桩埋螺旋管地热换热器的数值模拟

建立桩基螺旋埋管地下换热器二维非稳态数值模型,考虑到不同的土壤初始温度,分析螺旋盘管间距及桩基深度对换热的影响.模拟结果表明,桩基螺旋地埋管每米换热量与盘管间距成线性关系,随着盘管间距的增加,每米螺旋管换热量的增加量减少;而对于桩基深度的增加,地埋管平均每米换热量仅略微降低,每米桩深相对减少量小于1.1%.     

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。     

基岩地区地埋管换热器传热特性的测试研究

在山东省威海市环翠区测试了4组基岩地层条件下不同类型地埋管换热器的换热特性,获得了单位井深换热量的变化规律及其影响因素.结果表明,基岩地层条件下地埋管换热器的传热性能明显优于常见的第四系钻孔换热器.地下水流动不明显时,双U形DN25地埋管换热器的单位井深换热量与单U形相比平均偏高约33%.当地下水流动强烈时,单位井深换热量会出现较大程度的增加,同时地埋管换热器周围地区的地下水开采状况也会影响地下水流动的强化换热效应.     

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.     

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.     

矩形直肋地埋管换热器换热特性模拟分析

为强化地源热泵系统竖直地埋管换热器换热性能,设计了一种矩形直肋地埋管换热器,建立了矩形直肋地埋管换热器地下传热模型,利用Matlab软件模拟分析了直肋地埋管结构参数、运行参数对单U型和双U型地埋管换热器换热性能的影响。结果表明:当入口水温32℃,流速0.6 m/s,埋深100 m时,8片直肋单U型与双U型PE地埋管的单位埋深换热量与光滑管相比,分别提高了19.12%和18.28%。根据矩形直肋地埋管各参数与单位埋深换热量的相关性分析,肋片高度和肋片个数对换热性能的影响最为显著。     

严寒区域中深层地热井套管换热影响因素分析

中深层同轴套管换热技术通过套管内部流体循环达到提取地下深层地热能的目的.由于换热器出口温度高,是严寒地区建筑物冬季采暖热源的良好选择.通过对同轴套管与源侧岩土体传热过程的分析,基于标准κ-ε模型,采用Simple压力速度求解方法,建立流热固耦合二维非稳态数值传热模型.研究结果表明,由于中国长春冬季寒冷,热泵运行期间,浅部地层温度低于换热器进口流体温度,地面向下3.9 m范围岩土体呈热源漏斗,随着地层深度增加,逐渐转变为热汇漏斗.热泵运行第1周,换热器出口温度及换热量迅速降低,运行1个月后趋于平稳,整个供暖周期内,地埋管出口温度单位时间下降幅度越来越小,出口温度与时间之间的关系呈幂函数形式递减趋势.随着固井水泥导热系数增加,换热量增加,当固井水泥导热系数大于岩土体后趋于稳定.内管导热系数增大,热短路现象严重,换热器出口温度及换热量降低.在热泵机组24 h开启和停止时间之比(启停比)分别为16 h∶8 h、12 h∶12 h和8 h∶16 h时,换热器出口温度和换热量呈不规则变化,但整体呈逐渐降低趋势.热泵停止运行时间越长,源侧岩土体温度恢复越佳,再次开启时出口温度和换热量越大.通过数值模...     

忽略回填料与岩土热物性差异对桩基埋管换热计算的影响

桩基埋管换热器具有桩径大、埋深浅的特点,适用于桩基埋管特点的系列导热解析解模型被不断提出,但是该类模型均忽略了回填料与岩土热物性的差异。对于桩径较大的桩基埋管而言,较大的热物性差异将引起较大的计算误差。建立了区别回填料与岩土热物性差异的导热数值解模型,对比分析忽略热物性差异对桩基埋管换热计算的影响,研究表明:导热系数差异对桩基埋管长时间运行的换热热阻计算影响甚小;容积比热差异将引起桩基埋管较大的设计容量误差;桩径越大,热物性差异引起的计算误差越显著。     

回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究

在天津地区开展了3种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究,获得了地下换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线,并对该3种回填材料下的实验结果进行了比较分析.实验结果表明,地下换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律.随着回填材料导热系数的增加,可以显著减小钻孔内的导热热阻,这有利于改善粘土质土壤与埋管换热器之间的传热性能,提高地源热泵系统运行的稳定性.     

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。     

冬季工况地埋管换热器换热特性的影响因素

地埋管地源热泵技术可为冬季桥梁融雪工程提供绿色、环保的解决方案,但冬季工况地埋管换热效率的影响因素尚不明确.针对单U型地埋管换热器,采用数值计算方法,研究入口温度、回填材料配比、孔深和间距对冬季取热能力及周围土壤温度分布的影响.结合某桥梁实际供暖工况,建立3种不同埋深的单个换热器模型及3种不同间距的换热器群模型,并进行多工况条件下的影响因素对比分析.结果表明,系统运行48 h时,入口温度为2℃条件下的换热功率将较8℃时提高约82%;降低回填料中膨润土的质量分数有利于换热;随着换热器深度增加,每延米取热能力下降;扩大换热器间距可减弱彼此间的热干扰效应;运行8 h时,间距4 m条件下较间距3 m时换热功率提高5.4%,间距5 m条件下较间距4 m时提高1.9%.     

