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。     

地埋管地源热泵间歇运行岩土体温度恢复特性研究

通过对寒冷地区的地埋管地源热泵系统间歇供冷工况试验,获得地埋管周围岩土体温度场的分布数据,研究地埋管地源热泵系统自然间歇运行及在人为控制的不同开停比下岩土体的温度变化规律及恢复情况。试验结果表明:岩土体的温度恢复能力随着间歇运行时间的增加而缓慢地降低,且降幅逐渐趋于平缓;除-40 m深度处的含水层外,岩土体的温度恢复率基本随深度的增加而增大。同时结合建筑的动态负荷特征,建议在满足用户使用要求的前提条件下采用昼夜交替间歇运行模式,岩土体的温度恢复情况较好,为寒冷地区地埋管地源热泵的推广应用提供了一定的理论依据和基础数据。     

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。     

深层地埋管换热器换热性能模拟及稳定性研究

以深层地源热泵地埋管换热器为研究对象,对其换热特性进行数值模拟和实验研究。建立考虑轴向地温梯度的深层地埋管换热器传热模型并进行模拟计算,通过示范工程现场测试数据验证该模型的正确性。对深层地埋管换热器换热的性能稳定性进行研究,发现深层地埋管换热器连续长期运行及间歇长期运行下换热性能基本稳定。当按不同运停比运行时,岩土温度恢复效果良好。研究结果表明深层地源热泵有较好的换热性能及运行稳定性,为深层地热能的开发利用提供了新思路。     

中深层地热Ｕ型井地埋管换热器的试验研究

地热能作为一种非碳基能源,具有储量丰富、清洁可再生等特点,开发利用地热能有助于碳达峰的实现。在中深层地源热泵领域,我国主要以单井同轴管为主,而相对高效的中深层地热U型井地埋管案例屈指可数。为了了解中深层地热U型井地埋管换热性能及井下换热参数变化,完成了新型的Ｕ型井地埋管换热器工程,并在此基础上进行了实验研究。首先,开展了地温测量,确定了研究区的地层温度,根据热储的物性条件选取了水平井段及对接位置;其次,分析空载循环试验工况下循环水的流量及井下温度的变化情况,研究了负载工况下供回水温度、流量、换热量、不同井段对换热的贡献率、井下温度的动态变化、U型井的恢复能力等因素。实验结果表明,中深层Ｕ型井地埋管换热器井底温度会随运行时间增长而降低,流量大且回水温度较低的情况下,换热器的换热量比较高,最高为1336.8kW;回水井对换热量的增加有限,每百米增加0.12℃,实际工程中可以考虑减小口径,降低建设费用。U型井地埋管换热器的地温恢复能力较强,停止运行24h左右井底温度与初始温度差为-13℃。研究结果有助于研究人员对中深层Ｕ型井地埋管换热器有更进一步的认识,从而推动中深层地热能的健康可持续发展。     

中深层地热地埋管实际运行影响因素研究

为研究中深层地热地埋管运行的影响因素,分析西咸新区中深层地热地埋管供暖系统的长期运行结果,并结合关中地区地质数据,建立深度为2510 m的中深层地埋管换热器全尺寸模型,采用数值模拟法研究实际岩层分布下地埋管的运行、结构和材料因素对其取热能力的影响。结果表明,西咸新区某项目1号地埋管和2号地埋管两个地埋管,其平均取热功率均在310 kW以上,具有优良的取热能力。地埋管进水温度随季节变化明显,并引起用户侧负荷及热泵回水温度的波动。在结构方面,随内管径由63 mm增至125 mm,平均出口水温和换热功率分别降低1.9%和4.8%,但内管径过小将影响内管运行的安全性,综合安全和换热两方面因素,最佳内管径应选取ϕ110 × 10mm规格;随外管径由168.3 mm增至244.5 mm,平均出口水温和换热功率分别增加3.5%和9%,综合成本和换热两方面因素,最佳外管径应选取ϕ 177.8 × 19 mm规格;在运行方面,地埋管出口水温随着流量的增加而减小,换热功率随着流量增加而增加;出口水温随着进水温度的升高而上升,换热功率也随之减小。在材料方面,减小内管导热系数和增加固井材料导热系数均能增加地埋管出口水温和换热功率,考虑换热功率变化和成本因素,在工程中导热系数为0.42 W/（m∙K）的内管和导热系数为3 W/（m∙K）左右的固井材料。     

