基于CFD的填砾抽灌同井数值模拟

文章根据已有的填砾抽灌同井砂箱实验台,建立了两种不同尺寸的多区域耦合三维CFD模型,选取了热源井的抽水温度、逐时取热量和累计取热量进行模型验证。热源井抽水温度实验值与模拟值的吻合度较高,两种模型25 min内热源井累计取热量的相对误差分别为3.28%和5.56%。分析结果表明:砂箱的几何尺寸会对含水层流场和温度场的变化造成影响;回填砾石区会发生流贯通,中间隔断区的宽度与抽、回水区的间距会影响回水进入抽水区的速率,因此,应增大回水区与砂箱上顶板之间以及热源井与砂箱四壁之间的距离;应当增大中间隔断层的宽度以及抽、回水区的间距,以此来延缓流、热贯通的形成。     

地下水源热泵不同布井模式下地下温度场变化模拟分析

针对地下水源热泵抽水井与回灌井布局模式对地下温度场的影响,通过建立地下水流与温度的耦合模型,从抽灌井布置间距及抽灌井数量角度模拟分析了不同布井模式下地下水温度的变化趋势和热贯通发生的基本特性。结果表明,同类井间距对热贯通影响不显著,抽灌井间距对抽水温度及热贯通时间影响较大;从热贯通发生时间来看,抽灌井数量越多热贯通发生的时间越延迟,但从温度偏离度角度分析,系统长期运行后抽灌井数量对抽水温度偏离度影响不显著。     

常温注水井对含水层热贯通的影响机理分析

为探究常温注水井对水源热泵热贯通现象的影响,利用FlowHeat1.0软件模拟了3组情景下含水层渗流场、温度场时空分布特征,并分析了常温注水井对含水层热贯通的影响机理和抽水井水温变化规律。结果表明,常温注水井通过减小回灌井、常温注水井之间的水力坡度和延长地下水渗透途径的方式达到缓解热贯通的效果;回灌井、常温注水井流量比相同时,常温注水井在抽灌井连线的位置对含水层热贯通的影响小;抽灌量不变时,常温注水井与回灌井的流量比越大,常温注水井缓解热贯通的效果越明显;在有利地下水回灌的水源热泵系统中,布设常温注水井能有效地降低含水层热贯通程度。     

基于1D/3D协同仿真流量与温差调控模式影响分析

针对地下水源能量利用系统建筑负荷的动态变化,基于1D/3D集成分析数值方法的基础上,分析了定流量变温差及定温差变流量两时变模式系统性能参数的变化。结果表明:定温差变流量调控模式由于抽水量小于定流量变温差模式,含水层发生热贯通时间较晚;发生热贯通后,由于抽水温差大于定流量变温差模式,冷水封面向抽水井移动速度较快,抽水温度下降幅度较大,热贯通程度显著。抽灌水流量对热贯通起主导作用,热贯通发生后抽灌水温差对地下水温度影响较大;定温差变流量模式机组的COP值迅速下降,运行过程中耗功较少,系统能效比较大。     

在螺旋套管冷凝器内R417a凝结换热性能的实验研究

在空气源热泵热水器中,使用混合型制冷工质R417a,冷凝器采用螺旋套管换热器且套管环形空间内制冷剂与内管中的水逆流换热。对在不同工况下,环形通道内R417a的凝结换热特性进行实验研究和理论分析。实验的工况为:水的体积流量为0.60～1.00 m~3/h,水的流速为0.58～0.98 m/s,冷凝器进水温度为20.0～55.0℃。实验结果表明:环境温度为15.0℃,螺旋套管内R417a的凝结传热系数随冷凝饱和温度的升高而减小,局部凝结传热系数随干度的增大而增大。当冷凝器进水体积流量为0.60 m~3/h,饱和冷凝温度由40.0℃增加至60.0℃时,冷凝器制冷剂侧凝结传热系数从3 839.0减小至2 372.0 W/(m~2·K),约减少了38.1%。     

地下水源热泵对井抽灌系统回灌能力研究

以西安市某水源热泵系统为例,建立对井抽灌渗流场模型,反演计算抽水过程与回灌过程的渗透系数,模拟分析含水层参数与井参数对热泵系统回灌能力的影响。结果表明:渗透系数是影响回灌能力的重要因素;相同含水层厚度条件下,应优先选择完整井地下水源热泵系统;减小抽灌井距对提高井的回灌能力效果不明显,但会提高发生热贯通的可能性;增大井径可减小抽水和回灌的压力,但会增加井的投资。回扬可显著提高回灌能力,越是回灌困难的系统,回扬效果越明显。     

