增强型同轴套管换热器热响应试验及换热对比分析

以3口120 m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,开展了现场热响应对比试验。结果表明,与原状土样的实验室测试值相比,单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高约7.3%和14.7%。增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片,其环状槽道会不同程度增加流程长度,因此在利用线热源模型进行数据处理时需要修正计算;修正后的测试岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。就单位井深换热量而言,大小顺序如下:增强型同轴套管双U形地埋管单U形地埋管。     

地下水对地埋管换热器换热性能的影响分析

在唐山地区测试了3组不同含水层条件下的地埋管换热器动态换热特性,初步获得了单位井深换热量随地下水流动状况的定量变化规律.结果表明,地下水流动会不同程度影响热响应试验结果.随着地下水流速增大,钻孔附近岩土的平均导热系数会呈增大趋势.随着地埋管换热器与地下水接触长度的增加,钻孔平均导热系数呈增大趋势,同时单位井深换热量也呈明显增加趋势,这对于减小富水性较强地区地埋管换热器系统的建设成本具有实际的应用价值.     

地源热泵垂直埋管换热器埋深优化研究

工程设计中常采用垂直深埋换热器的方式保证地源热泵系统的单井换热量,而实际应用中部分深度埋管换热效果不佳,造成了系统工程经济性下降的问题.首先以现场热响应实验法为基础,研究了垂直埋管换热器的换热性能,发现垂直埋管换热器随埋深变化呈现三个特征不同的换热段,且在近地段内存在热短路与热堆积现象;其次提出了以换热高效段截止深度作为垂直埋管换热器埋深的优化方法;最后结合实际工程案例,论证了系统工程经济性的提升.     

武汉与重庆典型地质结构下的地埋管换热性能

地埋管地源热泵换热器的换热性能受到不同地质结构的影响。以武汉和重庆地区的典型地质构成为边界条件,建立了三维地埋管的单孔双U管换热模型,通过模型计算,获得了两种地质条件下的地埋管换热性能,以重庆地区的地源热泵热响应测试结果以及工程运行数据出发,对模型的计算结果进行了验证,结果表明,模型吻合度较好,可以应用于工程分析。以模型为条件,进行地质结构对换热性能的影响度分析,预测了两地地埋管地源热泵的换热性能并计算得到换热器的平均换热系数分别为武汉地区K₁=1.65（W/m·K）,重庆地区K₂=1.51（W/m·K）。     

双U型地埋管换热器模型的建立及实验验证

地埋管换热器与土壤的换热状况,直接影响到土壤源热泵系统的运行性能.因而建立恰当的地埋管换热器模型,对埋管与土壤的传热研究至关重要.根据钻孔内外传热的不同特点,建立了钻孔内准三维稳态导热数学模型和钻孔外二维非稳态导热数学模型;并以钻孔壁为纽带,将内、外模型组建成完整的地埋管换热器模型.进而利用Ansys有限元法建立其物理模型并进行求解.通过热响应实验,充分验证了该模型的可靠性.这为建立土壤源热泵系统模型,模拟系统长期变负荷工况运行下土壤热堆积情况奠定了坚实基础.     

苏州某地源热泵项目竖直地埋管岩土热响应试验与分析

以苏州地区某地块项目地源热泵工程为依据,采用恒热流方法对现场单U和双U型地埋管分别进行了岩土热响应试验. 通过该试验获得了该项目现场地质情况和岩土体热物性参数,同时计算出各种工况下地埋管换热性能并进行分析,得出该地区的地下土壤平均导热系数为2.02 W/(m·K),双U型地埋管换热器比单U型地埋管换热器的换热性能约高15%.     

基于响应面法的地埋管换热器优化设计

通过对响应面法进行详细介绍,并确定影响地埋管换热器传热效果的主要因素,然后运用响应面法确立了合理的试验因素,选出合适的试验设计方法,确定了合理的试验方案,对地埋管换热器进行了优化设计,与工程设计相比较其传热效果得到了提升.     

