地源热泵制冷工况间歇运行的实验研究

地下埋管内的水温主要与埋管换热器的长度、地下土壤温度、土壤的热物性及系统运行模式等因素有关。如果能找出系统最佳运行模式,对于地下温度场的恢复、系统运行优化以及减少埋管换热器的造价都有重要意义。本文就是基于这样的目的,通过人为控制机组的运行模式,探求连续运行及间歇运行模式下埋管换热器内水温的变化规律,以期找到地下换热系统运行优化的最佳手段。     

土壤蓄冷与释冷过程的能量分析

在对土壤蓄冷系统冷量损失过程分析的基础上,提出了地下埋管换热器垫层冷量损失与温差传热冷量损失的概念,并建立了垫层冷量损失和温差传热冷量损失的计算模型;为衡量系统在运行期间地下埋管换热器管束系统的运行效率,建立了埋管换热器管束系统的平均释冷率模型。通过理论研究与模拟计算,分析了土壤初始温度、埋管间距及管束结构对土壤蓄冷系统冷量损失的影响,指出了土壤蓄冷系统冷量损失随土壤初始温度及埋管间距之间的变化规律,为土壤蓄冷系统地下埋管换热器的优化设计提供理论依据。     

地源热泵技术讲座(四)地埋管地源热泵系统

1 地埋管换热器的分析 (1)地埋管换热器的传热 地埋管地源热泵系统利用地埋管换热器与岩土体进行热交换.地埋管换热器设计是否合理,决定着系统的经济性和运行的可靠性.地埋管换热器由埋于地下的密闭循环管组构成.根据管路埋置方式不同,分为水平埋管和竖直埋管2种.水平埋管投资少、施工简单;竖直埋管占地少、换热性能稳定.竖直埋管的研究与应用远远多于水平埋管.     

一种新的土壤源热泵循环水温的确定方法

土壤源热泵技术使用日益广泛,然而地埋管换热器循环水温的确定方法不一,且只给出一定的选择范围,据此得到的温度差异较大,对系统的设计与运行有较大影响。针对工程中常用的竖直埋管换热器的经验公式算法,在总结现有循环水温确定方法的基础上,提出了一种基于经济性的循环水温的选择确定方法。对于具体工程,通过对现有范围内不同水温下系统初投资及年运行费用的构成进行分析,计算并比较生命周期内系统费用的折现值,从而确定经济循环水温,并保证系统综合经济性最佳。     

基于神经网络的地下埋管换热器优化模型

基于经典的Kelvin线热源模型和Kavanaugh圆柱源理论模型,运用负荷叠加、负荷阶跃、负荷累积的思想,结合人工神经网络建立了土壤源热泵系统地下埋管换热器仿真优化模型。与实验和理论已验证过的圆柱源理论模型的比较分析表明,地下埋管神经网络优化模型相对于传统的地下埋管解析解模型具有良好的计算精度和泛化能力,该模型应用于土壤源热泵系统的长期运行可以大大缩短计算时间,为土壤源热泵系统的优化及设计提供更有效率的模拟计算方法。     

垂直单U地埋管换热器进出口水温耦合特性分析

对某一土壤源热泵空调系统供暖期实测的垂直单U地埋管换热器进出口水温进行分析,总结了垂直单U地埋管换热器进出口水温的变化。利用MATLAB软件对垂直单U地埋管换热器进出口水温之间的耦合关系进行函数拟合分析,得到了垂直单U地埋管换热器出水温度随进水温度变化的函数关系式,其相关系数为0.975。运用该函数关系式结合实测的进水温度预测次年供暖期的出水温度值,将预测值与实测值进行比较,相对误差为±8.1%。证明了该函数关系式可用于预测未来每年供暖期的地埋管换热特性,并为类似地质及气候条件下的土壤源热泵系统的设计和运行预测提供参考依据。     

太阳能-土壤源热泵耦合系统及其地埋管系统

建立了太阳能-土壤源热泵耦合型热水系统实验平台,研究了在秋冬季不同运行条件下该系统的运行特性,分析了地下埋管系统中钻孔回填材料、U型管工作模式、套管内循环液流动模式、套管外管与内管的导热系数比等对系统制热效果的影响。研究表明,太阳能土壤源热泵系统在国内亚热带地区可以获得良好的应用,并给出了埋地换热器的合理形式。     

连续与间歇运行工况下地埋管换热器的换热特性研究

为了研究地埋管换热器在变负荷下连续运行与间歇运行的换热性能,基于有限长线热源渗流模型建立竖直地埋管钻孔外准三维非稳态传热模型,应用叠加原理计算钻孔群中钻孔壁温度场及地埋管内流体温度场。在存在地下水水平渗流的情况下,研究了变负荷连续运行模式下不同渗流速度、不同运行工况及不同钻孔位置对地埋管换热器的换热性能的影响。结果表明,在连续运行模式下,边缘位置的钻孔及较大的渗流速度能够增强地埋管换热器的换热性能;在间歇运行模式下,地埋管换热器的运行份额越小,其制冷效果越好,反之,制冷效果越差;在间歇运行工况下,土壤温度能在系统间歇期内得到一定程度的恢复,从而更好地提高地热能的利用率。     

集群地埋管换热器的传热分析

地源热泵技术在我国的应用绝大部分为竖埋管系统。地热换热器长期运行时,各个钻孔的换热会受到周围钻孔的影响,产生热干扰现象。基于有限长线热源模型以及地热换热器土壤温度计算程序,通过Mtatlab绘制出集群土壤温度分布云图。着重研究冬夏季负荷平衡时不同工况下的集群竖埋管土壤温度的简化计算方法。以无渗流矩阵形式布置的地下管群为例,采用埋管矩阵代替原地下管群进行传热分析。通过分析比较,认为在确定地质条件、埋管几何参数、负荷及运行条件等相同情况下,可以通过单根埋管的传热影响半径确定集群埋管传热矩阵,从而代替原集群埋管进行传热分析。     

土壤源热泵机组性能与埋管长度的经济性分析

从投资费用和运行费用的角度出发,在用户侧进口水温一定的情况下,分析不同地下埋管管长对土壤源热泵机组性能的影响.土壤源热泵地下换热埋管设计中在满足负荷的情况下适当增加埋管长度,可提高机组性能系数,节省运行费用.     

