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.     

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.     

不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

相比传统钻孔埋管换热器地热采集技术,不断优化的能源桩技术在建筑节能工程应用中更具高效及经济优势.根据深层埋管型能源桩、桩内埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器3种不同地埋管换热器的结构特点,通过现场试验及数值模拟分析3者换热特性.结果表明,相同埋深下,深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器;相同桩长下,深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩;桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果,深层埋管型能源桩的井-桩段换热比达到1.95;深井的设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰,还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.研究表明,通过优化换热器施工工艺,降低换热管间的热干扰效应,可有效提高换热器整体换热效果.     

管群间歇散热的土壤温度响应与恢复特性

为了分析地下水渗流作用下地埋管群的传热性能,基于移动有限长线热源模型解析解,结合叠加原理给出地埋管群在土壤中散热所引起的动态温度响应的解析解.对一个3×3顺排管群在土壤中的传热过程进行三维动态数值仿真,验证解析解的正确性.基于解析解研究地下水渗流作用下管群换热器连续和间歇散热所引起的土壤温度响应特征.结果表明:当间歇运行时,可缓解管群间的热干扰,使得土壤温升显著减小,即土壤温度得到一定程度的恢复.针对地埋管间歇散热的情况,探讨渗流速度和土壤热物性对土壤温度响应和恢复特性的影响规律.结果表明:渗流速度越大,土壤温度恢复的幅度越大,且土壤物性对土壤温度响应和恢复特性的影响也很明显.地埋换热管群所引起的土壤温度响应和恢复特性受地质状况和地下水渗流速度的综合作用影响.     

基于TRNSYS的双U型地埋管换热影响因素分析

针对水平式埋管占地面积大、换热效果差及竖直式埋管初期投资高、施工难度大的现状,基于TRNSYS建立地源热泵双U型地埋管换热器瞬态仿真模型。在保证研究变量为唯一变量的条件下,通过仿真计算分析地埋管不同钻孔数、不同埋管深度以及不同孔间距对地埋管换热器性能的影响,模拟试验结果表明:增多钻孔数、加深钻孔深度、增大钻孔间距均可提高地埋管换热器的换热效果。本研究为地埋管换热效果与施工难度的平衡提供分析依据。     

银川市地埋管地源热泵热响应试验研究

为了合理利用和开发浅层地温能,对银川市9个勘查孔进行了现场热响应测试.通过地层平均初始温度测试、稳定热流测试和稳定工况测试,获得地层平均初始温度、岩土体平均热传导系数、每延米测试孔换热量.结果表明,银川市地层平均初始温度13.77℃,岩土体平均热传导系数2.11 W/(m·K),每延米排热量和取热量分别为60.99 W和25.85 W.热响应试验为银川市地埋管地源热泵工程设计与施工提供了数据参考.     

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.     

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。     

浅层岩土初始平均温度与年平均气温的关系及变化特征

基于61组浅层地埋管钻孔测试数据,分析了浅层岩土初始平均温度随年平均气温的变化特征及其影响因素.结果表明,在80～120 m深度范围内,钻孔深度和浅层地温梯度是影响初始平均地温的重要因素,而变温带地温波动的影响相对较小.获得了基于年平均气温的2种浅层岩土初始平均温度预测模型,具有相对较高的准确度,其中钻孔深度范围为10...     

有渗流时地热换热器温度响应的解析解

为确定地下水渗流对竖直埋管地热换热器的影响,建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程,得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解.归纳得出影响这一传热过程的无量纲量,并分析了地下水渗流对地热换热器中温度场的影响.分析计算的结果表明适度的地下水渗流对原一维温度场的影响明显.地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低.     

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.     

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%.     

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.     

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。     

有渗流时地热换热器温度响应的解析解

为确定地下水渗流对竖直埋管地热换热器的影响,建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程,得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解。归纳得出影响这一传热过程的无量纲量,并分析了地下水渗流对地热换热器中温度场的影响。分析计算的结果表明:适度的地下水渗流对原一维温度场的影响明显。地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低。     

影响竖直地埋管深度的因素分析

《地源热泵工程技术规范》尚未对地埋管换热孔深度做出具体要求,通过建立三维数值传热模型,计算了不同深度时的传热情况,分析各种因素对地埋管换热器深度的影响,认为换热管内的流体流量为影响换热孔深度的一个重要因素,地温梯度、回填材料热物性和管道间距也对不同深度换热孔的换热能力产生了一定影响。因此在实际工程中,需要将换热孔深度加大时应相应提高管内流体流量,并合理加大换热管尺寸。     

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。     

地下水补给区季节温度变化对地埋管换热性能的影响

建立了地下水补给区季节温度变化条件下地埋管换热器的三维模型.以夏季工况为例,进行了传热过程数值模拟,并定量分析了含水层渗流速度、含水层厚度、补给区距离等因素的影响.结果表明,距离地下水补给区越近,地埋管周围含水层温度的年周期变化幅度越大,换热性能更倾向于受季节水温变化与渗流速度变化的二者耦合影响,且表现出不同程度的季节效应.随含水层厚度增加,地埋管单位井深换热量总体上呈线性增大趋势.     

关于开发利用中深层地热取热不取水技术的思考

本次研究主要以中深层地埋管换热系统、异井抽灌换热系统和同井抽灌换热系统为基础,提出中深层地埋管"d"型井换热系统、异井抽灌换热系统双层热储开发模式和同井抽灌换热系统双层热储开发模式,并对三种换热系统的经济可行性进行对比分析。结果表明:异井抽灌系统经济性最好,同井抽灌系统次之,中深层地埋管换热系统最差;取热不取水系统不同于抽采取热系统,其不但会降低地层温度,存在井距、开采强度及冷堆积问题,而且在径流条件好的地区还可能存在冷迁移问题;为降低系统全寿命周期成本、提高系统能效和系统可持续性,可考虑系统分层取热模式。