土壤源热泵U型埋管换热器冻结取热过程的模拟研究

本文针对严寒地区地下土壤温度低和供暖负荷大的特点,提出了利用土壤相变来进行取热的方法,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的二维非稳态传热模型,使用显热容法求解了土壤相变问题.对长春地区的模拟结果表明:系统取热功率为21.82 W/m;运行39 d时埋管出水温度降低到0℃以下;运行80 d以后内、外层埋管出水温度出现差值;采暖期结束时外层埋管周围土壤未发生冻结,当内层埋管半径为0.2 m时,土壤冻结深度达到了8.6 m.     

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.     

天津地铁2号线联络通道冻结法施工温度场数值模拟

对天津地铁2号线博山道—津赤路站联络通道的冻结法施工温度场进行了数值模拟。考虑相变因素给出了人工冻土温度场方程和边界条件的设置,得到了冻结过程中温度场变化以及冻结壁的发展过程,对冻结管附近设置温度探测点得到了不同位置处人工冻土温度变化趋势。通过对冻结管外壁的热流密度积分得到了冻结管的散热率,根据换热公式对制冷系统的制冷量和冷冻液流量进行了评估。     

间歇储热模式下低含水率土壤的增湿传热实验研究

在间歇储热模式下,本文对一维土柱传热实验台中热源附近的低含水率土壤分别进行加热初始时刻和恢复初始时刻的渗水增湿(50 ml、100 ml、150 ml),实验分析两时刻增湿量对土壤传热和温度恢复效果的影响。测试结果表明,在加热初始时刻增湿后,土壤的平均温度响应时间随增湿量的增加分别缩短28.7%、37.3%、43.2%,各温度测点峰值与土壤整体温度均有提升,且传热改善效果与增湿量呈正相关,同时在后续恢复阶段土壤温度恢复率随增湿量增加而增加,热源作用下的水分迁移有效增强了热扩散和温度恢复过程。恢复初始时刻增湿,土壤平均温度恢复率较未增湿工况增加13%-16%,热源处的热量扩散显著增强,恢复终温比未增湿工况分别低2.75℃、3.11℃、3.26℃,土壤整体温度出现先上升后下降趋势,越靠近热源处土壤温度恢复率增加越显著,但随增湿量的增加无明显差异,恢复阶段初始进行少量增湿即可增强低含水率土壤温度恢复,这与土壤的热湿特性有关。     

严寒地区地埋管换热器周围土壤冻结区域分布特征实验研究

建立了模拟严寒地区土壤热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置,实验研究了地埋管周围土壤冻结区域的分布特征,给出了冻结相变锋面的平均移动速度。结果表明,土壤冻结区域呈不对称性分布,流体进口温度为-15℃时,埋深为350、700、1 050mm,热响应区在40~60mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为5、5、6.67mm/h,热响应区在60~80mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为1.54、1.82、1.82mm/h;土壤冻结在一定程度上有利于地埋管与周围土壤之间的换热,在严寒地区地源热泵的设计中应考虑土壤冻结现象。     

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.     

中深层地埋管换热器最佳钻孔间距的模拟研究

利用地热之星Ⅱ商业软件,对中深层套管式地埋管换热器最佳钻孔间距进行模拟研究。钻孔深度为2 000 m,直径为446. 7 mm,地埋管的高度与钻孔深度取值相同,循环水采用外进内出的流动方式。取热时间为供暖期,其他时间为土壤温度恢复时间。在地埋管取热负荷一定的条件下,钻孔热影响半径随着运行时间的延长而增大。随着运行时间的延长,供暖期的取热量超过了土壤的自然恢复能力,不利于长期运行,应考虑向土壤补热。当地埋管换热器取热负荷为200kW时,最佳钻孔间距推荐值(对应运行时间为20 a)为133 m。当运行时间一定时,钻孔热影响半径随取热负荷增大而增大。在实际工程中,中深层套管式地埋管换热器最佳钻孔间距的确定,应同时考虑取热负荷和运行时间。     

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。     

地埋管周围土壤冻结传热特性的实验研究

本文通过搭建沙箱实验平台模拟地埋管低温取热过程,采用控制变量法研究含水率和管内流体温度对地埋管周围土壤冻结传热的影响,并对实验结果进行分析和数值拟合。实验结果表明:随着含水率的增加或管内流体温度降低,土壤冻结区厚度增加,冻结区土壤温度降低,传热速率加快,而且管内流体温度降低对土壤冻结的影响更大,管内流体温度对冻结边界层和土壤温度的影响比含水率分别大32.57%和11.62%。     

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。     

地下水流动对埋地换热器影响的模拟研究

通过求解含水层中地下水流动的二维能量方程,分析了地下水流动对U型埋地换热器与周围土壤换热的影响,并与非含水层情况进行了比较。模拟结果表明,地下水流动显著影响埋地换热器周围的土壤温度场。与粘土层相比,埋地换热器在含水层内土壤温度变化较小,到达稳态时间较短。埋地换热器周围热作用半径,沿上游方向较小且很快达到稳态,而沿下游方向上的热作用半径基本与运行时间成正比关系。地下水流速越大,埋地换热器周围介质的平均温度越低,这有利于夏季排热工况。     

土壤源热泵水平埋管周围土壤温度分布的分析

着重介绍了基于有限差分法计算土壤耦合热泵地埋管周围土壤温度分布的计算方法,并计算了埋深1 m,不同质量流量时埋管周围土壤温度的变化规律。计算结果表明：埋管周围土壤的温度分布随管内流体流量的变化而变化,其变化规律是管内流体质量流量越大,埋管周围土壤温度越低。     