不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响

在天津市一生态居住小区综合办公楼建立了闭环大地耦合地源热泵系统(GCHP)，对该系统所采用的不同回填材料U型垂直埋管-U型桩埋管和U型井埋管换热器分别进行取热和放热的实验研究，对比分析了这两种埋管方式换热器的换热效果与性能及影响因素。并对这两种埋管方式在短期连续放热运行条件下对周围土壤温度场的影响进行测试分析，得出了这两种埋管换热器的热作用半径。     

埋地换热器理论模型与周围土壤温度数值模拟

提出内热源型埋地换热器理论模型，建立换热器周围土壤热湿传递物理数学模型。内热源模型综合考虑热湿迁移、土壤物性等各方面因素，将埋设于土壤中的换热器处理为等效内热源。采用专业多孔介质计算软件Autough2对模型进行模拟计算。着重模拟计算不同土壤物性、不同换热器运行方式对单根U型垂直埋管换热器周围土壤温度场影响的模拟计算与分析。     

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。     

土壤源热泵U型埋管换热器传热的非稳态数值模拟

本文基于能量平衡方程,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的非稳态传热模型,用所建立的传热模型对土壤源热泵冬季取热过程进行了动态模拟.研究了不同物性土壤温度及U型埋管出口流体温度的变化规律,分析了土壤物性对换热器换热性能的影响,采用间歇运行方式提高了换热器换热能力.通过建立数学模型得出的结果,可供设计参考.     

超强吸水树脂与源土混合作为地源热泵供热系统回填材料的实验研究

在热泵制热工况下,超强吸水树脂与源土混合作为回填材料,分别对螺旋盘管、U型管以及整个系统进行了实验研究,得出系统性能变化曲线。实验结果表明,超强吸水树脂与源土混合作为回填材料,特别是螺旋盘管换热器,可明显增大地下换热器换热量,提高地源热泵系统的效率和稳定性,适用于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。     

不同管间距的垂直U型地埋管换热实验研究

对不同管间距的垂直U型地埋管进行了夏季工况连续实验,比对单U地埋管换热器不同管间距下的单位井深换热量、管群内土壤温度变化和系统运行情况,结果表明,管间距越大,单U换热器和土壤之间换热效果越好,管群内的热干扰越弱;管间距过小,系统内换热器的换热情况将恶化,导致不能长期稳定运行。     

地源热泵间歇运行下土壤热湿迁移的实验研究

建立地埋管换热土壤热湿迁移过程的实验装置,对地源热泵间歇运行时不同进口流体温度及不同土壤体积含水率下土壤温湿度场的变化特性进行实验研究。实验结果表明∶间歇运行时,入口流体温度的升高会使土壤温度最大值升高,但不利于土壤温度的恢复,土壤体积含水率的增加在一定程度上有利于地下换热和土壤温度的恢复。系统开机后存在土壤温度上升的主上升区,此区温度增幅超过65%,关机后第18小时土壤温度基本恢复至初始温度;系统关停后在温湿度梯度的作用下会出现温度和含水率最大值后移的现象,热源对土壤温度和含水率的作用半径约为280和375 mm;开停比为1∶2时温湿度较1∶1能恢复得更低,合理设置停机时间有利于机组长期有效运行。     

Soil temperature distribution around a U-tube heat exchanger in a multi-function ground source heat pump system

The imbalance of heat extracted from the earth by the underground heat exchangers in winter and ejected into it in summer is expected to affect the long term performance of conventional ground source heat pump (GSHP) in territories with a cold winter and a warm summer such as the middle and downstream areas of the Yangtze River in China. This paper presents a new multi-function ground source heat pump (MFGSHP) system which supplies hot water as well as space cooling/heating to mitigate the soil imbalance of the extracted and ejected heat by a ground source heat pump system. The heat transfer characteristic is studied and the soil temperature around the underground heat exchangers are simulated under a typical climatic condition of the Yangtze River. A three-dimensional model was constructed with the commercial computational fluid dynamics software FLUENT based on the inner heat source theory. Temperature distribution and variation trend of a tube cluster of the underground heat exchanger are simulated for the long term performance. The results show that the soil temperature around the underground tube keeps increasing due to the surplus heat ejected into the earth in summer, which deteriorates the system performance and may lead to the eventual system deterioration. The simulation shows that MFGSHP can effectively alleviate the temperature rise by balancing the heat ejected to/extracted from underground by the conventional ground source heat pump system. The new system also improves the energy efficiency.     

渗流对地下埋管换热器传热管间距的影响

为确定地下水渗流对土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器管间距的影响,本文基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法模拟了冬、夏季工况下管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场,分析了地下水渗流对其传热过程的影响。结果表明在冬夏工况下管间距宜不同,地下水运动对温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。