基于表皮效应的单井循环地下换热系统地下水渗流方程的统一分析

单井循环地下换热系统有循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井3种形式。由于上述3种热源井结构不同,导致地下水渗流数学模型繁多、复杂,并且缺乏统一的理论公式,难以应用于实际工程。为解决上述问题,文章利用表皮效应对渗透系数进行统一,获得3种热源井井壁处渗透系数转换关系式。文章以填砾抽灌同井为例,建立地下水渗流方程和边界条件,推导降深方程,并利用渗透系数转换关系式得到其它热源井的降深方程。研究结果表明:填砾抽灌同井地下水渗流方程的解析解与数值解之间的平均误差为2.0%;填砾抽灌同井地下水渗流方程可以解决填砾抽灌同井影响下的稳态、无越流承压含水层的地下水流动问题,并为实际工程应用提供理论基础。     

基于FLOW HEAT的地下水源热泵一抽多灌井群优化布置数值研究

为研究一抽多灌井群的最佳布置方式,基于FLOW HEAT软件,将抽水井附近的灌水井群采用集中环绕型、直线型等8种不同布置方式建立数学模型,分析抽水井水温变化规律、温度和渗流场及最佳井距。结果表明,采用以抽水井为中心回灌井环绕布置方式时井群影响范围较小,渗流效果也较好,但抽水井水温较高易发生热贯通现象;采用直线型布置方式时抽水井水温变化较慢、井群渗流效果一般;井群水温随井距的增加逐渐降低。综合考虑,抽水井在回灌井中间的直线型布置且井距为51.63m为最佳布置方式。     

热泵间歇制热及土壤热响应特性的研究

研究了广东地区地源热泵机组间歇式运行模式下埋地管换热器的换热能力及土壤热响应特性。土壤源热泵系统的单U、双U埋地管换热器深30m,在连续运行工况下,系统运行12h后土壤温度变化很小,单U和双U井的土壤平均温度分别下降5.16℃和6.30℃,系统停机后自然恢复到初始温度需要长达75h。分别取开停时间比3h:5h和4h:5h进行实验,并比较了间歇和连续两种工况下地埋管换热能力的大小,发现间歇工况下单U井的换热能力可分别提高8.3%和7.6%,双U井可分别提高10.2%和3.1%。     

单井循环地下水源热泵热源井排放实验

针对单井循环地下水源热泵系统有关排放的实验研究不足,搭建砂箱实验台研究其排放特性,并分析实验台与实际工程情况的差异。实验研究结果表明,在取热工况下,排放能够提高热源井的抽水温度和取热量,尤其是对于提高循环单井抽水温度效果显著,但过大排放比的作用有限,在实验条件下,排放比从5.0%增加到32.1%,填砾抽灌同井的取热量仅增加了7.4%。此外,排放可缩小热源井热影响的范围。     

沙子/聚丙烯酰胺中内螺纹地埋管换热性能

针对土壤源热泵系统在制冷工况下的一种U型内螺纹地埋管换热性能开展实验研究,分析回填材料(沙子、沙子/聚丙烯酰胺混合物(PAM))、进口水温及雷诺数等对地埋管换热性能的影响规律。发现在进口温度为30～45℃、雷诺数为4000～10000时,与原沙回填相比,沙子添加1.5%PAM后,外围土壤平均温度有所提高,管内流体平均对流换热系数提升约36%。分别得到2种回填材料时地埋管的换热准则关联式,该关联式得到的预测值与实验值吻合较好。     

冷热负荷失衡条件下采能区地温场的模拟研究

以北京某地下水源热泵空调系统为例,利用地下水、热耦合数值模型技术,对冷、热负荷严重不平衡条件下地下水抽灌场地温度场的年内和年际变化进行了定量模拟预测研究,并对系统长期运行的可行性进行了论证.研究结果表明:抽水井和回灌井之间的距离相对较大,抽灌井之间的"热突破"程度较低;由于空凋系统的供暖负荷显著大于制冷负荷,抽灌区温度场将呈逐年下降趋势;抽灌场地是一个开放的系统,不断与外界发生能量交换.随着热泵空调系统的长期运行,抽灌区的温度下降速率越来越小,地温场渐趋稳定;由于热泵系统的年内冷、热负荷存在严重失衡,进而对热泵系统的运行效率将产生一定影响.     

地下水源热泵采能区水热耦合模型研究

为合理安排地下水源热泵系统的抽灌井布局,利用地下水数值模拟方法,通过Visual MODFLOW软件中的SEAWATV4热运移模块,概化地下水温度场运移过程,建立了符合研究区域水文地质特征的水热耦合数值模型,采用不同的变量对合理井距离进行模拟研究,模拟得出在水温变幅不超过2 ℃的前提下,抽灌量300、800、1 500、2 500 m3/d的合理井距分别为26.5、53.0、80.0、106.0 m,可知温度场的变化范围受井距和抽灌量影响明显并呈一定规律性,应根据水源热泵系统不同的抽灌量要求确定合理的抽灌井距离。     