寒冷地区埋管式地源热泵系统热平衡分析

以黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统工程为平台,进行了为期两年的供热、恢复、供冷长期试验。在间歇制冷工况下,对换热井内岩土体的温度响应进行了研究。研究结果显示,开机30 h后,岩土体温度趋于稳定,温度波动幅度为0.18~0.38℃;停机82 h后,岩土体温度基本恢复稳定,温度下降范围仅为0.06~0.19℃。通过对工程岩土体热平衡分析发现,单纯地以全年累计冷热负荷的差异来判断岩土体的热平衡是值得商榷的。建议从全年累计冷热负荷平衡和岩土体的温度响应特性两个角度进行综合分析,进而确定埋管式地源热泵的适用性,以保证埋管式地源热泵系统长期稳定可靠地运行。试验结果可为黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统的推广应用提供参考。     

太阳能-地热复合供热系统设计优化与运行特性分析

针对济南市某住宅小区搭建太阳能-地热复合供热系统仿真模型，探究系统的最佳设计参数和运行策略。太阳能集热器布置面积对复合供热系统运行性能影响显著，布置面积达小区住宅楼屋顶总面积的40%时，地埋管平均出口温度为14.70℃，可以实现供暖系统的长期稳定运行。由于复合系统偏重于非供暖季蓄热工况，其最佳倾角范围为20°～30°。与同时加热地埋管出水和低温尾水以及只加热地埋管出水的运行模式相比，太阳能只加热系统低温尾水进行联合供热的串联运行模式表现最为优异，地埋管出水温度最大提升2.60℃和4.65℃。     

中深层同轴换热器充填材料热性能研究

地热能作为分布广、储量大的可再生能源,在节能减排和促进碳中和方面具有重要作用。同轴换热器在开采中深层岩土体热量方面优势明显,可以进行无干扰式“取热不取水”开发。作为换热器与地层岩土体的传热媒介,充填材料对热性能的影响至关重要。采用数值模拟方法分析5种充填材料对流体温度、岩土体温度和作用范围的影响。结果表明,充填材料水的热阻是细砂-膨润土的1.5倍;采用高导热的充填材料（细砂-膨润土）后,出口流体温度升高了1.81℃,环空流体随深度增加呈非线性演化;换热器短期（4个月）和长期（20年）运行模式下井底（2 000 m）影响范围分别是深度500 m的1.5倍和7倍;细砂-膨润土作为充填材料的换热器在短期和长期运行模式下,井底影响范围可分别达到5.2 m和36.5 m。     

严寒地区土壤源热泵地下水平埋管换热性能影响研究

针对严寒地区地源热泵水平埋管换热器的传热规律及其制约因素,建立加土壤保温层水平埋管换热器周围土壤不稳定温度场的物理和数学模型,并对所建立的模型进行模拟计算及实验验证。研究加保温层前后埋管周围土壤的温度变化以及不同运行方式下埋管周围土壤的温度场。结果显示:加土壤保温层后,单埋管换热器周围土壤温度提高1.30℃,双埋管换热器周围土壤温度提高约1.20℃。间歇运行比连续运行更有利于土壤温度的恢复,埋管换热量也得到提高。     

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。     

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。     

An experimental study of a direct expansion ground‐coupled heat pump system in heating mode

In this paper, an experimental performance evaluation of a direct expansion ground‐coupled heat pump (DX‐GCHP) system in heating mode is presented. The DX‐GCHP uses R134a as the refrigerant, and consists of three single U‐tube copper ground heat exchangers (GHEs) placed in three 30 m vertical boreholes. During the on–off operations from December 25, 2007, to February 6, 2008, the heat pump supplied hot water to fan‐coil at around 50.4°C, and its heating capacity was about 6.43 kW. The energy‐based heating coefficient of performance (COP) values of the heat pump and the whole system were found to be on average 3.55 and 3.28 at an evaporating temperature of 3.14°C and a condensing temperature of 53.4°C, respectively. The second law efficiency on the DX‐GCHP unit basis was around 0.36. The exergetic COP values of the heat pump and the whole system were obtained to be 0.599 and 0.553 (the reference state temperature was set equal to the average outdoor temperature of ?1.66°C during the tests), respectively. The authors also discussed some practical points such as the heat extraction rate from the ground, refrigerant charge and two possible new configurations to simultaneously deal with maldistribution and instability of parallel GHE evaporators. This paper may reveal insights that will aid more efficient design and improvement for potential investigators, designers and operators of such DX‐GCHP systems. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

A study on utilization of ground source energy for space heating using a nanofluid as a heat carrier

