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.     

垂直埋管热湿传递线源模型的建立及其计算条件

现有的土壤传热模型忽略了水分迁移对传热的影响,根据质量与能量守恒原理,在原有的垂直埋管土壤源热泵一维线源模型上发展了传热传湿数学模型,并对模型中土壤的各参数进行了分析,为下一步的数值模拟计算以及进一步研究土壤含水率对传热影响奠定基础。     

软土地区竖直地埋管换热器参数与换热性能分析

地埋管换热器是土壤源热泵系统的关键部件,选择合理的设计参数是对土壤源热泵系统工程进行优化设计的基础。依托上海市典型地质条件建立单U垂直地埋管换热器三维非稳态传热模型,分别分析了上海市地质条件、换热器结构、循环流体、运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并通过回归分析得到地埋管换热器换热效率的变化率与主要影响因素的关系式,使各影响因素的敏感度得到量化,对于影响地埋管换热器换热性能的参数,根据影响程度由大到小依次为循环水平均温度、原始地温、换热孔深度、岩土体导热系数、回填料导热系数。研究结果为土壤源热泵系统的实际应用提供参考。     

超临界压力下乳化碳氢燃料换热特性实验研究

为研究乳化碳氢燃料在矩形通道内的换热特性,在压力为3 MPa,质量流量为2.6 g/s,出口流体温度分别为450、500、550、600和650℃,乳化碳氢燃料含水质量分数分别为10%、20%、30%和50%的实验条件下,进行了实验研究,分析了乳化碳氢燃料的含水质量分数与出口流体温度对燃料在矩形通道内的热沉、热流密度与对流换热系数的影响,并与纯碳氢燃料作对比。研究表明:燃料在通道内热沉与热流密度均随含水质量分数与出口流体温度的增加而增加;纯碳氢燃料在通道内的对流换热系数沿轴向逐渐增加;乳化碳氢燃料在通道内会发生传热恶化,第一次传热恶化点随出口流体温度的增加向通道入口方向移动;含水质量分数越高,第一次传热恶化发生越早,第二次传热恶化发生越晚。     

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。     

深层地埋管换热器换热性能模拟及稳定性研究

以深层地源热泵地埋管换热器为研究对象,对其换热特性进行数值模拟和实验研究。建立考虑轴向地温梯度的深层地埋管换热器传热模型并进行模拟计算,通过示范工程现场测试数据验证该模型的正确性。对深层地埋管换热器换热的性能稳定性进行研究,发现深层地埋管换热器连续长期运行及间歇长期运行下换热性能基本稳定。当按不同运停比运行时,岩土温度恢复效果良好。研究结果表明深层地源热泵有较好的换热性能及运行稳定性,为深层地热能的开发利用提供了新思路。     

潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究

根据热渗耦合理论,在相似理论的基础上搭建了模拟潮汐涨落的地源热泵砂箱实验台。实验结果表明,潮汐的涨落对地埋管换热器与土壤间的换热性能及其周围温度场产生一定程度的周期性影响。潮汐影响有利于地下埋管换热器周围土壤温度场的恢复,提高土壤源热泵系统的运行性能。     

垂直U型埋管换热器准三维热渗耦合模型及其实验验证

为了探讨热渗耦合对土壤源热泵地埋管换热的影响,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,通过耦合竖直方向一维流体模型与水平面内土壤二维非稳态热渗耦合模型,建立了考虑地下水渗流影响的准三维U型埋管热渗耦合模型。基于模型的数值求解,探讨了土壤热物性及地下水渗流对埋管换热特性的影响。结果显示:土壤导热系数与比热容的增大均有利于加强埋管的换热,且地下水渗流的存在有利于强化地下埋管与周围土壤间的换热能力,提高土壤源热泵系统的运行效率。实验验证表明,所建模型具有一定的预测精度,可为地下埋管换热器传热特性的研究提供理论基础。     

群井地下换热系统初温和构造因素影响传热的研究

利用传热模拟计算，研究了地源热泵(GSHP)地能利用中群井系统初态因素对温变特性的影响规律。探讨地下初始温度、井群基本构造尺寸等对地下土壤温度场分布的影响。指出土壤初始温度是决定土壤源热泵运行的重要因素，初始温度提高1倍，系统运行时问和输出总热量增加约24倍。小井径对负荷因素影响更加敏感，相同的热负荷下，热流密度高，温度场变化剧烈。对于大井径而言，温度场变化相对平缓，但更易于发生井间传热交互影响。初态因素是强化地能利用中的重要因素之一，据此合理布置大区域群井意义重大。     

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.     

土壤源热泵的研究与开发

土壤源热泵是利用地下土壤能源资源来进行供暖空调的一种高效、节能、环保型空调技术，近年来得到了快速的发展；文章介绍了它的国内外研究状况，分析了土壤的传热特性、土壤的温度分布状况及埋地盘管的传热特性，建立了埋地盘管的传热数学模型，指出了土壤源热泵研究与发展中的关键性问题，最后展望了其应用前景。     

A study on the performance of a geothermal heat exchanger under coupled heat conduction and groundwater advection

Being environmental friendly and with the potential of energy-efficiency, more and more ground-source heat pump (GSHP) systems are being widely used. However, the influence of groundwater advection on the performance of the geothermal heat exchanger (GHE) in a GSHP is not still clearly known. In this paper, the configuration of a vertical dual-function GHE used in an integrated soil cold storage and ground-source heat pump (ISCS&GSHP) system, which charged cold energy to soil at night and produced chilled water in daytime in summer, and hot water for heating in winter, is firstly presented. This is then followed by a report on a mathematical model for the GHE considering the impact of the coupled heat conduction and groundwater advection on the heat transfer between the GHE and its surrounding soil. The GHE model developed was then integrated into a previously developed simulation program for an ISCS&GSHP system, and the operating performances of the GHE in an ISCS&GSHP system having a vertical dual-function GHE have been studied by simulation and reported. These simulation results, firstly seen in open literature, are much helpful to the design of a GHE buried in soil and widely used in GSHP systems or ISCS&GSHP systems.     

