热泵间歇制热及土壤热响应特性的研究

研究了广东地区地源热泵机组间歇式运行模式下埋地管换热器的换热能力及土壤热响应特性。土壤源热泵系统的单U、双U埋地管换热器深30m,在连续运行工况下,系统运行12h后土壤温度变化很小,单U和双U井的土壤平均温度分别下降5.16℃和6.30℃,系统停机后自然恢复到初始温度需要长达75h。分别取开停时间比3h:5h和4h:5h进行实验,并比较了间歇和连续两种工况下地埋管换热能力的大小,发现间歇工况下单U井的换热能力可分别提高8.3%和7.6%,双U井可分别提高10.2%和3.1%。     

垂直地埋管换热器的换热性能

为研究土壤源热泵垂直地埋管换热器的换热特性,对长沙地区一套土壤源热泵系统进行了夏季及冬季工况连续运行的实验,实时采集U型管进出口的水温、流量以及地温等数据。通过对所采集的实验数据进行处理分析,对比了不同工况、不同埋管形式、不同埋深条件下的地埋管换热器进出口温差及单位井深换热量,结果表明,无论是夏季工况还是冬季工况,双U型管的单位井深换热量比单U型管高25%～30%。     

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。     

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。     

单/双U形地埋管换热器传热特性模拟研究

为了研究不同因素对单/双U形地埋管换热器传热特性的影响,建立单U形和双U形地埋管换热器传热物理数学模型,分析流体进口流速、流体进口温度、回填材料和土壤竖向温度梯度对地埋管周围土壤温度分布规律和单位管长换热量的影响。结果表明：地埋管周围土壤温度随流速的增加而增加且双U形大于单U形,对径向距离大于1 m的土壤基本无影响;双U形地埋管换热器的单位管长换热量大于单U形,双U形地埋管换热器的热短路现象更严重;增加流体进口温度时,土壤温度、单位管长换热量均增加,但热作用范围基本不受影响;回填材料为砾砂时的土壤温度增加幅度大于黏土,单位管长换热量大于黏土,但增加比例小于回填材料为黏土时的情况;土壤竖向温度梯度越大,土壤温度和单位管长换热量波动幅度越剧烈,且双U形的波动幅度大于单U形;钻井深度和土壤竖向温度梯度较大时,地埋管不宜采用U形管作为换热器。研究结果对单/双U形地埋管换热器的设计及地源热泵系统的运行提供参考。     

垂直埋管式地源热泵土壤温度分布研究

以某办公建筑双U垂直埋管式地源热泵系统作为研究对象,对其连续3 a的运行进行土壤温度监测及分析。结果表明:在换热器夏季累积换热量为366.5 MJ,冬季累积换热量为233.8 MJ的情况下,距换热器5.0 m范围内土壤温度共升高2.8℃,系统运行30 a后,土壤温度超过35℃;土壤在与工程井径向换热的同时进行深度范围内的轴向换热;另外土壤的蓄热性使土壤温度变化出现2~6个月的时间滞后。     

土壤热渗耦合作用下U型埋管换热器换热特性数值模拟

建立了管内流体流动及周围土壤热渗耦合传热的垂直U型地埋管换热数理模型,采用数值方法对有渗流和无渗流工况下的土壤温度场分布、埋管出口温度、不同渗流速度下的单位井深换热量进行了模拟计算分析。结果表明,地下水渗流作用能减小埋管出口升温幅度,在埋管入口平均温度为33℃时,有渗流工况下的埋管出口平均温度为29.91℃,无渗流工况下的埋管出口平均温度为30.85℃。单位井深换热量随渗流速度的增大而增加,当地下水渗流速度为10 m/a和400 m/a时,与无渗流工况相比,单位井深换热量分别增大了约6.33%和71.33%。     

不同形式地埋管换热器运行性能影响因素研究

为研究单U和双U地埋管换热器运行性能的影响因素,运用能耗模拟软件TRNSYS建立地埋管换热器模型对其运行特性进行仿真模拟后,与实际工程数据对比,验证模型有效性,继而以换热器能效系数为评价指标,分别对钻孔深度、U型管两管间距和回填材料导热系数等影响因素进行分析研究,得到:双U地埋管换热器的单位延米换热量为106.72 W/m,单U地埋管换热器的单位延米换热量为86.39 W/m;适当增加钻井深度、埋管间距和回填材料导热系数对整体换热效果有促进作用,且在双U埋管情况下促进作用更显著的结论.     