抽-灌井水量对耦合式地埋管井群传热性能的影响

基于多孔介质传热、传质理论以及有限长线热源模型,建立耦合式地埋管换热器井群热-渗数学模型,以原位热响应试验与现场抽水试验为验证依据。针对渤海盆地含水层,通过数值模拟探究不同抽-灌水量对地埋管井群传热性能的影响。研究表明:随着抽-灌水量的增大,地埋管井群换热能效系数增大,井群下游区域热影响范围扩大。在制冷与供热工况下,井孔E7所在细砂层佩克莱特数(Pe)与单位埋深换热变换量Δq关系曲线均呈高斯函数分布。基于所建耦合式地埋管井群物理模型,抽-灌水量推荐范围为400~600 m3/d。     

基于元体能量平衡法的垂直U型埋管换热特性的研究

基于元体能量平衡法建立了垂直U型埋管的传热模型,模型考虑了流体温度的沿程变化,并通过引入热干扰角与等效传热间距反映两管脚间的热干扰问题,使之更符合实际的传热情况。通过所建模型对U型埋管的换热特性进行了数值模拟,结果表明:增加土壤与回填物导热系数、管脚间距、管内流体流量及减小管脚热干扰角与进口流体温度(供热工况下)均可以增强埋管的换热效果,其中土壤导热性影响最为显著。但回填物导热系数不可无限制增大,其大小还要考虑对增强管脚间热干扰的影响及其与管脚间距的相互关联性。同时,流量的增加要考虑对流动阻力增加的限制,可以采用变流量设计来进行调节与优化。此外,为了充分发挥地源热泵的能效,实际设计应该考虑埋管、热泵及负荷三者间的相互匹配性。     

地下承压含水层水-热运移特性的模拟研究

依据地下水文地质的相关概念和渗流力学的理论基础,建立了地下含水层热量运移的数学模型.以微山地区一工程为背景,对1抽2灌井群的热量分布规律进行了求解,得出了井群的水流速度场、水头压力场以及温度场分布.经计算分析得出:①在抽灌状态下,水压的变化较温度场快,影响范围也较大.相对应的温度影响半径相对较小,变化速度较慢且不明显;②温度场的影响半径主要集中在井周围约30m范围内,其温度的变化梯度为0.17℃/m.而超出此范围的区域,影响的相应时间较长,幅度不大;③夏季抽灌温差采用:10℃大温差运行,有利于避免或减小热贯通现象,且可减少抽灌水量.     

地源热泵系统夏季制冷间歇运行特性实验研究

对实际运行的地源热泵系统夏季制冷间歇运行特性进行实验研究,分析比较不同间歇运行方案下得到的热泵机组性能和地埋管换热性能。研究结果表明:相比于负荷侧流量,地源侧流量对机组性能和地埋管换热性能的影响较大;在流量设定的条件下,采用开机运行2 h停机2 h运行方案机组的性能最好,机组最大性能系数(COP)值可达到4.17,比运行4 h停机2 h机组的COP值高出7.5%;在停机2 h的情况下,机组开机2、3或4 h,地埋管的换热能力均可得到恢复,停机前后埋管的平均换热量基本保持平衡。     

油浓度对小管径水平内螺纹管内R404A冷凝换热影响的实验研究

研究了强制对流条件下水平内螺纹管内R404A气液两相流冷凝换热特性,主要讨论油浓度对外径为5 mm的内螺纹管内R404A冷凝换热的影响。实验中油浓度变化范围为0~5%,设置入口平均饱和冷凝温度为40℃,质量流密度变化范围为200~400 kg/(m~2·s),热流密度变化范围为5~45 kW/m~2。实验研究表明:油的出现恶化了换热,在油浓度为1%以下时恶化作用可以忽略,但随着油浓度的增加换热恶化作用越来越明显;对于纯R404A和油浓度为1%的R404A-油混合物,冷凝换热系数随着制冷剂蒸汽干度的降低而逐渐减小;对于油浓度为3%和5%的R404A-油混合物,随着制冷剂蒸汽干度的下降,冷凝换热系数先增加然后逐渐减小,在干度为0.7~0.75之间呈现出一个冷凝换热系数的峰值。同一质量流密度下,换热系数惩罚因子会随着干度的增加而减小,即干度越大,换热恶化作用越大;当质量流密度从200 kg/(m~2·s)增加到400 kg/(m~2·s)时,同一油浓度下油对换热系数的恶化作用相对变小。     

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。     

微通道内R152a的流动冷凝换热特性的实验研究

在饱和温度为30～50℃,质量流量为200～600 kg/(m~2·s),干度为0～1.0的工况范围内,对制冷剂R152a在微通道内的流动冷凝换热特性进行了实验研究,主要分析了冷凝温度、管型尺寸、质量流量、干度等参数对微通道内换热系数、压降的影响。实验结果显示:换热系数及压降均随着制冷剂干度、质量流量的增加而增大,随着冷凝温度的增大而减小;管型尺寸对压降的影响不大,但对换热系数具有较大影响。