单U、双U型埋管换热器换热性能与经济性研究

结合实际工程建立单U型与双U型埋管换热器实验系统,进行夏季排热和冬季取热实验。以单位井深换热量为评价指标对不同埋管方式的换热性能进行分析比较,得出排热和取热工况下,双U型埋管单位井深换热量均高于单U型。同时,分析了单U与双U型埋管换热器的经济成本构成,采用投资成本指标、静态投资成本差值和投资成本比数等参数,从换热性能和经济成本两方面对地下埋管换热器进行综合评价。     

套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。     

西北地区地源热泵工程运用分析

结合具体工程案例,本文分析了地源热泵技术在西北地区的工程运用及设计步骤。文中详细介绍了地埋管换热器的换热特性测试系统及测试方法,并依照测试结果,设计地源热泵联合太阳能系统。通过对垂直U形地埋管换热器冬夏季取热和排热测试,分析不同换热工况下单双U管换热器换热特性,结合当地钻孔难度大以及地埋管换热器取热量小的特点,采用双U地埋管换热器。测试过程中,对不同入口温度、流量工况换热能力进行测试分析,提出在某些地区,地源热泵工程设计采用"大流量,小温差"的设计理念。     

废弃冻结管作为地源热泵换热器换热量的计算研究

采用废弃的冻结管替代传统地埋管地源热泵换热器,实现浅部和深部的冷量和热量的利用是热泵技术一种新的取热途径。阐述了地埋管地源热泵换热器的换热量的计算过程,并以某工程实例为依据,采用换热量计算模型,对该工程地埋管地源热泵进行了冬夏季换热量测试。通过对测试数据比较,最终得到了该工程可靠的地埋管换热性能参数。     

竖直地埋管换热器吸排热量比对换热区温度场影响研究

以上海市同济大学土壤源热泵科学实验场工程为例,利用Feflow软件建立三维非稳态管群传热模型,按照上海典型办公建筑所要求的地埋管换热器吸排热量比(0.33,0.67和1.10)的条件,对30 a内地埋管换热器及其所处换热区的换热特性进行了数值模拟,探讨了地埋管换热器吸排热量比对换热区土壤温度的影响。研究结果表明,地埋管换热器全年吸排热量差异是影响换热区温度场分布的重要因素,当地埋管换热器全年累计吸排热量比为0.55~0.60时,有利于消除埋管区的热堆积现象。     

土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响分析

以土壤毛管水力特征曲线为基础,通过数值模拟手段,计算分析地下水位线变化对水平换热埋管换热特性、土体热失衡风险和热泵机组技术经济特性的影响规律,并提出“单位热影响面积换热量”这一新的评价指标,讨论土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响规律。研究结果表明：随着地下水位线埋深变浅,埋管水平土壤含水饱和度从12%增加到100%时,在制冷工况下,水平管延米换热量增加了30%,出口水温降低了23%,单位热影响面积换热量提高了47%;制热工况下,水平管延米换热量增加了24%,出口水温升高了25%,单位热影响面积换热量提高了39%。地下水位线埋深和土壤中含水饱和度对水平埋管换热器地下换热效率影响显著。同时,不同水力特征曲线的蓄能土体热失衡风险具有差异性。     

同轴地埋管换热器岩土热响应试验研究

岩土热物理性质是影响地源热泵系统设计和运营的关键因素,对位于武汉市洪山区的2口不同深度的同轴地埋管换热孔分别进行48 h的热响应试验,并对同轴地埋管换热器内外管之间环形空间中的平均流体温度进行测试.根据同轴地埋管换热器的几何特性,以简便实用的方式测量同轴地埋管换热器环状空间传热流体的平均温度,结合同轴地埋管换热器钻孔热...     

不同地质条件下地埋管热响应测试分析与比较

为获取不同地质条件下地埋管换热器换热特性,选取位于夏热冬冷地区的三个测试地点:浙江莫干山、上海浦江镇、江苏盐城。分别对所在地的地源热泵系统地埋管换热器开展热响应试验,利用线热源模型进行计算分析。得到莫干山、浦江、盐城的岩土导热系数分别为2.40 W/(m·℃)、1.92 W/(m·℃)、1.84 W/(m·℃)。岩石地质所具有的高热扩散性对地埋管换热器换热效果有促进作用;不能用"单位延米换热量"这个单一参数分析地埋管换热器换热效果。     

北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究

岩土导热系数是地源热泵地埋管换热器的重要设计参数;测井单位深度换热量是地埋管换热器系统的设计依据。掌握工程区域岩土的热物性及换热性能,是保证地源热泵系统高效、稳定运行的关键。文章建立了现场测试岩土导热系数及换热量的方法,并结合沈阳浑南高新技术产业开发区某地源热泵工程,测试分析了岩土导热系数和测井单位深度换热量。结果表明,该区域的岩土具有较好的导热能力,适合采用地埋管地源热泵系统;在特殊地理条件下设计地源热泵系统方案前,应对拟建区域的地质条件进行全面勘探,以优选工程区域,为岩土热响应测试结果的可靠性提供保障。     

青岛地区水平埋管换热器换热特性分析

水平埋管换热器的换热性能对地源热泵系统的运行节能性有重要影响.以青岛棕壤地区为例,建立了考虑太阳辐射、地表温度波动、土壤竖直方向上的温度梯度等因素的水平埋管换热器传热模型,模拟了埋管深度、土壤导热系数对水平埋管换热器换热性能的影响.研究结果表明:热泵系统制冷工况下,埋深2 m和2.5m时对应的换热量较埋深1.5m时的对...     