三种埋管换热器换热性能的模拟与实验研究

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了单U型、双U型及套管式地埋管换热器在不同管内流速下的换热情况以及埋管周围土壤温度场的变化情况。研究表明:实验值与模拟值相吻合;地埋管换热器换热能力随着管内流速的增大而增强;三种形式地埋管换热器换热能力以套管式最优,双U型及单U型地埋管次之。     

单/双工况运行下地埋管周围土壤温度特性实验研究

以实验研究为基础,分析地埋管周围土壤温度、流体进出口温度及单位管长换热量随热泵运行时间的变化规律,探究雷诺数Re、流体进口温度和热泵运行模式等因素的影响;获得土壤温度及单位管长换热量的时变特性。研究发现:热泵单工况运行条件下,地埋管周围土壤温度及单位管长换热量随热泵运行时间的延长而增加,并最终趋于稳定;适当的增加流体进口速度(Re)可提高单位管长换热量,流体流速的变化对径向距离r80 mm范围内的土壤温度影响较大;间歇运行模式下地埋管附近土壤温升率较低,且单位管长换热量较热泵连续运行模式下有所提高。热泵双工况(连续和间歇运行模式)运行条件下,地埋管周围土壤温度均表现为上下波动的规律,且均随径向距离的增加其波动幅度减小,但连续运行模式下的土壤热波动半径较间歇运行模式下有所增加。     

土壤蓄冷与耦合热泵集成系统中土壤蓄冷的模拟研究

结合土壤耦合热泵技术及冻土蓄冷技术的优点，提出一种全新的热泵空调系统形式一土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统。该系统将土壤耦合热泵系统(GCHP)的地下埋管换热器与蓄冷装置合二为一，在电力低谷期将冷量贮存到土壤中，以满足高峰电力期空调负荷的需要。在能量平衡的基础上建立了土壤蓄冷释冷过程的数学模型，并采用固相增量法模型对其进行了模拟计算，分析其应用的技术可行性，为土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的应用提供理论支持。     

五道梁地区土壤热状况的讨论

利用五道梁1994-1999年之辐射观测资料及0cm地温资料，结合五道梁附近的较深层的地温观测资料，从土壤温度梯度、土壤热通量、土壤导热率、地表净辐射、季节性冻土的融化深度以及2．0m地温的变化等方面分析了五道梁地区的土壤热状况。通过计算分析，得到(1)该地区土壤温度梯度5至8月份为负，10月份至来年3月份为正；(2)土壤热通量的变化规律与土壤温度梯度一致；(3)土壤导热率呈双峰型，4月份最大，9月份次大；(4)土壤温度梯度与地表净辐射负相关，线性相关系数达-0．95；(5)季节冻融层的融化深度有增大的趋势；2．0m处地温有增大的趋势。     

土壤恒温层温度及深度研究

根据能量守恒定律,证明了土壤恒温层温度等于年均气温,并且用4座城市的土壤恒温层温度与当地年均气温进行对比,验证了此结论。利用土壤自然温度场模型,推导出土壤恒温层深度的计算公式。定量分析了影响土壤恒温层深度的5种因素,得出了土壤恒温层深度主要受大气温度年振幅(Tamax-Tam)、恒温层温度振幅(ε)及土壤导温系数(a)3种因素影响的结论。     

