竖埋螺旋管地热换热器理论模型及实验研究

对竖埋螺旋埋管地热换热器建立了传热模型，分析了流量、土壤传热系数对热输出的影响，并计算了等效传热系数、竖埋螺旋埋管换热器对土壤温度场的影响情况。在理论计算的基础上，对一竖埋螺旋管地源热泵系统进行了实验研究，对比分析了理论计算值和实验测试值，并分析了热泵系统的性能。     

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。     

地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究

为确定地下水渗流对竖直地下埋管换热器的影响,该文从实验角度出发,分别对无渗流土壤、饱和土壤中地下埋管换热器热负荷对其周边土壤温度场的影响,有渗流土壤中地下水流速、土壤初始温度以及埋管热负荷对土壤温度场的影响进行了实验,从而得出在夏热冬冷地区或亚热带地区应用土壤源热泵时,宜采用冷却塔-土壤源热泵混合系统形式或将地下埋管换热器埋设在地下水流速较大地区,以期土壤源热泵的长期良好运行。     

减缓集群地埋管冷/热量累积效应的分区运行方法

针对冬夏季负荷不平衡时集群竖埋管地埋管换热器区域地下土壤冷/热量累积问题,提出低负荷季节只运行较为中心区域埋管的分区运行方法以减缓冷/热量累积效应。以夏季负荷大于冬季负荷为例进行分析,发现只运行较为中心区域部分的埋管时,土壤最高温度和平均温度均较未分区运行时显著下降,可有效抑制地下热量累积效应。分析还表明当土壤导热系数较小时,采用分区运行方法对抑制和减缓地下冷/热量累积效应更为有效。上述结论同样适用于冬季负荷大于夏季负荷的情况。     

竖直U型管地热换热器的准三维传热模型

在地热换热器原有研究工作的基础上，进一步考虑流体工质在钻孔深度方向上的温度分布，分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程，导出了竖直埋管地热换热器效能的解析式。由此，可以抛弃以往简化模型当中的不合理假设，为地热换热器的设计和模拟提供了更加精确合理的理论基础和计算方法。     

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。     

钻孔深度对地源热泵系统性能的影响

通过TRNSYS软件建立地源热泵系统仿真模型,在综合考虑不同钻孔深度下的钻孔数量、单孔流量及建筑物逐时负荷的基础上,对比分析不同钻孔深度下,系统运行能耗、地埋管换热器初投资及占地面积。研究表明,钻孔深度低于300 m时,钻孔数量随钻孔深度的增加而明显减小,高于300 m时,钻孔数量基本不变;长期运行,土壤温度随钻孔深度的增加而先增后减;地埋管换热器初投资随钻孔深度的增加而增加;钻孔深度100 m时系统冬夏季运行能耗最低,总运行能耗最低,故可优先选择钻孔深度为100 m,当地表面积有限时,可选择钻孔深度为150 m甚至是200 m;将系统运行能耗、地埋管换热器初投资占地面积与钻孔深度间的关系拟合为公式,并提出确定钻孔深度的方法。     

地下水流动对垂直埋管换热器土壤温度场分布的影响

为确定地下水渗流对地下埋管换热器周围土壤温度场的影响,基于内热源法建立热渗耦合作用下的数学模型,利用传热模拟得到换热器周围土壤温度场分布,结果表明地下水流动对原温度场影响明显,而且地下水流速越大影响越大。     

土壤源地热换热器的传热性能分析及优化设计研究

文中对垂直U型埋管土壤源地热换热器的传热性能进行了分析,并优化设计计算了不同负荷下地热换热器的长度.首先根据土壤源地热换热器的传热性能分析,在满足工程实践的基础上,选择了IGSHPA模型简化下的传热分析方法计算传热热阻;然后利用一维导热和线热源模型,得到流体至管道内壁的对流换热热阻,塑料管壁的导热热阻,钻孔内部的导热热...     

