U型垂直埋管式土壤源热泵埋管周围温度场的理论研究

应用有限元法对土壤热源地下U型垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，其结果与实验测试值吻合良好，根据数值模拟计算程序可给出U型垂直埋管向地下放热量与埋管的埋深及埋管的热作用半径的对应关系，为U型垂直管埋深、数量及间距的设计提供了参考依据。     

单U和双U换热器地热井热响应测试与分析

对埋深分别为88 m和89 m的单U和双U型换热器地热井进行热响应测试,应用线源模型理论计算出两口测试井的土壤导热系数及钻孔热阻值,在保证测试仪向地热井输入恒定热流量的基础上,实测两地热井单位井深换热量分别为56 W/m和62 W/m,证明采用双U换热器的地热井传热特性要优于单U换热器地热井。     

不同类型地埋管钻孔换热能力对比分析

为完成浅层地热能调查项目,进一步推广其开发利用,天津市建立了土壤源地源热泵试验基地,开凿了80m、120m垂直钻孔以及120m的斜钻孔,回填不同类型的材料,并使用地层热物性测试仪进行现场热响应试验。本文通过对比分析各地埋管钻孔的换热能力,得出深度120m、垂直、双U型以原浆加中粗砂作为回填材料的地埋管钻孔换热效率最高,并对地埋管斜钻孔的合理利用提出建议,为以后的土壤源热泵工程设计提供经验。     

土壤源热泵U型埋管换热器冻结取热过程的模拟研究

本文针对严寒地区地下土壤温度低和供暖负荷大的特点,提出了利用土壤相变来进行取热的方法,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的二维非稳态传热模型,使用显热容法求解了土壤相变问题.对长春地区的模拟结果表明:系统取热功率为21.82 W/m;运行39 d时埋管出水温度降低到0℃以下;运行80 d以后内、外层埋管出水温度出现差值;采暖期结束时外层埋管周围土壤未发生冻结,当内层埋管半径为0.2 m时,土壤冻结深度达到了8.6 m.     

地埋管换热器热响应测试与模拟研究

对48m深双U型地埋管进行热响应测试,并使用线热源模型对实验数据进行分析。计算得到该测试地点土壤导热系数为1.44W/(m.K),进水温度为37℃时,每米井深散热量为91.14W/m。在实验的基础上,建立地埋管全尺寸换热模型,该模型水流进口条件与实验一致,土壤导热系数、地下初始温度等均为实验测得数据。以换热量比较,模拟结果与实验结果相差6.8%。在验证模型精度的基础上,对50m、60m、70m埋深的单U及双U型换热器进行模拟比较。进水温度为36.85℃时,对于单U型管,单位井深换热量分别为59.19W/m、56.23W/m、53.40W/m;对于双U型管,单位井深换热量分别为94.16W/m、90.00W/m、85.93W/m。不同深度的地埋管,双U型换热性能优于单U型,散热量约高37%,但是单U型管出水温度低于双U型管。     

土壤源热泵系统的地埋管热平衡分析

主要针对土壤源热泵系统的垂直地埋管系统进行实际测试,从春夏秋冬4个季节分析单U管和双U管形式与土壤温度的关系,重点分析了土壤源热泵地埋管系统与土壤热平衡问题.     

桩基地埋管换热器传热性能研究

土壤源热泵地埋管换热器占地面积较大,配合采用桩基地埋管换热器将大幅缩小占地面积.结合工程实例,对采用W形地埋管的桩基地埋管换热器的热流量进行了测试,其传热性能高于常规单、双U形地埋管换热器.     

地源热泵地热响应测试影响因素分析

利用TRNSYS软件建立地热响应测试的模型,以单U型地埋管换热器为例,进行了不同埋深、不同流速、季节效应情况下的地埋管换热量及每延米换热量进行模拟。分析在同一土壤类型条件下,不同地热响应测试工况对测试结果的影响。在地源热泵系统设计过程中应充分考虑这些因素,优化系统设计。     

四川绵阳某高校地源热泵地埋管换热特性研究

对绵阳某高校的土壤热物性参数进行了测试,并利用实测数据验证了数值模型的可靠性。建立了单U型和双U型地埋管的传热模型,并对地埋管换热特性进行了数值模拟,得到了进水温度、进水流速、钻井深度、回填料导热系数、土壤初始温度等因素对地埋管换热器换热性能的影响规律。结果表明:双U型地埋管的单位井深换热量、总换热量和能效系数较单U型地埋管高,但供回水温差较小;地埋管内水流流速与换热量及系统阻力直接相关,建议取0.4~0.8 m/s为宜。     

