地埋管换热器热响应测试与模拟研究

对48m深双U型地埋管进行热响应测试,并使用线热源模型对实验数据进行分析。计算得到该测试地点土壤导热系数为1.44W/(m.K),进水温度为37℃时,每米井深散热量为91.14W/m。在实验的基础上,建立地埋管全尺寸换热模型,该模型水流进口条件与实验一致,土壤导热系数、地下初始温度等均为实验测得数据。以换热量比较,模拟结果与实验结果相差6.8%。在验证模型精度的基础上,对50m、60m、70m埋深的单U及双U型换热器进行模拟比较。进水温度为36.85℃时,对于单U型管,单位井深换热量分别为59.19W/m、56.23W/m、53.40W/m;对于双U型管,单位井深换热量分别为94.16W/m、90.00W/m、85.93W/m。不同深度的地埋管,双U型换热性能优于单U型,散热量约高37%,但是单U型管出水温度低于双U型管。     

地下水渗流对地埋管换热器传热效率的影响

基于垂直单U型地埋管换热器的实际形状,建立了三维非稳态地下水渗流传热模型,分析了夏季工况下地下水渗流速度、渗流温度、地埋管进水温度以及管内流速对地埋管换热效率的影响。引入换热效率系数来量化地下水渗流对地埋管换热能力的影响程度。结果表明:考虑地下水的渗流可以有效的强化换热效率,对地埋管的传热影响显著;增大地下水渗流速度和减小渗流温度可加强地埋管的换热能力;选取合适的地埋管进水流速可降低系统能耗,增加换热量;根据不同的空调房间负荷,合理设计地埋管进水温度能保证热泵主机的高效运行。     

不同工况流速对地埋管换热器影响的实验研究

利用地源热泵综合实验台进行实验,测定土壤初始温度、土壤热导率和地埋管换热器换热量。分析流速对地埋管换热器流动阻力和换热的影响。综合考虑换热量、进出口温差、压力损失,单U25、单U32、单U40、双U25、双U32、双U40地埋管换热器的最佳管内流速范围分别为0.5~0.7 m/s、0.4~0.6 m/s、0.4~0.5 m/s、0.4~0.5 m/s、0.4~0.5 m/s、0.3~0.4 m/s。     

土壤源热泵垂直U型地埋管换热的数值模拟

本文建立了垂直U型地埋管三维数值传热模型,采用FLUENT软件对其非稳态的流固耦合换热进行研究.在夏季工况下,模拟结果与实验相吻合.分析了回填材料导热系数、管内流速以及埋深对垂直U型地埋管换热的影响.计算结果表明,地埋管的单位埋深换热量与埋深成反比,而与流速和回填材料的导热系数成正比.     

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.     

夏季工况下宿州地区U型管换热器换热效率模拟与分析

文章利用COMSOL软件对宿州市某单U型地埋管换热器建立三维动态数值计算模型,模拟得到不同流速、不同进水温度下单U管进、出口温度分布图。结果表明,夏季工况,随着进水流速和进水温度的升高,换热量逐渐增大,当进水流速达到3.5m3/h,进水温度达到37℃时,换热量不再增大;进口流速为1.3m3/h～2.3m3/h,进水温度在26℃～30℃范围内,换热效率较高,现场测试数据与模拟结果高度吻合。     

地源热泵地埋管换热器传热性能分析及经济计算

为分析地源热泵不同种地埋管换热器换热效果差异,充分利用可再生能源,结合合肥市滨湖新区某项目的土壤热物性参数,使用Fluent软件对单U型管和双U型管地埋管换热器建立模型进行传热性能的模拟分析,得到了随着时间变化下不同换热器型式的土壤温度分布图和出口水温,并分析土壤温度、出水温度和换热量三者的相互关系。最终结果表明,该条件下双U型管地埋管综合传热性能是单U型管的1.33倍,而经济计算结果显示,在打井数量较多时,双U型管地埋管换热器的经济性优于单U型管。     

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。     

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。     

地埋管换热器形式、管径及岩土温度对其换热性能的影响

建立了单U形与双U形地埋管换热器的三维数学模型。对外径25mm与32mm的单U形与双U形地埋管换热器换热性能的模拟研究表明,相同管径双U形地埋管换热器比单U形地埋管换热器换热量提高20%左右,但外径25mm的单U形地埋管换热器可以获得更大的进出口温差;对于双U形地埋管换热器,外径32mm与25mm相比,换热性能无明显优势;工程应用中,在地埋管用地面积充足时,建议选用外径25mm的单U形地埋管换热器,否则应选用外径25mm的双U形地埋管换热器;岩土温度每升高1℃,出口水温升高0.23℃,换热量下降5%左右。     