广州地区土壤温度场对U型埋管换热性能的影响

针对广州地下50m以内土壤温度分布来研究广州地区地温的分布特性和变化规律,建立了垂直u型地埋管地下换热区域温度场的三维稳态和瞬态传热模型.同时就该系统在冬季和夏季运行分析了不同工况下埋管区域土壤温度场的分布情况以及进一步确定了热泵机组连续和间歇运行对地埋管换热性能、埋管区地温恢复状况的影响.最后,通过对某别墅工程的动态负荷计算,选用ASHRAE推荐的地埋管地源热泵设计模拟软件GLHEPRO 3.0进行30a运行模拟,分析得到了地下埋管区域土壤热平衡对埋管换热性能的影响程度,从而为华南地区推广使用地埋管地源热泵系统的长期高效运行提供理论参考.     

土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟

结合土壤源热泵技术推广中存在的问题和地下蓄能技术的优点,提出了土壤蓄热与土壤源热泵集成系统及其地下管群换热器的布置方式。并在能量平衡的基础上建立了地下管群换热器蓄热、释热和停止运行的数学模型。通过数值模拟,分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响。     

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。     

基于渗流有限长线热源地埋管管群换热分析与优化

地下水运动对地埋管换热器具有重要的影响,通过对比分析渗流无限长与有限长线热源模型,指出考虑轴向传热的有限长线热源更为合理。基于温度场的叠加原理,建立渗流有限长线热源的管群换热模型,并通过耦合管内流体流动,构建管群换热的优化模型。采用位置布置优化措施后,18孔梅花布置比16孔正方形布置的面积利用率提高12.5%,承担相同的负荷其系统的COP值提高7%-10%;16孔管群采用负荷分配优化策略后,其管群的土壤温度场不平衡率大大降低,管群平均温度约降低7.6%,COP提高约10%。     

地下水流动对地下管群换热器传热的影响分析

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的影响，该文基于热渗耦合作用下的数学模型，采用整体求解方法求得冬、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数值解，从而分析了地下水渗流对其传热过程的影响，结果表明地下水运动对原温度场的影响明显，而且越高的地下水流速影响越大。     

热渗耦合下的地埋管换热器管群排列方法研究

为了确定地源热泵工程中地埋管换热器管群的最优排列方法和管间距,建立了热渗耦合下的地埋管换热器管群三维传热模型。利用Fluent软件通过数值方法模拟了不同排列方法、不同管间距下的换热器出水口温度,着重研究了存在地下水渗流时管群排列方法对换热能力的影响,并且提出了管群单位面积换热量这一评价指标。研究结果表明,叉排管群的换热能力要高于顺排管群,地下水的渗流作用使之更加明显。无论是叉排还是顺排,管群的换热能力都和地下水渗流方向密切相关。     

地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

为确定地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热器周围温度场的影响,以U型地埋管换热器传热系统为例,构建了等效当量直径的单管圆柱换热器传热物理和数学模型,并用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.2a 对夏季工况下地埋管换热器周围温度场进行数值模拟计算,通过有无渗流条件下不同导热系数、孔隙率土壤温度场变化的对比分析,确定引起温度场变化的主导因素,为下一步试验提供了重要依据。     

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。     

地埋管换热器布置形式对土壤平均温度的影响

在使用土壤源热泵的系统中,因地埋管布置形式的不同,土壤源热泵系统对地下温度场的影响也不同。结合Fluent与TRNSYS模拟软件,在排除管群之间热作用影响的条件下,从钻孔间距、钻孔数量、钻孔深度这些影响因素出发,研究土壤源热泵系统运行1a后土壤温度场的分布情况。结果表明:改变钻孔间距对土壤平均温度的影响要大于改变钻孔数量以及钻孔深度。     

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。     

多钻孔竖直U型埋管换热器传热研究

以地源热泵地下U型埋管四钻孔换热器为研究对象,利用有限元计算方法,编制程序,模拟分析了系统运行时间及钻孔顺序排列和交叉排列时钻孔间距和布置形式对土壤温度场的影响。结果表明:随着运行时间的增长,热干扰现象越强烈,热干扰主要发生在钻孔之间,在两钻孔中间影响最大;从土壤能源利用均衡性角度来讲钻孔交叉排列的形式优于顺序排列的形式。