不同管径埋管换热器换热性能及影响因素分析

结合岩土热响应试验,对岩土热响应试验结果的获取方法进行了分析对比,得出无功循环方式获取土壤平均温度和线热源法计算导热系数已完全满足工程需要。对双U形式不同管径不同深度的地埋管换热器取同一计算条件对换热性能进行了比较,得出120 m深时DN32双U管换热性能较DN25双U管提高20%~35%,而150 m深时,仅提高3%左右;同一管径条件下,增大换热孔孔深延米换热量的数值随之减小。结合现场试验对影响因素进行了分析,得出无功循环初始平均温度随流体流速增大而减小,计算导热系数随初始平均温度增大而减小,延米换热量随初始平均温度增大而增大;计算导热系数随回填材料导热系数增大而增大,增长至一定值后趋于稳定,延米换热量随之呈先增后减曲线变化;延米换热量数值受换热孔深增大而减小,且随管径变小影响越来越小。     

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。     

土壤源热泵地下岩土热物性测试研究

采用自行设计开发的地源热泵地下岩土热物性测试平台,试验模拟了地源热泵地埋管换热器冬夏季取放热实际运行工况,以某具体地源热泵工程项目为例,推算出该地区地下岩土的综合导热系数,体积热容等热物性参数,分析了地埋管换热器与周围土壤之间的换热状况,确定了该地区地源热泵系统地埋管换热器冬夏季工况下的实际单位延米换热量,为该地区地源热泵系统的设计施工提供了依据。     

基于不平衡系数对热短路抑制措施的研究

本文通过热响应实验,验证了FLUENT所建立三维非稳态地埋管系统的数值模型。在所建模型上,通过热短路不平衡系数定量分析了不同回填材料和流速对地埋管热短路现象的影响。根据热短路现象的强弱,针对3种代表性工况对隔板式地埋管换热器进行了模拟研究。研究结果表明:隔热板作为热短路现象的抑制措施对不同工况下的系统换热量的影响有较大差异。     

单U型地埋管换热阻容模型构建与敏感性分析

阻容模型相对于解析模型及数值模型具有计算迅速、准确等优点,将其推广到地源热泵地埋管换热器计算当中后将易于埋管设计时采用。较为详细的给出了单U型地埋管换热器的钻孔内外的阻、容成分的计算方法,节点热平衡方程及求解方法。利用埋管换热实验台实测数据对所建立模型进行了校核,在模型参数取值合理情况下,模拟误差可控制在20%以内,满足工程计算需要。利用经过验证的模型对影响埋管换热的十个包括热物性、运行参数等多方面的因素进行了敏感性分析,分析表明土壤原始温度对换热量影响程度最大,土壤导热系数、体积热容其次,管长及管内流速则在一定范围内影响较大,回填材料导热系数相较于回填材料体积热容对换热量影响更大。     

浅层地埋管热交换器换热能力分析

采用自主研发的浅层地下岩土热物性测试平台,通过模拟冬夏季取放热实际运行工况,对不同工况下地源热泵地埋管热交换器的换热能力进行了实际测试,分析了地埋管换热器与周围地下岩土之间的换热状况,确定了该地区地源热泵系统地埋管换热器冬夏季工况下的实际单位延米换热量。同时,根据测试数据推算出了该地区地下岩土的综合导热系数,体积热容等热物性参数,为该地区地源热泵系统的模拟分析以及设计施工提供了依据。     

套管式地埋管换热器换热性能实验研究

以深度为60 m的镀锌钢管套管式地埋管换热器地源热泵系统和热电阻测温系统为实验平台,对土壤温度、套管式地埋管换热器换热性能及换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明,南宁市地下5~60 m的土壤温度为23.2~23.7℃;Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的合理流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4 W/m;不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响很小;内进外出流动模式换热器的换热性能优于外进内出模式;间歇运行有利于土壤温度的恢复。     

竖直双U型地埋管传热特性研究

为探究U型地源热泵系统运行过程中土壤温度变化特性,以竖直U型地埋管周围土壤为研究对象,基于有限元分析法建立三维非稳态传热物理模型.研究表明,地埋管周围土壤温度和单位井深换热量均随热泵运行时间增加而增加且趋于稳定;在其他条件不变的情况下双U型地埋管换热量为28.26W/m,单U型地埋管换热量为26.38W/m;流体进口流速和土壤温度梯度对单位井深换热量影响很小;流体进口温度和回填材料对土壤温度和单位井深换热量的影响较大;热泵蓄热-恢复和取热-恢复工况下,土壤温度恢复效果随径向距离及恢复时间增加而增加,土壤导热系数越大恢复的程度越接近土壤初始温度值.     