基于系统优化的岩土热物性确定方法

针对地埋管地源热泵系统设计中的岩土热物性确定问题,以竖直U形地埋管换热器的管式储热系统DST模型为基础,建立岩土热物性试验系统模型.通过系统模拟出的地埋管换热器进、出水平均温度与实测值的对比,以其差值的平方和为目标函数,利用系统优化的方法,对岩土的综合导热系数和热容量2个参数实施优化,确定出其最优值.通过具体算例,将优化算法确定的热物性参数应用于不同的地埋管换热器模型（有限长线热源模型、柱热源模型、DST模型）中计算埋管平均水温,并与试验结果进行对比,结果表明:应用DST模型确定的热物性参数对应的水温差值的平方和最小,且试验系统模型计算的地埋管换热量模拟值与试验输入值的最大误差为3.11%.     

渗流条件下地埋管换热器热短路现象的数值研究

针对渗流条件下地埋管换热器受到热短路影响,导致夏季埋管出口水温上升以及换热量减少的现象,采取在进出水支管间加装隔热板的措施进行优化。通过对单U型地埋管换热性能的数值模拟,对比分析了加装隔热板前后的传热过程,并深入研究了隔热板的几何尺寸和安装位置对换热量的影响。结果表明：加装隔热板可有效抑制地埋管换热器的热短路现象,提高换热能力;隔热板宽度为120 mm时,U型地埋管换热器换热性能最优;隔热板高度取50 m时,换热器单位井深换热量最大,达到44.703 W/m;将隔热板安装在两支管中心向出水管侧偏移2 mm处,换热效果最佳。     

地源热泵桩基与钻孔埋管换热器换热性能比较

相对于钻孔埋管换热器,桩基埋管换热器在换热性能和经济性方面均具有较大优势,目前越来越广泛的应用于地源热泵工程中。围绕钻孔与桩基埋管换热器的结构特点和换热机理进行对比分析,针对南京某项目桩基埋管换热器开展了换热性能实测及数值模拟分析,并采用数值模拟手段对比分析了钻孔与桩基埋管换热器的换热性能差异。研究结果进一步证明了桩基埋管换热器具有良好的换热性能。提出的传热性能数值模拟方法可较准确地计算出桩基和钻孔埋管换热器的传热效率。     

冬季工况下地埋管地源热泵系统中大地的自调节能力分析

以夏热冬冷地区某实际地埋管地源热泵系统为分析对象,对夏季采用冷却塔供冷而仅冬季采用地埋管和消防水池联合供热的系统运行参数进行了6a测试。建立了地埋管三维管群模型,通过数值计算方法对地埋管周围岩土的温度分布进行了热平衡分析和计算。通过测试数据与理论计算结果进行对比分析,得到了影响大地自调节能力的影响因素。     

地源热泵垂直埋管换热器性能的数值模拟研究

以地源热泵垂直埋管换热器为研究对象,建立地源热泵垂直埋管换热器的三维数值模型,通过实验对数值模型进行验证。利用已建的数值模型分析了埋管内水流流速,水温以及钻孔内不同埋管和回填材料对地埋管换热器性能的影响。研究结果表明:地埋管换热器的单位延米换热量随着回填材料导热系数,管内流速,进口水温,埋管的导热系数的增加而增大;埋管管壁的平均温度随着管内流速,进口水温,埋管的导热系数的增加而增大,但随着回填材料导热系数的增加而减小。     

土壤源热泵单U型埋管换热器短期运行换热分析

单U型管是当前土壤源热泵系统广泛使用的地下换热器形式,而地下换热器是地源热泵系统的重要组成部分。考虑U型管的实际形状,借助数学方法和数值分析软件,建立了地下垂直埋管换热器传热模型,并通过编程求解数学模型,得到了系统短期运行不同工况下埋管周围土壤的温度场分布情况。通过分析得出土壤导热系数、土壤比热、钻孔回填材料导热系数以及U型管间距的大小对埋管的换热性能具有直接影响。得出的结果可为合理设计地下埋管换热器提供参考。     