Ground source heat pump (GSHP) systems are well established as an energy-efficient space conditioning device. However, for better utilization of the ground source, improvement in GSHP performance is desirable, which limits the small temperature difference between the ground and the circulating fluid. In this study, efforts have been made to investigate the performance of a ground heat exchanger (GHX) with a nanofluid as a heat carrier. Mathematical modeling is performed for the closed-loop vertical U-tube GHX with six different (Al₂O₃, CuO, graphite, multiwalled carbon nanotube, graphene, and Cu) water-based nanofluids. The effect of different operating parameters on GHX length, fluid temperature, and pressure drop with nanofluids is determined. On the basis of the analytical results, it is found that the graphite particle-based nanofluid plays a prominent role to enhance the performance of the GHX as compared with other nanoparticles. The maximum enhancement in the increase in outlet fluid temperature and reduction in pipe length with graphite particle-based nanofluid are 68.3% and 63.3%, respectively, for an increase in temperature difference from 7°C to 15°C between the atmosphere and the ground. Also, with the graphite particle-based nanofluid and the increase in pipe diameter from 20 to 50 mm, the fluid outlet temperature increases up to 11.2%, and the requirement in GHX length reduces up to 55%.     

U型波纹埋管对于增强土壤源热泵换热性能的研究

为了增强土壤源热泵系统地下埋管换热器的换热性能,通过CFD方法,探讨改用波纹管对地下换热所产生的影响,首次提出采用波纹管代替光管作为强化地下埋管换热器换热效率。     

提高地能利用的强化传热试验研究

以太阳辐射积聚大量能量和冷热良性循环蓄集巨大能量的地下是一个庞大的可再生能源库，也是一项可充分利用的自然能量资源。该文介绍了在地源热泵系统中开展的地下100m和200m竖直井闭式循环传热的研究工作，提出利用地下螺旋芯管束新方法，加强旋流流动，提高地下换热能力。试验表明，在放热和吸热过程中，传热均得到显著提高。所提出的可控制间歇过程，将充分发挥换热井的换热能力，实现最少的井数布置，保证良好的地源热泵机组运行工况。     

R&D of the ground-coupled heat pump technology in China

The ground-coupled heat pump (GCHP) systems have been identified as one of the best sustainable energy technologies for space heating and cooling in residential and commercial buildings. In this paper, research on and development of the GCHP technology in China are summarized. New models are presented for efficient thermal analysis of ground heat exchangers, of which one- and two-dimensional solid cylindrical source models and their analytical solutions are devised to deal with pile ground heat exchangers. Analytical solutions are also derived for vertical and inclined finite line source models as well as for a groundwater advection model. Explicit solutions of a quasi-three-dimensional model can be used to better evaluate the thermal resistance inside boreholes. Studies on hybrid GCHP systems and the thermal response test in China are also commented.     

基于预测的复合地源热泵系统控制方法实现

在冬冷夏热且夏季冷负荷远大于冬季热负荷的地区常采用带有冷却塔的复合式地源热泵系统,其控制策略存在极大的优化空间。文章提出了直接比较冷却塔和与土壤换热器相连的板式换热器的出口温度的控制方法,并通过人工神经网络预测板式换热器机组侧的出口水温来实现此控制方法。通过FLUENT软件建立复合式地源热泵系统动态数值模型,获取建立神经网络的数据,采用3层BP网络,建立了多个预测板式换热器机组侧出口温度的模型。研究结果表明,采用神经网络可以准确实现此预测,绝对误差不超过0.4℃。     

地质结构分层中地埋管换热特性研究

依托徐州某工程场地,分析分层地质结构体中地埋管的换热特征,提出应考虑地层结构指导地埋管埋深,并研究进水温度、循环水流速、运行方式与分层换热量的变化规律。结果表明,地层分层研究在分析钻井埋管深度设计方面具有优势,换热性能好的地层受循环介质温度、流速的影响变化最为显著;间歇性运行能有效提高地层换热量,换热性能好的地层增益效果佳。     

Energy,exergy and uncertainty analyses of the thermal response test for a ground heat exchanger

This paper presents energy, exergy and uncertainty analyses for the thermal response test of a ground heat exchanger. In this study, a vertical U‐shaped ground heat exchanger with 80 m depth and 20 cm borehole diameter is installed for the first time at the university premises in Saudi Arabia. A mobile thermal response apparatus is constructed and used to measure the performance of the ground heat exchanger. The thermal response test was carried out four times at different thermal loads from September 2007 to April 2008. The energy and exergy transports of these thermal response tests were analyzed using the experimental results obtained in this period. The analysis provides a better understanding of the overall performance of vertical ground heat exchangers, verifies the thermal response test results and improves the experimental setup. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.