土壤源热泵垂直埋管周围温度场数值模拟

针对典型的垂直 U型埋管土壤源热泵 ,笔者建立了埋管周围非稳态温度场的数理模型 ,并利用有限单元法进行数值模拟 ,计算值与实测值吻合的很好     

热传导CPT探头的研发与应用

土体热导率是能源地下工程、高压电线埋设、冻土路基等工程设计中的重要参数,是评估土体换热性能及地下温度场计算的关键,但目前缺乏有效的原位测试手段。基于瞬时线热源温度消散理论,研发了可测试原位土体热导率的静力触探(CPT)探头。根据理论假设与现有CPT系统尺寸,确定了探头具体长度、直径、内部构造、温度采集点位,并提出相应测试步骤与热导率计算方法。利用COMSOL有限元分析软件对测试过程进行模拟验证,结果表明探头实际传热符合线热源假定,且计算方法适用于一般热导率土体。对于热导率较小(小于0.6 W/(m?K))土体,需适当延长测试时间。现场应用表明,土体原位热导率略高于取样土室内测试结果,表明取样扰动可能降低土体导热性能,最后对取样测试及工程设计提出改进建议。     

基于热响应测试的分层土壤地埋管换热器数值模拟研究

结合热响应测试数据,建立了三维分层土壤地埋管换热器非稳态模型,并进行了验证。通过分析比较单层、分层土壤地埋管换热器模型,结果显示分层土壤地埋管模型误差较小;通过分层土壤地埋管模型分析了100 m、80 m、60 m深度埋管的换热性能,结果显示增加埋深时,单位延米换热量随着埋深的增加而减小,验证了热短路现象存在性。     

徐州地区U型地埋管换热器热响应测试

利用热响应测试原理,对徐州市某地源热泵工程的两个实验井进行了测试,获得了该区域土壤热物性及其取放热特性参数,并采用线热源理论对测试数据进行分析和计算,确认该区域土壤的导热系数较高,地层热传导条件优,保证了地下埋管的换热能力,适宜采用地源热泵,为类似工程提供应用借鉴。     

岩土热物性测试影响因素的研究

研制了两种岩土热物性测试仪,介绍了线热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法3种测试热物性的方法.建立了一个三维数值模拟模型,分析了测试时间、计算开始与结束时间、比热容等因素对导热系数、热阻的影响.     

土体热传导性能及其热导率模型研究

为研究不同土体的热传导特性变化规律,利用热探针测试了南京地区典型土体在不同含水量和干密度状态下的热阻系数,分析了含水量、干密度、饱和度以及矿物成分等因素对土体热阻系数的影响,研究了不同状态下土体热导率的预测模型,提出了适用于不同地区土体热阻系数估算的修正系数.结果表明:南京地区典型土体的热阻系数随含水量和干密度增加而减小,当含水量超过一定范围后,热阻系数趋于稳定;热阻系数与饱和度之间的关系表现出与其含水量之间相似的变化规律;土颗粒的热传导特性由其矿物成分决定,石英含量对土颗粒热传导特性有着显著影响;提出了可用于非饱和土热导率估算的修正归一化模型,该模型对于粗粒土具有较高的预测精度,细粒土则需考虑区域差别进行修正.     

土体温度场物理模拟用土的制备方法研究

为提高冻土模型试验对现场实际的反映程度,基于模型与原型之间的相似关系,提出了一种制备热学参数满足相似原理的模型土方法。首先,根据傅里叶方程、第三边界条件和相似理论推导出了土体冻结过程中热学参数相似准则,并依照Johansen的导热系数广义几何平均计算方法列出了模型土应满足的3个方程。在此基础上,选用高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉制备模型土并模拟了天津地区某粉质黏土冻结过程温度变化。根据高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉和天津地区粉质黏土的导热系数、比热和密度实测值,结合模型土的三个配比方程确定了模型土的相态组成。分别将配制好的模型土以及粉质黏土用于模型试验和原型试验,并将实测温度值进行了对比,验证了模型土配置方法的有效性。 该研究对于冻土温度场的跨尺度预测具有借鉴意义。     

土壤热导率测试系统研究

介绍了土壤热导率的测试方法,根据传热模型反解法设计了土壤热导率测试系统。结合工程实例,应用土壤热导率测试系统对北京某地区的土壤热导率进行了测试。测试系统采用的恒热流密度法可以获得最恶劣工况下土壤的热导率,从而确保了地源热泵的可靠性且测试误差较小,但恒热流密度法对电源的稳定性要求较高。     

双U形地埋管换热器冬季周围土壤温度变化

建立了计算地埋管换热器周围土壤温度的数学模型。结合天津地区某实际工程,采用跟踪测试方法研究了冬季双U形地埋管换热器周围土壤温度的变化。深度为10m以下的土壤温度基本不受环境温度的影响。随着深度的增加,土壤原始温度逐渐升高,在深度为10～120m范围内,土壤原始平均温度为15．9℃。地埋管换热器冬季的热作用半径为1．5～2．5m。     

地源热泵U形竖直地埋管热响应试验及分析

以上海某工程为例,通过自主研发的测试装置,采用恒热流法分别对DN32单U形及DN25双U形竖直地埋管试验孔进行了热响应测试,得到了单位管长换热量及岩土的热物性参数,其中双U形管单位管长换热量比单U形管高约20％;双U形管导热系数比单U形管高约15％.建议在选择地埋管形式时应综合考虑场地地质条件、埋管单位管长换热量、管材及钻井难易等因素.