U＋U巷道布置通风方式创新

随着煤矿井下大规模机械化高产高效开采,煤矿浅部资源枯竭,很多煤矿开始回采深部资源。深部回采面临很多问题,包括深部围岩应力压力加大、瓦斯积聚严重、地温升高等问题。高瓦斯是煤矿面临的最直接的问题之一,许多低瓦斯矿井在进行深部开采时成为了高瓦斯矿井,在作为高瓦斯矿井回采时回采面顺槽布置方式对有效瓦斯排放有很大影响。通过实例研究巷道通风方式的创新。     

GROUNDWATER FLOW EFFECTS IN PROCESSES OF SOIL FREEZING

The influence of groundwater flow effects on freezing processes in soil is analyzed by means of finite element method. The latent heat involved in a phase change is taken into account by virtue of the enthalpy, which is defined as the integral of heat capacity with respect to temperature. The analyses are carried out in an example of a two-dimensional freezing process with a groundwater flow field.     

地下含湿岩土热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟

考虑了地下水的渗流作用和U型换热埋管的实际形状,建立了U型管地下换热器管内流体以及周围土壤热渗耦合物理数学模型.模型将土壤视为均匀的、各向同性的饱和多孔介质,土壤中水的渗流视为二维.管内湍流流动采用Realizable k-ε模型,数值计算采用Fluent软件.给出了管内流体以及周围土壤的温度分布数值模拟结果,分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响、U型管两支管的热短路作用及回填材料对土壤温度场的影响.所得结论对地下换热器的设计具有理论意义.     

土壤蓄热特性与模拟研究

在能量平衡和导热方程基础上,建立埋地换热器周围土壤内蓄热、释热过程的准三维非稳态模型,并通过数值求解得到计算结果;针对单埋管蓄热模型,得到土壤温度随运行时间、径向距离的变化情况,针对管群跨季节蓄热、取热模型,得到一个周期内不同运行工况结束时的土壤温度场分布;通过模拟计算对不同土壤类型的蓄热特性进行研究,并比较了3种典型土壤的蓄热能力大小.     

土壤蓄冷与释冷过程的模拟研究

综合蓄冷技术与土壤耦合热泵技术的优点，开创性地提出了以土壤作为蓄冷介质的集低温工况、空调工况和制热工况为一体的三工况型土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的新设想。并在能量平衡的基础上，建立了埋管管束内层及外层盘管蓄冷、释冷过程的数学模型。通过模拟计算，比较分析了内、外层单根盘管的蓄冷、释冷运行特性，并对单根埋管换热器蓄冷、释冷过程的传递冷量损失及垫层冷量损失进行了初步的分析。     

THEORETICAL EARTH TEMPERATURE PROFILES FOR DIFFERENT SOILS AND SOIL CONDITIONS

The annual temperature variations in earth with depth from the surface offers, by its natural characteristics, a phase lag and reduced variation in the maximum and minimum temperatures. The temperature profiles vary for different soils and soil conditions. Soil temperatures are found to be an explicit function of soil thermal properties, particularly the thermal diffusivity. The earth temperatures stabilize at certain depth, where the annual swings in temperature are negligible and this stabilizing depth varies for different soils. A simple first harmonic approximation method has been used to predict the temperature variations as a function of depth and time for different soils (ordinary light soil, heavy soil, organic soil and sand) and soil conditions (dry, damp and wet). The results are a helpful indicator for deciding external design temperatures for the design of earth sheltered or ground coupled spaces.     

土壤蓄冷与释冷过程的能量分析

在对土壤蓄冷系统冷量损失过程分析的基础上,提出了地下埋管换热器垫层冷量损失与温差传热冷量损失的概念,并建立了垫层冷量损失和温差传热冷量损失的计算模型;为衡量系统在运行期间地下埋管换热器管束系统的运行效率,建立了埋管换热器管束系统的平均释冷率模型。通过理论研究与模拟计算,分析了土壤初始温度、埋管间距及管束结构对土壤蓄冷系统冷量损失的影响,指出了土壤蓄冷系统冷量损失随土壤初始温度及埋管间距之间的变化规律,为土壤蓄冷系统地下埋管换热器的优化设计提供理论依据。