单U形和双U形地埋管换热器传热模拟

以单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,应用FLUENT软件对其传热性能进行了数值模拟。将计算结果与实验测试结果进行比较,验证了该模拟模型的准确性。结果表明,在排热工况下,单U形管换热器的单位井深换热量约为86 W/m,而双U形管换热器的单位井深换热量达到120W/m。在打井费用较高的场合,可以考虑使用双U形管。研究了进口水温、流速以及埋管深度等因素对U形管传热量的影响。     

土壤热物性与地埋管换热器换热性能研究

本文采用恒热流法对某地源热泵系统工程进行土壤热响应测试,数据处理采用线热源模型,线性关系推导法得到测试结果。现场钻孔埋设单U型、双U型地埋管换热器,钻井深度有80m、100m,比较不同埋管形式下测试出的单位井深换热量、土壤导热系数、钻孔热阻及土壤热扩散率之间的关系,并分析结果差异的原因,为实际设计提供可靠依据。     

地源热泵地热响应测试影响因素分析

利用TRNSYS软件建立地热响应测试的模型,以单U型地埋管换热器为例,进行了不同埋深、不同流速、季节效应情况下的地埋管换热量及每延米换热量进行模拟。分析在同一土壤类型条件下,不同地热响应测试工况对测试结果的影响。在地源热泵系统设计过程中应充分考虑这些因素,优化系统设计。     

并联双U型桩基埋管经济流速数值模拟

设定桩基埋管换热器管内流态在紊流状态下,运用数值模拟研究不同流速条件下,并联双U型桩基埋管的单位桩长埋管换热量、进出口水温差、周围土壤平均温度、桩身平均温度和进出口压降的变化规律。提出"换热压降比"并分析计算,得出经济流速区间为0.25~0.3 m/s,为桩基埋管地源热泵系统设计以及运行提供依据。     

地源热泵U形竖直地埋管热响应试验及分析

以上海某工程为例,通过自主研发的测试装置,采用恒热流法分别对DN32单U形及DN25双U形竖直地埋管试验孔进行了热响应测试,得到了单位管长换热量及岩土的热物性参数,其中双U形管单位管长换热量比单U形管高约20％;双U形管导热系数比单U形管高约15％.建议在选择地埋管形式时应综合考虑场地地质条件、埋管单位管长换热量、管材及钻井难易等因素.     

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。     

竖直单U形地埋管换热器单因素敏感性分析

基于竖直单U形地埋管换热器的热渗耦合传热模型,分析了岩土导热系数、岩土体积热容、岩土孔隙率、原始地温、地下水渗流速度、埋管深度、管内流体流量、地埋管进口水温及运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响。进行了单因素回归分析,拟合得到了单位井深换热量及地埋管出口水温与各个参数的回归方程。     

桩基地埋管换热性能影响因素数值模拟与分析

将武汉地区某测试桩基地埋管(采用双U形管)换热器作为研究对象,采用多物理场求解软件COMSOL Multiphysics建立桩基地埋管换热器的三维数值模型。结合现场测试得到的循环水出水温度对模拟结果进行验证,结果表明,模拟结果与实测结果的相对误差在允许范围内,证明数值模型具有较好的可靠性。小流速条件下,桩基深度对单位深度桩基换热量的影响明显,随着流速增大桩基深度的影响逐渐减弱;达到一定流速后,单位深度桩基换热量的变化率很小。对于实际工程,应选取适宜的桩基深度、流体流速。     

并联双U型桩基埋管换热器换热性能研究

本文建立了并联双U型桩基埋管换热器传热问题的三维数学模型,利用江苏某工程现场实测数据验证了所建立模型数值解的准确性。对不同循环液流速,不同桩基长度和不同运停比等工况下埋管出口水温,单位桩深换热量,桩周温度以及桩周土壤温度进行了分析,揭示了出口水温、单位桩深换热量等性能参数在不同工况下的动态变化规律以及桩身和周围土壤温度改变而产生的热堆积现象,提出了单位桩身温度变化换热量β1和单位土壤温度变化换热量β2,评价了不同工况对换热性能影响程度。结果表明,高流速可以增强换热,但高流速工况下为了产生更多的换热量而带来的代价是更高的桩身和土壤温升,不利于长期运行。长桩基长度工况和运停工况可以在有利于长期运行前提下提高埋管换热器的换热量,且运停工况对换热性能的提升更为明显。     

U型地埋管三维非稳态流固耦合换热数值模拟研究

利用商用CFD软件Fluent6.3对U型地埋管三维非稳态流固耦合换热问题进行研究。为减少计算资源,首先对流场计算采用稳态计算方法,待流场计算收敛后,再单独对流固耦合换热非稳态温度场进行计算。比较了多层土壤结构与土壤物性参数加权平均后单层土壤结构的换热差异,结果表明换热差别在6％左右;研究了不同流速下,U型管的出口水温变化、不同截面处的换热量以及平均换热量,探讨了热短路现象发生的可能性,最后讨论了不同井深情况下的U型管的换热特性。论文的研究工作对今后U型管简化计算提供必要的依据。