基于显热容法的地源热泵地埋管换热器周围土壤冻结特性研究

为了探讨寒冷地区土壤冻结对地源热泵地埋管换热器换热特性的影响,建立了考虑土壤冻结的地埋管周围土壤传热模型,并利用显热容法对冻结相变问题进行了处理.基于模型的数值求解探讨了土壤含水率、原始温度、热扩散率及Stefan数对埋管周围土壤温度分布及冻结速度的影响.结果显示,与未考虑土壤冻结相比,计算出的地埋管周围土壤温度高,传热热阻小,从而可以减小埋管的设计长度,降低系统初投资;提高土壤含水率有利于地源热泵的设计与运行;减小热扩散率和Stefan数可以有效地降低土壤的冻结速度.     

基于试验前提对U形竖直地埋管的数值模拟研究

以2017年于内蒙古包头市进行的地源热泵系统U形竖直地埋管及其临近土壤传热效果试验研究为基础,对U形竖直地埋管及其临近土壤传热特性进行数值模拟研究,进一步研究地埋管内流体流量、流体温度及回填材料等变量对地埋管换热系统换热效果的影响。     

制冷工况下水平埋管换热器运行试验研究

通过夏季工况的地源热泵运行试验,对运行过程中水平埋管的换热性能参数、试验场地周围气象因素和换热过程中土体的温湿度变化等因素进行实时监测,探讨了地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能及其周围土壤的温、湿度场变化规律。研究结果表明,地源热泵间隙运行有利于土壤温度场的恢复,随着停机时间的增加,水平埋管与周围土壤的热交换能力明显提高;气候变化对水平埋管周围土壤的温度场分布具有显著影响,随着埋深的递减,土壤温度受气候变化的影响越明显;水平埋管周围土壤温度的变化幅度随着与埋管距离的增加呈递减趋势,其影响半径为1.0m左右;热交换对水平埋管周围土壤湿度场的影响不明显,但大气降雨引起的地表水入渗对土壤湿度场的分布具有显著影响。     

渗流条件下土壤耦合埋管换热的实验研究

地下水渗流是影响地源热泵埋管换热的重要因素。本文建立了可控渗流条件下的土壤耦合埋管换热实验台,研究了渗流速度、渗流来流温度对土壤耦合埋管传热特性的影响。研究结果表明,增大渗流速度将扩大埋管释热范围、提高土壤的吸热能力;降低渗流水温将增大埋管附近土壤的温度梯度,从而增大埋管与土壤耦合换热能力。研究结果有助于掌握地下水渗流变化对地埋管换热的影响规律,指导地埋管系统设计参数优化。     

热泵系统中埋管物性参数对换热性能影响

以土壤源热泵系统中水平埋地换热管为研究对象,分别从埋管管材,埋管埋深以及埋管规格三个方面进行了分析与研究,总结出埋地换热管物性参数对埋管换热性能的影响。     

地埋管换热器的传热模型的进展与分析

土壤源热泵研究的核心问题之一就是对于地埋管换热器的传热模型的研究。模型的建立和选择对土壤源热泵和埋管的设计影响重大。本文回顾了国内外不同的地埋管换热器的传热模型及其改进与发展,重点叙述了解析模型的改进,发现目前研究中欠缺对于管群间传热影响的研究,如不同埋管形式、埋管间距之间的热干扰及热堆积等的研究。同时关于土壤特性对于传热的影响的研究不够深入。本文还指出了对于地埋管传热模型的下一步研究重点。     

上海某地埋管换热器设计实例

介绍了上海某地源热泵加冷却塔系统,冬季完全依靠竖直地埋管系统从土壤中吸热,夏季则以地埋管系统向土壤中散热为主,在地埋管换热量不能满足散热要求(负荷高峰)时,开启冷却塔,辅助系统散热。通过对土壤热物性的分析计算,得出土壤热物性参数,从而为地埋管的换热计算提供依据,同时根据现场的试验数据校核了设计计算结果。     

管间距对土壤源热泵换热效果的影响

由于土壤源热泵长期运行会导致地埋管周围的热干扰现象,为了研究土壤源热泵工程设计中钻孔间距对地埋管传热效果的影响.用数值模拟的方法对土壤源热泵不同管间距进行模拟仿真,结果表明在此模拟工况下,均匀土壤结构模型与分层土壤结构模型两种传热模型的最终平均土壤温度基本相同.当管间距从4 m增加到6 m土壤最终平均温度上升明显,而当管间距增加到7 m时土壤平均温度上升速度减缓.综合考虑投资和土地有效利用率,地埋管管间距为6 m是最佳选择.     