地埋管换热器低温换热性能测试与模拟

实验并模拟了地埋管换热器持续低温运行对换热及土壤温度分布的影响,实测的运行取热换热量能保持在60～85 W/m,且无明显衰减,满足地源热泵系统取热需求。采用计算流体力学软件对冻结工况进行了模拟,实验数据验证了模型对回水温度、换热量、近壁侧温度模拟的有效性。后续理想条件下的模拟结果从理论上说明了低温供水工况在补热得当情况下可以保证地埋管换热器的较高换热能力,且对土壤温度环境影响可控。     

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。     

竖直U型地埋管群传热特性模拟

为了探究不同因素对竖直U型地埋管管群传热特性的影响,以竖直U型地埋管周围土壤为研究对象,建立三维非稳态传热物理数学模型。在试验验证和单井的研究基础上,以1a为研究周期,分析了地埋管管群排列方式、热泵蓄取功率比以及土壤类型对竖直U型地埋管管群周围土壤温度场分布的影响。研究表明:钻井间距一定时,地埋管排列方式对地埋管管群周围土壤温度场分布的影响很小;在热泵运行时间一定时,土壤热扩散系数越大,钻井间土壤温度重叠区域越大;土壤导热系数越大,土壤温度波动幅度越小;蓄取功率比越小,土壤热失衡越严重;对于冬季热负荷较大的地区,可以适当地提高热泵蓄取功率比。所建模型得出的土壤温度值与试验值吻合度较好,其最大误差为14.2%。     

方形冻结管单管冻结温度场数值分析

为解决现有冻结管单管冻结能力不强致使增加循环冷媒介质用量和施工机械能耗的问题,可将传统圆形截面设计成异形截面。对方形冻结管的截面形式和施工工艺作一简单介绍,运用有限元软件对方形截面冻结管单管冻结时的温度场发展规律进行研究,主要得出:与传统圆形冻结管技术相比,方形冻结管具有较大的单位体积材料比表面积,因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力,从而提高性价比;虽然方形冻结管为非圆形截面,但其冻土帷幕温度也是以冻结管为圆心呈同心圆分布,离冻结管越近温度越低;冻结20d时,-10℃圆形冻土帷幕半径发展为300mm;冻结40d时,0℃和-10℃圆形冻土帷幕半径分别为900mm和400mm;方形冻结管比圆形冻结管降温快,制冷效果更好。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。     

地埋管群全年蓄热取热同步模式下岩土传热特性

结合内蒙古包头地区的地域特性,基于有限体积法,在实验验证的基础上,数值仿真研究了全年地埋管管群蓄热取热同步模式下的岩土传热特性,分析了蓄热取热同步过程中的蓄热地埋管流体温度、取热地埋管流体温度、岩土结构以及地埋管管群排列方式等因素对岩土温度场的影响规律。研究结果发现:地埋管群全年蓄热取热同步模式可使岩土温度得到快速恢复,进而可缓解岩土热失衡问题;取热流体温度不变的情况下,取热地埋管周围岩土温度随蓄热地埋管流体进口温度的增加而增加;岩土热扩散系数越大,取热地埋管与蓄热地埋管周围岩土温度分布越均匀越不易出现岩土热堆积现象;取热地埋管与蓄热地埋管叉排列时岩土温度分布较顺排列时均匀。     

严寒地区岩土热响应试验与地埋管地源热泵系统应用

结合严寒地区某工程,建立了两口120m深U形竖直埋管试验井并进行热响应试验,利用Kelvin无限长线热源理论模型计算了岩土层热物性参数及地埋管换热器的换热能力,分析了地埋管换热器的热阻特性,得出了夏季直接取冷条件下的单井取冷量与冷水温度的关系,并给出空调方案。依据土壤热平衡、初始土壤温度、地埋管换热器的换热能力及全年负荷等因素,确定了太阳能结合土壤蓄热的地埋管地源热泵系统供热供冷方案。     

冻结土壤、水水平换热管耦合传热分析

以冻结土壤、水-水平换热管之间耦合传热作用为研究对象,对冻结条件下非饱和土壤连续性方程和热量迁移方程,采用有限容积数值方法进行离散求解,给出了部分温度场、冻结率分布图,并分析了耦合传热原因。分析结果表明：冻结土壤温度场是大致与地表平行的水平线,固液相变区高峰值发生在有回水管的上部,低值发生在无水平换热管的地方,水平换热管使冻结锋面向地表方向偏移,水平换热管进回水位置布置方式不同影响冻结土壤相变区域的大小与位置,回水管在单侧和中间布置是较优的布置方式。     

兰州地铁联络通道人工冻结法温度场分析

本文以兰州地铁2号线定西路站至五里铺站区间联络通道冻结法施工为背景,根据冻结法设计方案对温度场变化进行了监测,并利用ABAQUS软件对该联络通道的冻结法的冻结过程进行了数值模拟,对冻结温度场模拟数据与现场实测数据进行对比和验证,并在此基础上对冷冻液温度变化和土层变化对温度场形成的影响进行了研究。研究表明:冷冻液的温度越低,冻结温度场形成速度越快,冻结壁温度也越低;不同土层的热物理系数不同对冻结温度场的发展速度和冻结壁温度有较大的影响。