Theoretical study on the performance of an integrated ground-source heat pump system in a whole year

Being environmental friendly and with the potential of energy-efficiency, ground-source heat pump (GSHP) systems are widely used. However, in southern China, there exists large difference between cooling load in summer and heating load in winter. Thus the increase of soil temperature gradually year-by-year will decrease the COP of the GSHP system. In this paper, the configuration of a vertical dual-function geothermal heat exchanger (GHE) used in an integrated soil cold storage and ground-source heat pump (ISCS&GSHP) system, which charged cold energy to the soil at night and produced chilled water at daytime in summer, and supplied hot water for heating in winter, is presented. This is then followed by reporting the development of the mathematical model for the GHE considering the impact of the coupled heat conduction and groundwater advection on the heat transfer between the GHE and its surrounding soil. The GHE model developed was then integrated with a water-source heat pump and a building energy simulation program together for a whole ISCS&GSHP system. Then the operation performance of the ISCS&GSHP system used for a demonstration building is studied. These simulation results indicated the system transferred 71.505% of the original power consumption at daytime to that at nighttime for the demonstration building. And the net energy exchange in the soil after one-year operation was only 2.28% of the total cold energy charged. Thus we can see the feasibility of the ISCS&GSHP system technically.     

北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究

岩土导热系数是地源热泵地埋管换热器的重要设计参数;测井单位深度换热量是地埋管换热器系统的设计依据。掌握工程区域岩土的热物性及换热性能,是保证地源热泵系统高效、稳定运行的关键。文章建立了现场测试岩土导热系数及换热量的方法,并结合沈阳浑南高新技术产业开发区某地源热泵工程,测试分析了岩土导热系数和测井单位深度换热量。结果表明,该区域的岩土具有较好的导热能力,适合采用地埋管地源热泵系统;在特殊地理条件下设计地源热泵系统方案前,应对拟建区域的地质条件进行全面勘探,以优选工程区域,为岩土热响应测试结果的可靠性提供保障。     

提高地能利用的强化传热试验研究

以太阳辐射积聚大量能量和冷热良性循环蓄集巨大能量的地下是一个庞大的可再生能源库，也是一项可充分利用的自然能量资源。该文介绍了在地源热泵系统中开展的地下100m和200m竖直井闭式循环传热的研究工作，提出利用地下螺旋芯管束新方法，加强旋流流动，提高地下换热能力。试验表明，在放热和吸热过程中，传热均得到显著提高。所提出的可控制间歇过程，将充分发挥换热井的换热能力，实现最少的井数布置，保证良好的地源热泵机组运行工况。     

地源热泵换热器可靠性设计方法研究

介绍地源热泵换热器传热模型和设计方法的研究现状,分析地源热泵换热器传热影响因素的随机特征,提出地源热泵换热器的可靠度分析方法,讨论采暖热能指标及设计值的变异性。结合工程实例提出基于可靠性理论的地源热泵换热器设计与分析方法。     

岩土含湿特性对传热影响的理论研究

地层储能技术是实现能源可再生和清洁高效利用的有效途径之一,在考虑岩土含湿的基础上,建立了湿岩土体的传热模型,着重分析了在瞬时热源作用下,地下温岩土温度场的演化规律,旨在研究岩土含湿率对其传热特性的影响.分析和计算结果表明,在岩土体临界含湿范围内,岩土含湿率越大,其热传导能力越强,岩土热响应时间越短,越有利于地层中热量的...     

地源热泵供暖空调的经济性

地源热泵是利用地表浅层土壤能量（地下水、土壤或地表水）作为冬季热泵热源供暖和夏季冷源进行空调的系统，地源温度全年相对稳定的特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高，地源热泵是否具有经济竞争性仍是一个非常关键的问题，该文对地源热泵与传统的供暖空调系统进行经济性比较。首先将地源热泵与传统供暖方式，如燃煤、燃油和天然气锅炉进行供暖经济性的比较，再将地源热泵与常规电制冷空调方式进行空调经济性的比较，然后将地源热泵与锅炉加空调两种方式共四种方式共四种方案进行综合经济性的比较分析。     

Experimental study of heat transfer of buried finned pipe for ground source heat pump applications

Ground heat exchangers have vital importance for ground source heat pump applications. Various configurations tried to improve heat transfer in the soil. A new kind of aluminium finned pipe buried in the soil for this aim. In order to compare effectiveness of the Al finned pipe over the traditional PPRC pipe an experimental study carried out. The experimental GSHP system was installed at Y?ld?z Technical University Davupasa Campus on 800 m² surface area with no special surface cover. Temperature data were collected using thermocouples buried in soil horizontally and vertically at various distances from the pipe center and at the inlet and the outlet of the ground heat exchanger. Experimental results were compared with results from analytical study. To compare effectiveness of the Al finned pipe and PPRC pipe a new parameter defined as transferred amount of heat per unit mass of working fluid per unit time for this aim. It is found that Al finned pipe has higher heat transfer values than the traditional PPRC pipe.