基于线热源理论预测地埋管出口水温的简化方法

地源热泵系统出口水温对于判断热泵运行效率及地埋管换热状况有重要意义。参照地源热泵设计规范中推荐的地埋管传热热阻计算公式,基于地埋管传热的线热源理论模型,提出了一种预测逐时地埋管出口水温的简化方法。用数值模拟软件建立了地源热泵系统传热模型,得到了出口水温的逐时变化。结果表明,模拟方法能较好地预测出口水温的变化。分析了机组运行周期、负荷、日运行时间对简化方法预测结果精确度的影响,结果表明简化方法可用于指导地埋管长度计算。     

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。     

竖直U形地埋管换热器传热特性实验研究

竖直U形地埋管换热器进水温度一定的条件下,进出水温差不仅反映地埋管换热器的换热能力,还影响着地源热泵的运行效率,引入地埋管换热器能效系数反映此影响特性。实验研究了地埋管换热器进水温度、流量、地埋管埋深对地埋管换热器传热特性的影响。提高地埋管换热器的进水温度、降低流量、增大地埋管埋深可以有效增大能效系数。受地质条件与经济性等制约．地埋管换热器进水温度、埋深不能无限制增大,流量不能无限制减小,应根据实际情况进行优化分析：     

制热工况下地埋管周围土壤的热湿迁移试验研究

基于实际工程建立了地源热泵空调系统运行过程的岩土体原位观测站,实现系统运行状况和换热过程中岩土体温度变化、水分迁移的实时监测,通过冬季工况运行试验,揭示地源热泵运行过程中土体的热湿迁移效应。研究结果表明:冬季工况下该地源热泵空调系统的机组性能系数COP为3.58,具有良好的制热效果;土壤温度场的变化受地埋管热交换和大气环境变化两个因素的影响,但二者的影响范围及程度有所区别;土壤温度场的变化幅度随着与地埋管距离的增加而递减,竖埋管热作用的影响半径约2.0 m左右,水平埋管热作用的影响半径约1.0 m左右;地埋管热交换对土壤湿度场的影响不显著,但大气降雨引起的地表水入渗和地下水位的变迁对土壤湿度场变化有明显影响。     

地埋管换热器周围非饱和土壤热湿迁移数值模拟

本文在极坐标下建立了地埋管换热器周围非饱和土壤的热湿迁移数学模型与纯导热数学模型,采用有限体积法对两种模型进行了数值求解。模拟结果表明,向土壤中排热会使得钻孔壁附近的含湿量降低。当土壤初始含湿量较大时,土壤中湿分迁移对土壤热物性基本上没有影响,纯导热模型与热湿迁移模型模拟土壤与地埋管换热器之间的换热现象时基本一致;当土壤初始含湿量较小时,热作用对钻孔壁附近的湿迁移影响较为显著,土壤热物性会随之发生变化,此时纯导热模型与热湿迁移模型计算差值较大。     

地埋管换热器周围土壤冻结温度场的模拟研究

考虑了未冻水质量分数对冻结土壤传热特性的影响,采用控制容积法建立了地埋管换热器周围土壤冻结温度场的数学模型,分析了土壤冻结对土壤物性参数和土壤温度分布的影响,探讨了不同液态水质量分数下土壤冻结温度场的变化。随着土壤温度的降低,冻结土壤的单位体积定压热容减小,热导率增大。由于土壤冻结过程中释放出相变潜热,考虑冻结计算出的土壤温度比未考虑冻结的土壤温度高,土壤中液态水质量分数越大,土壤冻结时释放的潜热量越大,有利于土壤源热泵的运行。     

地埋管换热器传热模型的回顾与改进

回顾了国内外关于地埋管换热器的设计计算理论、传热模型及其计算方法,发现几乎所有的模型都未考虑地下水渗流的影响。举例说明地下水流动对地埋管换热器有较大的影响,建立了考虑热传导和地下水流动共同作用的地埋管换热器的传热模型,并且对单井地埋管进行了初步分析,结果表明地下水渗流能增强盘管的换热能力。     

竖直地埋管价值系数的计算方法及其应用

本文提出了一种用于竖直地埋管换热器的价值系数计算方法。针对某实际地源热泵工程,使用地埋管换热器价值系数计算方法对U型地埋管换热器设计方案进行了价值系数计算,并讨论了钻孔费用对设计方案价值系数和地埋管换热器U型管选型的影响。分析和计算表明,地埋管换热器的方案价值系数同钻孔设计深度和孔数有较大的联系。工程上人为设定钻孔深度和数目会影响到地埋管换热器的技术经济价值。在深的钻孔和好的传热条件下,采用双U管或大管径会改善地埋管换热器设计方案的经济性。     

添加隔热板对竖直U型地埋管换热器换热能力的影响

本文就如何减轻竖直U型地埋管换热器2个支管间的热短路损失、提高地源热泵系统的单位井深换热量进行了研究。在对竖直U型地埋管钻孔内准三维传热模型进行研究的基础上,运用数值模拟的方法对竖直U型地埋管换热器有、无隔热板2种情况下的换热能力进行了分析。     

地埋管换热器换热性能影响因素的研究

分析了地埋管换热器的传热模型及适用条件,讨论了影响地埋管换热器换热性能的因素,包括土壤热物性、回填材料、地下水流动、土壤冻结、埋管之间的热干扰以及管内循环流速,总结了目前国内外研究的不足,并指出了下一步的研究方向.     

回填空气间隙对地埋管岩土温度恢复性能的影响

地埋管地源热泵系统在换热孔回填过程中,由于施工不当易产生空气间隙.通过建立岩土耦合单U三维传热模型,按照实际工程中可能出现的3种不同空气层情况进行了计算分析,把不同空气层情况对传热造成显著影响的因素“地温恢复性能”作为研究对象,并根据理论计算结果与实际工程的运行数据进行了地埋管进、出水温度的对比验证.结果表明,在岩土温度恢复期内,空气间隙的存在提高了所在区域以内岩土的平均过余温度,降低了地埋管的换热性能.