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.     

绍兴某山地现场热响应试验研究

热物性参数是地源热泵系统地埋管换热器设计的关键参数。采用自行研制的岩土热物性参数测试仪,于地处夏热冬冷地区的绍兴某山地开展单U和双U测试井现场热响应试验,使用线热源模型对数据进行分析,获得工程所在山地单U测试井的岩土导热系数为2. 27 W/(m·K),钻井热阻为0. 123 (m·K)/W,排热工况下单位延米换热量为86. 39 W/m,双U测试井的岩土导热系数为3. 31 W/(m·K),钻井热阻为0. 119 (m·K)/W,单位延米换热量为106. 72 W/m,为该地区地源热泵系统的设计及施工提供了依据。     

竖直U形地埋管换热器热短路现象及换热性能研究

针对影响地埋管换热器热短路现象及换热性能的主要因素(回填材料导热系数和热泵运行方式),建立了U形地埋管换热器的三维非稳态数值模型,通过热响应实验验证了该模型。采用FLUENT软件进行模拟分析,得到不同导热系数土壤条件下地埋管换热器的热短路损失系数和每延米换热量随回填材料导热系数的变化规律,推荐采用导热系数比周围土壤稍大的回填材料。对比了地源热泵连续与间歇两种运行方式,得出当回填材料导热系数小于或等于周围土壤导热系数时,间歇运行对热短路现象基本无影响;当回填材料导热系数大于周围土壤导热系数时,间歇运行可使热短路损失系数降低51.6%~74.5%,每延米换热量提高32.6%~34.0%。     

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。     

灌注桩基埋管换热性能测试与对比分析

以江苏省昆山市地源热泵桩基一体化工程为研究对象,通过传统地埋管换热器与能量桩桩埋管换热器的换热试验对比,分别对传统并联双U垂直地埋管、并联双U灌注桩基埋管和并联双螺旋灌注桩基埋管等形式的换热器进行换热性能测试,得出3种埋管形式的平均换热量、单位管长平均换热量和单位埋管深平均换热量等因素的比对结果,并通过数据得出并联双U灌装桩基埋管换热器和并联双螺旋灌装桩基埋管换热器的每延米换热量分别是传统地埋管换热器的近2.5倍和5倍。     

加热功率对岩土体导热系数及单孔换热量的影响

在进行地源热泵系统设计时,岩土体的导热系数及其单孔换热量是必不可少的参数。使用Dn32的双U型管,进行了一组不同加热功率的岩土体热响应试验,其加热功率分别为2 832 W和5 494 W。试验结果表明,加热功率对岩土体导热系数大小基本无影响,而单孔换热量跟加热功率密切相关,因此,对于单孔热响应试验,给出单孔换热量的同时必须指出其相应的功率。     

四川绵阳某高校地源热泵地埋管换热特性研究

对绵阳某高校的土壤热物性参数进行了测试,并利用实测数据验证了数值模型的可靠性。建立了单U型和双U型地埋管的传热模型,并对地埋管换热特性进行了数值模拟,得到了进水温度、进水流速、钻井深度、回填料导热系数、土壤初始温度等因素对地埋管换热器换热性能的影响规律。结果表明:双U型地埋管的单位井深换热量、总换热量和能效系数较单U型地埋管高,但供回水温差较小;地埋管内水流流速与换热量及系统阻力直接相关,建议取0.4~0.8 m/s为宜。     

不同类型地埋管换热器换热性能与经济性分析

对DN25单U形、DN25双U形、DN32单U形、DN32双U形4种不同类型的地埋管换热器进行了冬季取热和夏季排热工况岩土热响应试验。结合换热量测试结果和初投资对经济性进行了分析比较,综合性能的评比结果为:DN32单U形管最佳,DN25单U形管次之,DN25双U形管最差。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于DTS的土体分布式导热系数测试方法