竖直地埋管换热器多个钻孔地层热阻计算方法

为解决国家规范中关于多个钻孔热干扰下的地层热阻计算问题,针对竖直地埋管换热器系统,提出了矩形阵列钻孔布置中不同参考钻孔下的地层热阻数值计算方法,并通过算例模拟分析研究了不同钻孔布置形式以及不同钻孔间距情况下的地层热阻分布.结果表明:规则矩形阵列钻孔布置的中心位置地层热阻最大,且布置形式越趋近正方形,钻孔间距越小,地层热阻越大;而不规则矩形阵列钻孔布置的最大地层热阻位置会根据未布置钻孔点位发生相对偏移,但偏移量可忽略.研究成果可为竖直地埋管换热器设计提供理论参考.     

闭环地源热泵系统建模

目前国内对地源热泵的研究多集中在地热换热器的传热模型理论研究方面,而对地源热泵系统整体性能的研究则局限于实验测试,因此迫切需要建立一个地源热泵的系统模型来进行系统的优化设计和系统性能预测.采用理论解析方法建立了竖直U型埋管地热换热器的准三维模型,该模型考虑了两支管间的热短路问题,比现有模型更接近于实际工程.采用确定性模型法建立了热泵机组的模型,然后通过能量和质量守衡方程式建立了系统动态耦合模型.利用该模型即可预测在不同的地热换热器配置情况下,地源热泵系统的各项性能.试验表明,该系统模型预测结果与实测值吻合的较好.     

影响地埋管换热器侧换热量因素分析

利用线热源模型,结合约束最优化方法,使用河北工程大学自主研制的岩土热物性测试仪,测试并计算出石家庄市正定区岩土综合导热系数和地埋管侧换热量值。根据测试结果,分析实验中的测试时间、地埋管内进出口水温平均值、测试功率等因素对地埋管换热量的影响。测试结果表明：20 h后,测试计算出的岩土综合导热系数趋于稳定;岩土综合导热系数、地埋管内进出口水温平均值、测试功率对地埋管侧换热量值有影响,且影响依次减少。     

水平埋管周围土壤温度场数值模拟研究

建立了应用于地源热泵系统的水平埋管的传热数学模型,并采用 ANSYS 软件模拟了埋深为 3 m 的水平埋管在冬夏运行工况下周围土壤的温度场变化。根据选取的特定时间比较了单管和双管水平埋管在相同工况下周围土壤温度场,得出各自的影响半径,为水平埋管换热器的埋设提供了参考。     

浅层土壤蓄热能资源量计算分析

为实现土壤源热泵系统的合理设计和科学应用,避免系统常年运行后由于土壤吸放热量不一致导致土壤温度变化,通过对该系统所利用浅层土壤蓄热能资源量进行计算分析,明确了可利用土壤蓄热能资源量估算方法．利用地下埋管换热器热渗耦合数学模型,对土壤源热泵系统冬夏季土壤释吸热量相等即按照可利用土壤蓄热能资源量来设计系统,以及冬夏季土壤释吸热量不相等2种情况进行了理论模拟和分析．结果表明:当按照可利用资源量来设计系统时全年运行后土壤温度恢复至初温;而当夏季吸热量高于冬季释热量25％时,土壤平均温度升高了032 ℃,有利于下一年冬季运行但不利于下一年夏季运行．进行可利用浅层土壤蓄热能资源量分析,综合全年的冷热释取来设计土壤源热泵系统的容量,有利于保证土壤温度的回归和系统常年高效运行．在实际土壤源热泵系统应用设计时,对于夏季负荷占优地区,要综合考虑土壤经过冬季放热及过渡季散失之后夏季可供取出的冷量来估算资源量;反之亦然．     

地源热泵U型管地下换热器的数值模拟

通过改进现有二维传热模型建立准三维传热模型,模拟U型竖直埋管地下换热器的运行工况．模型引入换热功率函数作为边界条件,对单个线热源到区域中心距离提出新的计算方法,运用有限体积法求解．通过与实验结果比较,模型结果可以满足工程精度的要求,并且给出U型管内流体温度分布情况以及钻孔深度对U 管两支管之间的热短路的影响．