回填技术亟待走向规范化

回填材料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料,从热阻分析来看,回填材料的热阻在土壤换热器未运行时占到约20％比重,因此增大回填材料的导热系数可以增加土壤换热器的取放热量。但实际土壤换热器长期运行后土壤换热器外为非稳态,土壤热阻随运行时间的延长而增大,回填材料所占热阻的比重呈近似指数函数关系下降并趋于稳定,因此一味增大导热系数也是不经济和不必要的。     

基于TRNSYS的岩土热响应测试及影响因素分析

针对实际工程中影响热响应测试的诸多因素,建立了基于地埋管储热模型的瞬时模型,模拟分析了加热功率、钻孔直径、水箱容积及回填材料对岩土热物性参数测试结果的影响。通过对同一口测试井两次不同功率、测试时长的实测,验证了该模型的准确性。研究结果表明:在设定不同的加热功率下,岩土导热系数和钻孔内传热热阻的测试结果分别相差4.94%和0.32%,而每延米换热量测试结果相差24.99%,同时验证了50 h为热响应测试的最小时长;热响应测试仪的水箱容积对导热系数的影响较小,仅影响了加热流体达到稳定状态的时间;当钻孔直径为110,130,150 mm时,随着回填材料导热系数的增大,岩土导热系数的变化率逐渐减小,整体增幅均在0.09 W/(m·K)内,表明回填材料对热响应测试影响较小。     

珠三角地区地埋管地源热泵热水系统运行特性实验研究

在现有的U形地埋管地源热泵热水系统的基础上搭建了实验平台,研究了该地区不同运行工况下地埋管地源热泵的启动运行特性、制热性能系数COP、地埋管内循环水温度恢复规律、单位井深换热量及地埋管换热器的热影响半径.结果显示,该地区地埋管地源热泵供热工况下从启动到进入稳定换热的时间为6～9 h,连续和间歇运行工况下COP的平均值分别为3.47和3.56,间歇运行工况下两个实验井的单位井深换热量比连续运行工况分别提高了6.6％和9.4％,两种U形地埋管换热器在48 h内的热影响半径均在0.5～1.0m之间.     

重庆地区竖直双U形地埋管换热器周围土壤温度恢复性能研究

通过对重庆某实际项目地埋管换热器周围土壤温度进行全年连续监测,研究分析了不同回填材料及回水管保温与否对地埋管换热器周围土壤的温度恢复及热累积现象的影响。测试结果表明:在1个夏季典型日地埋管换热器周围土壤产生温升0.26~0.94℃,1个运行周期内产生温升0.10~0.39℃,均随着深度的增加而减弱;夏季过渡期内,除距自然地表1.5m处土壤温度随天气变化外,其余各深度测点的土壤温度恢复主要集中在前2d,温降约为1.5~2℃/d。恢复时间短、回填材料导热系数小及地埋管回水管保温均对土壤温度恢复产生不利影响,但在较长的恢复时间内,其影响不显著。     

竖直单U型地埋管传热模拟分析

针对地源热泵系统中的竖直单U型换热器的传热问题,利用FLUENT软件对其传热特性进行了稳态数值模拟。计算了管内流速,回填物导热系数,支管间距等因素对竖直单U型地埋管换热器换热性能的影响。通过数值模拟发现,管内流速过小时,地埋管换热器会出现严重的热短路现象。对比分析得出管内最佳流速为0.6 m/s～0.8 m/s;进回水支管间距越大,地埋管换热器换热性能越好;回填物的导热系数是影响地埋管换热器换热性能的一个重要因素,其最佳值与管内流速和管间距有关。综合考虑上述3个因素对地埋管换热器换热性能的影响,得出了支管间距为86 mm,管内流速为0.6 m/s～0.8 m/s,回填物导热系数为土壤导热系数的1～2倍时,竖直单U型地埋管的换热性能最好的结论。     