土体导热系数的确定对地源热泵的优化设计起着至关重要的作用。为了获得更精细的土体导热系数,在常规热响应试验的基础上,引入分布式光纤测温系统(DTS),对换热孔的温度进行分布式测量,得到孔内竖直方向岩土初始地温分布和在热响应试验过程中换热孔温度分布及其随时间的变化情况,通过与热电阻温度传感器的对比,验证了DTS测温的准确性。在线热源传热模型的基础上,建立了以换热孔为线热源的传热模型。分别进行了双U型管和单U型管恒热流热响应测试,根据DTS监测的温度分布及其变化,得到了土体导热系数随深度的分布。与综合导热系数相比,分布式导热系数不仅精度满足要求,而且可以更精细地反映土体导热系数分布的不均匀性,对于地源热泵的优化设计和换热能力的评价具有重要的意义。     

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.     

关中盆地中深层地热能开发“保水取热”供暖关键技术

关中盆地中深层地热资源丰富,热储层体积储存的总热量为3.23×10~(18)kcal,相当于标准煤4.61×10~(11)t,为该区冬季供暖提供了保障。在中深层地热能供暖方面,已形成了封闭式的"保水取热"型换热系统(同轴套管换热和U型对接井换热),可以有效解决目前区内地热开发利用中遇到的问题。同轴套管换热系统COP和设备COP的平均值分别可达4.6和6.4,高于常规浅层地源热泵系统(分别约为3.3和2.5);入口流速在0.3m/s～0.7m/s对应的流量范围在11.29m~3/h～26.34m~3/h时,可为系统带来更好的性能。2100m的U型深埋管换热系统换热量可达0.48MW,埋管的影响半径为16m(第一次恢复期结束时);恒载条件下,地埋管浅部(深度1200m)内外温差逐渐增多,向下相反。中深层地热井钻井方面,形成的井身结构设计与优化技术、"负位移"轨迹设计技术、全井段固井技术等技术为中深层地热能开发利用开辟了新途径。不同地埋管换热器中的延米换热量影响因素较多,在同一地质条件下,在2500m及其以深的地层,横埋管长大于200m的U型对接井延米换热量大于同轴套管井;同轴套管井和U型对接井都存在一个最佳保温深度;可以通过增大换热面积、增大平均温度差和增大传热系数的相关手段实现强化换热。     

预应力混凝土桩基螺旋管换热性能实验研究

为了研究桩基螺旋管的换热特性,在扬州地区搭建桩基螺旋管和钻孔双U型管换热器的岩土热响应实验台,实时采集换热管的进出口水温、流量以及土壤的温度、岩土热物性等数据。全年工况下,通过对记录的实验数据分析桩基螺旋管与钻孔双U型管在一定的进口温度、进口流速下的两者出口温度和单位井深换热量的不同,得出桩基螺旋管的优势所在,为换热器优化设计提供技术支持。     

地温未恢复时热响应试验的线热源叠加法

针对热响应试验中2次测试间地温未恢复的情况,提出了一种基于线热源叠加法计算岩土平均导热系数的方法,根据时间函数和流体平均温度之间的线性关系计算得到岩土导热系数。建立了地埋管换热器的线热源模型,对3个钻孔分别依次进行了高、低2种输入功率的热响应测试,2次测试间地温未完全恢复至初始地温。分别采用常规线热源法和线热源叠加法对第2次测试结果进行分析,采用线热源叠加法2次测试结果偏差明显减小。     

地源热泵地下热响应实验的季节效应分析

以双U形地埋管换热器为例,进行了3个不同季节的地下热响应换热实验.实验结果表明,在地埋管换热器地下热响应实验中存在着季节效应.在相同加热功率的情况下,冬季单井换热量略高于夏季,此差异主要与土壤初始温度、土壤导热系数的季节性变化有关系.不同季节下,钻孔过程对于土壤初始温度的扰动作用也不一样.在大规模地源热泵系统的优化设计过程中,建议充分考虑上述季节效应的影响.