heat transfer process inside and outside borehole, respectively. The transient borehole wall temperature is calculated for the soil region outside borehole by use of a variable heat flux cylindrical source model. As for the region inside borehole, considering the variation of fluid temperature along the borehole length and the heat interference between two adjacent legs of U-tube, a quasi-three dimensional steady-state heat transfer analytical model for the borehole is developed based on the element energy conservation. The implement process of the model used in the dynamic simulation of GCHPs is illuminated in detail and the application calculation example for it is also presented. The experimental validation on the model is performed in a solar-geothermal multifunctional heat pump experiment system with two vertical boreholes and each with a 30 m vertical 1 1/4 in nominal diameter HDPE single U-tube GHE, the results indicate that the calculated fluid outlet temperatures of GHE by the model are agreed well with the corresponding test data and the guess relative error is less than 6%.     

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23～216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57～6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。     

超强吸水树脂与源土混合作为地源热泵供热系统回填材料的实验研究

在热泵制热工况下,超强吸水树脂与源土混合作为回填材料,分别对螺旋盘管、U型管以及整个系统进行了实验研究,得出系统性能变化曲线。实验结果表明,超强吸水树脂与源土混合作为回填材料,特别是螺旋盘管换热器,可明显增大地下换热器换热量,提高地源热泵系统的效率和稳定性,适用于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。     

Heat and mass transfer model of a ground heat exchanger: validation and sensitivity analysis

Validation of ground heat exchanger (GHE) model is presented using the experimental data obtained for both single and double pipe horizontal GHE. Sensitivity analysis of the GHE model shows the influence of the variation in the soil thermal conductivity, specific heat and density on the thermal performance of a GHE. Finally, the thermal performance of a GHE is analysed using both heat and mass transfer models, and conduction only model, as well as the influence of the initial soil moisture content on the thermal performance of a GHE. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

热力弥散对地埋管换热器所在含水层传热过程的影响

针对地埋管换热器所在含水层三维非稳态传热模型进行优化,建立涵盖热力弥散效应的含水层过余温度解析模型。结合渗流砂箱热响应实验,探究热力弥散效应对于含水层传热特性与热扩散范围的影响。研究结果表明,当考虑热力弥散效应时,各观测点过余温度解析解与实验结果相似度增强,两者均方根误差RMSE(Θ)小于3%。通过计算得到,热力弥散效应对于含水层温度场演化过程的影响具有时空非一致性特征。当含水层中传热过程趋于稳定后,随着热力弥散效应的提高,地埋管井群所在区域过余温度变化幅度增大;位于下游区域的过余温度变化幅度则逐渐下降,热扩散范围缩小。     

考虑桩土差异的能源桩传热模型及其热响应半径计算

为解决能源桩传热分析中一般将桩土视为相同介质而引起误差的问题,建立一种可考虑桩体与土体之间热物性差异的U型埋管能源桩非稳态传热模型,将其与线热源模型进行对比,验证该模型的准确性。在此基础上,通过级数展开得到近似简化的能源桩热响应半径表达式。最后,对单位桩长换热量、桩体的热扩散系数、桩径以及土体类型进行分析,利用“储热比”评价上述参数对能源桩传热过程的影响。结果表明：该模型较线热源模型可更精准地描述能源桩传热过程,可有效避免传热初期低估桩壁过余温度以及传热稳定期高估桩体温度的问题;在典型的能源桩运行周期内,所提出的热响应半径计算方法误差在0.1 ℃以内,符合工程要求;能源桩传热过程中,土体的储热比随桩体热容、桩土间热扩散系数相对差异的减小而增大;桩壁过余温度及土体储热比均随桩径的增大而减小,随着传热时间的增加,不同桩径对应的桩壁过余温度差逐渐加大,土体储热比差值逐渐减小;相同换热功率作用下能源桩桩壁过余温度的变化率几乎不随传热时间增长而变化;传热90 d后,桩径对能源桩传热过程中能量传递分布影响不大。