新型相变材料回填的地埋管传热特性研究

本研究制备了新型癸酸-月桂酸/膨胀石墨复合相变材料并通过数值模拟研究了不同复合相变材料回填含量及不同运行模式下的地埋管换热器传热特性.复合相变材料中膨胀石墨与脂肪酸的最佳比例确定为10:100.本文提出了相变材料回填的地埋管传热模型并进行验证,研究了不同回填材料及运行模式下地埋管换热量,钻孔内液相比等参数的动态变化规律.数值模拟结果表明,U型地埋管系统的换热量随回填中相变材料含量的提高而提高,但温度恢复性能逐渐减弱.在相同的相变材料回填含量下,换热量随系统启停时间比的升高而升高,但平均能效比及恢复性能随启停比升高而降低.此外,高相变回填含量的换热系统不适宜在高启停比下长期运行.     

高性能地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究

通过实验研究了基于水泥、石英砂的回填材料各组分对材料导热系数、稠度、强度及膨胀率等的影响,优选出三种具有良好特性的水泥砂浆回填材料,其导热系数可达2.18～2.34W/(m·K)。通过对一个工程实例的模拟计算得出,与传统的膨润土回填材料相比,采用这些高性能回填材料能够减少地埋管换热器埋管长度29%～36%,可显著节省地埋管换热器的初投资和降低运行能耗。     

地埋管地源热泵热水供应系统运行性能的影响因素

建立了地埋管地源热泵热水供应系统实验平台,研究了环境温度、间歇/连续运行工况、管内循环液流速等对地埋管换热器换热能力的影响,并研究了地埋管换热器周围土壤温度场的变化.结果表明,地埋管地源热泵热水供应系统基本不受环境温度的影响;采用间歇运行,有利于提高地埋管换热器的换热能力;地埋管换热器平均单位井深换热量随管内循环液流速的增大而增大,但当流速增大到一定程度时,其增幅趋于平缓.     

单U形地埋管换热特性及热作用半径数值分析

针对影响U形地埋管换热能力及热作用半径的典型因素,采用模拟分析,得到了不同入口水温、管内流量、回填料导热系数、岩土体导热系数、体积热容条件下,埋管单位井深换热量和平均热作用半径随之变化的规律。结果表明:地埋管的换热量与入口温度、岩土体导热系数及单位体积热容呈线性变化,与入口流量和回填料导热系数呈指数形式变化,通过拟合分析出单位井深地埋管日平均换热量与五个因素的回归方程;在热物性参数中热扩散系数对地埋管的平均热作用半径影响最显著。     

回填材料对土壤热泵U型埋管换热器性能的影响

本文以能量守恒和质量守恒为基础建立了土壤耦合热泵U型埋管换热器三维非稳态模型,重点研究了回填材料导热率对U型埋管换热器换热性能的影响。结果表明:强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力,钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高,但回填材料导热率并非越高越好,而是应该稍高于钻井周围岩土层的导热率。     

中深层套管式地埋管地源热泵系统能效分析

中深层套管式地埋管地源热泵系统的能效受多种因素影响,为保证其高效运行,对其影响因素进行研究尤为重要。本文建立了中深层套管式地埋管地源热泵系统换热器传热模型,采用工程实测数据验证该模型的准确性。基于该模型,量化了一个供暖期内多种因素对系统能效的影响。结果表明：进口水温和岩土导热系数对系统能效具有重要影响,回填材料导热系数对其影响较小;增大循环流量会提高取热功率,但系统能效也随之降低,当循环流量由8.33 kg/s增大至10.56 kg/s时,取热功率提升4.95%,能效下降1.23%;增大外管管径、岩土和回填材料的导热系数能够提升系统能效,但达到一定数值后,对能效提升效果不显著。本研究对中深层套管式地埋管地源热泵系统长期稳定运行及能效提升具有参考意义。     

桩基螺旋管换热器数值模拟研究

建立了二维轴对称模型,利用数值模拟的方法研究了桩基螺旋埋管换热器的瞬态导热情况。模拟得到了夏季和冬季运行工况下的温度场和换热量。计算结果表明,系统运行初期,由于螺旋管内水温与周围土壤的温差较大,因此换热速率较大;随着系统的运行,螺旋管周围土壤的温度升高(或降低),管壁与土壤的温差迅速降低,因此每米管长的换热量也随之降低。夏季的单位管长换热量在数值上一直大于冬季。如果在高层建筑内使用空调的面积比例较大,桩基螺旋埋管换热器只能满足部分空调负荷。