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.     

分层渗流条件下地埋管群换热特性研究

使用三维CFD（计算流体力学）方法对有地质分层和地下水渗流的竖直U型地埋管群模型进行数值求解。最终得到不同渗流速度、不同土壤孔隙率、不同管内流速和不同渗流方向下地埋管群的总换热量和土壤温度分布云图,并且分析了它们对地埋管群换热性能的影响。结果表明,地下水渗流对地埋管群换热器的换热性能影响显著,渗流速度越大地埋管群换热性能越好。但是随着渗流速度增加,管群的换热增幅会降低;土壤孔隙率越大,地埋管群换热性能越弱;管群换热量随着管内流速的增加而增加;相对于垂直方向渗流,对角线方向渗流会加大地埋管群的换热性能,因此管群布置优化有利于提高地埋管群的换热性能。     

地埋管绝热措施下的换热强度

地源热泵系统换热效果所受到的影响因素很多,地源热泵换热量的大小是反映系统换热性能优劣的重要参数.通过CFD数值模拟软件分析了单U地埋管保温、不保温和保温长度不同及不同流量下的换热情况,得出了地埋管的单位井深换热量是随着流量的增大而增大,保温地埋管换热能力要高于非保温管,且保温层深度要适宜的结论.同时,结合实际工程实测数据进行对比分析,验证了模型及数值模拟结果的正确性.     

U型垂直埋管非稳态换热的数值模拟与研究

采用有限容积法,使用计算流体力学软件对有效换热长度为120m的单U型地埋管进行三维建模和非稳态数值模拟。在考虑U型地埋管管壁热阻的情况下,分析了单U型地埋管不同土壤初始温度及不同进口流速对地埋管持续运行及间歇运行三个月的换热性能和热响应的影响。模拟分析结果表明:相同的土壤初始温度下,随着流速增大单位井深换热量和出口温度均增大;流速对出口温度的影响比土壤初始温度对出口温度的影响大;间歇运行期间平均单位井深换热量比连续运行大0.7W/m。     

制冷工况下PHC能源桩的换热性能分析

为研究不同因素对预制高强混凝土(precast high-strength concrete,PHC)能源桩换热性能的影响,建立PHC能源桩三维数值仿真分析模型,分析不同注浆回填材料导热系数、热交换管入口温度、桩体导热系数和PHC桩回填直径对PHC能源桩换热性能的影响.结果表明,PHC能源桩的换热量随注浆回填材料导热系数的增加而增大;制冷工况下,提高热交换管的入口温度有利于提升PHC能源桩的换热量;桩体导热系数的增加会提高PHC能源桩的换热性能;PHC能源桩的换热量随着PHC桩回填直径的增加而逐渐提高.通过田口法分析了不同因素对PHC能源桩换热性能的影响,热交换管入口温度的影响最大,其次是注浆回填材料导热系数和PHC桩回填直径,桩体导热系数的影响最小.研究结果可为PHC能源桩的工程设计和应用提供技术支撑和指导.     

地源热泵垂直埋管换热器实验研究

研究了地埋管内水流量对埋管换热性能的影响,在全天连续运行情况下,选取3种不同水流量进行了分析.结果表明:地埋管换热器的单位井深换热量随水流速的增大而增大.连续运行模式下,第5天的单位井深换热量较第1天均减小.     

地下连续墙内埋管换热器传热性能的试验研究

采用现场试验的方法对上海自然博物馆地下连续墙内埋管的传热性能进行了试验研究,分析了埋管布置形式、循环水流速、进水温度和运行模式对换热效果的影响.试验结果表明:地下连续墙内埋管的布置形式和传热性能都与传统的地埋管有较大的不同;混凝土水化热对地下连续墙体的温度有较大影响;增大埋管的支管间距可以提高其换热效果;在试验工况下的单组埋管合理流速为0.6～0.9m/s,;地下连续墙内埋管的换热量随进水温度呈线性变化;采用间歇运行的模式,可以提高热交换系统的换热量.     

竖直串联地埋管蓄热的传热分析

为解决大温差地下蓄热的传热分析及其工程应用,基于传统的并联地热换热器地下温度场分布,围绕地埋管大温差蓄热的地源热泵复合系统,针对竖直多级串联地埋管蓄热方法,建立了其物理与数学模型,进行了多级串联地埋管换热器传热分析,得了适宜工程应用的三级串联地埋管换热器目标函数的最优解.结果表明：三级串联地埋管换热器逐级换热量比的最优解为β1 =0.357800、β2 =0.332749、β3=0.309451;定期改变循环液流动方向,能够使各级地埋管换热效率趋于均匀,提高串联地埋管换热器的总换热强度;大温差蓄热应考虑地埋管换热器的承受能力,一般PE管材换热器承受温度不宜超过80℃.