热响应测试在土壤热交换器设计中的应用

分析了土壤热交换器系统的影响因素以及设计与施工中存在的问题,介绍了自主研制的移动式地源热响应测试装置原理与构成。针对天津市某地源热泵项目,阐述了热响应测试的方法与步骤,得到了项目所在地的无干扰地温以及地埋管系统的供回水温度响应曲线。利用线源理论,得到了地埋管换热器钻孔的导热系数及热阻,分析了测试装置与环境的热损失和热增益、测试时间、供电稳定性、无干扰地温、不同深度土壤热导率的变化以及地下水流动对热响应测试造成的影响。测试结论对于指导土壤热交换器设计与施工具有一定的参考价值。     

基于线热源理论的垂直U型埋管换热器传热模型的研究

基于经典常热流线热源理论,通过引入叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻思想将其发展为能够适用于变热流埋管换热与地源热泵系统模拟的变热流线热源模型,并与改进的经实验与理论验证的圆柱源理论模型进行了比较与分析。结果表明:所发展的变热流线热源模型能够有效地模拟地下埋管的换热过程,可作为地下垂直U埋管换热过程的计算模型,为地源热泵地下埋管换热器的设计计算及地源热泵系统的模拟提供了一种新的简单而又实用的计算方法。     

深层地埋管换热器换热性能模拟及稳定性研究

以深层地源热泵地埋管换热器为研究对象,对其换热特性进行数值模拟和实验研究。建立考虑轴向地温梯度的深层地埋管换热器传热模型并进行模拟计算,通过示范工程现场测试数据验证该模型的正确性。对深层地埋管换热器换热的性能稳定性进行研究,发现深层地埋管换热器连续长期运行及间歇长期运行下换热性能基本稳定。当按不同运停比运行时,岩土温度恢复效果良好。研究结果表明深层地源热泵有较好的换热性能及运行稳定性,为深层地热能的开发利用提供了新思路。     

不同管间距的垂直U型地埋管换热实验研究

对不同管间距的垂直U型地埋管进行了夏季工况连续实验,比对单U地埋管换热器不同管间距下的单位井深换热量、管群内土壤温度变化和系统运行情况,结果表明,管间距越大,单U换热器和土壤之间换热效果越好,管群内的热干扰越弱;管间距过小,系统内换热器的换热情况将恶化,导致不能长期稳定运行。     

利用地下水填充钻孔的埋管换热器性能分析

地下水填充的井下换热器（GFBHE）是一种不需要灌浆,利用地下水填充钻孔进行换热的地热换热器。针对GFBHE建立了瞬态三维数值模型进行模拟,并与利用普通灌浆材料进行回填的埋管换热器进行对比。数值模型通过将孔隙型岩层等效为饱和多孔介质的方法将钻孔外部的自然对流现象考虑在内。研究了包括渗透系数、地温、钻孔孔径在内的关键因素对GFBHE性能的影响。结果表明,当含水层渗透系数大于1×10^-4 m/s时,GFBHE性能明显优于利用灌浆填充钻孔的地热换热器,在富水区域利用GFBHE取代后者是可行的。GFBHE的换热性能随着钻孔孔径、含水层渗透性的增大以及地温的升高而提升。     

Evaluation of heat exchange rate of GHE in geothermal heat pump systems

Total thermal resistance of ground heat exchanger (GHE) is comprised of that of the soil and inside the borehole. The thermal resistance of soil can be calculated using the linear source theory and cylindrical source theory, while that inside the borehole is more complicated due to the integrated resistance of fluid convection, and the conduction through pipe and grout. Present study evaluates heat exchange rate per depth of GHE by calculating the total thermal resistance, and compares different methods to analyze their similarities and differences for engineering applications. The effects of seven separate factors, running time, shank spacing, depth of borehole, velocity in the pipe, thermal conductivity of grout, inlet temperature and soil type, on the thermal resistance and heat exchange rate are analyzed. Experimental data from several real geothermal heat pump (GHP) applications in Shanghai are used to validate the present calculations. The observations from this study are to provide some guidelines for the design of GHE in GHP systems.     

A review of methods to evaluate borehole thermal resistances in geothermal heat-pump systems

In the design of a ground-source heat pump (GSHP) system, the heat transfer from the fluid to the ground is influenced by the thermal borehole resistance between the fluid and the borehole surface and also by the interference resistance between the two (or four) pipes inside the borehole. Several authors have proposed empirical and theoretical relations to evaluate these resistances as well as methods to evaluate them experimentally. The paper compares the different approaches and proposes good practice to evaluate the resistances. The impact of the different approaches on the design of heat exchanger is also examined. Two-dimensional and fully three-dimensional numerical simulations are used to evaluate the different methods. A new method is also proposed to evaluate the borehole resistances from in situ tests.     

Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers

A ground heat exchanger (GHE) is devised for extraction or injection of thermal energy from/into the ground. Bearing strong impact on GHE performance, the borehole thermal resistance is defined by the thermal properties of the construction materials and the arrangement of flow channels of the GHEs. Taking the fluid axial convective heat transfer and thermal “short-circuiting” among U-tube legs into account, a new quasi-three-dimensional model for vertical GHEs is established in this paper, which provides a better understanding of the heat transfer processes in the GHEs. Analytical solutions of the fluid temperature profiles along the borehole depth have been obtained. On this basis analytical expressions of the borehole resistance have been derived for different configurations of single and double U-tube boreholes. Then, different borehole configurations and flow circuit arrangements are assessed in regard to their borehole resistance. Calculations show that the double U-tubes boreholes are superior to those of the single U-tube with reduction in borehole resistance of 30-90%. And double U-tubes in parallel demonstrate better performance than those in series.