地热换热器间歇运行工况分析

地源热泵应用推广的关键和难点是地热换热器的设计和运行模拟,大多数工程应用均采用简单而又实用的线热源模型。本文利用线热源解模拟出地热换热器周围土壤的温度响应,对于随时间变化的负荷或间歇负荷可以近似用一系列的矩形脉冲热（或冷）负荷来代替。因此,采用了迭加原理来分析计算随时间变化的 间歇 负荷引起的温度响应。通过模拟计算发现,在计算流体的最大温升值时,可以把间歇工作的周期性脉冲热流简化为一个持续作用的平均 热负荷和一个脉冲负荷的和。这为地 热换热器的设计计算提供了一种简单实用的方法。通过编程模拟还证明,对于地热换热器来说,冷热负荷平衡的工况是最理想的工况,长期运行不会引起地层中热量（冷量）积累而使地热换热器性能退化。     

地下水渗流作用下地埋管间歇散热特性

为了探求地下水渗流对地埋管换热器间歇运行性能所产生的影响,基于移动的有限长线热源理论模型解析解,利用MATLAB软件编程计算,分析渗流对单钻孔地埋管换热器的影响。同时对比分析了连续和间歇运行情况下其周围土壤的温度响应特征和过余温度场分布特点。研究表明：埋管周围土壤的温度变化是由热流密度、土壤本身的热物性和实际渗流速度耦合作用影响的,而在间歇运行下其因素影响更加明显。     

动态负荷下地源热泵系统的优化设计

针对动态负荷下地源热泵地埋管换热器的设计问题,提出一种最佳负荷的设计方法,并通过数值模拟和实测实验的方法研究了6种不同负荷下钻孔壁中点处的温度响应.实验结果表明:1)在周期性脉冲热流的作用下,钻孔壁温度呈周期性震荡并逐渐升高;2)每一时刻,动态负荷作用下的温度响应均小于其最佳设计负荷的温度响应,即最佳设计负荷可以代替动态负荷,由此验证了最佳负荷设计公式的合理性.本设计方法考虑了建筑热负荷的动态变化特性,有效节省了换热器的埋管长度.     

有渗流时地热换热器温度响应的解析解

为确定地下水渗流对竖直埋管地热换热器的影响,建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程,得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解.归纳得出影响这一传热过程的无量纲量,并分析了地下水渗流对地热换热器中温度场的影响.分析计算的结果表明适度的地下水渗流对原一维温度场的影响明显.地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低.     

桩基螺旋埋管换热器的二维温度场分析

主要以桩基地热换热器的工程应用为背景,提出实心圆柱面热源模型以描述螺旋埋管地热换热器中的传热过程。采用格林函数和虚拟热源法,导出适用于桩基螺旋埋管换热器的无限长及有限长面热源模型的温度分布解析解,对模型中的各参数对换热性能的影响做了分析。同时,对有限长面热源模型中的两种代表性温度,即热源面的积分平均温度和圆柱面中点温度分别进行了计算和讨论。     

有渗流时地热换热器温度响应的解析解

为确定地下水渗流对竖直埋管地热换热器的影响,建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程,得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解。归纳得出影响这一传热过程的无量纲量,并分析了地下水渗流对地热换热器中温度场的影响。分析计算的结果表明:适度的地下水渗流对原一维温度场的影响明显。地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低。     

土壤源热泵在西安地区应用的数值模拟研究

针对西安地区的地质状况及气候特点,建立了管内流体、地埋管挟热器及周围土壤耦合传热模型,模拟了U型管内流体流动和传热、U型管与回填材料及土壤的传热.建立了连续模型和间歇模型,通过模拟分析得出结论:在西安地区应用土壤源热泵系统,热泵系统连续运行时间不能超过一定的时间(夏季为18h,冬季为7h),超出此时间后,由于换热器周围土壤中热量(或冷量)累积,使得换热环境恶化,换热器与周边土壤的换热量不断下降,导致热泵机组在不利工况下运行,长此以往,当U型管出口流体温度上升(下降到)到机组的保护温度时,压缩机将停止运行.与连续运行工况相比,在西安地区采用间歇运行工况时,地下换热器周围土壤可以得到一定程度的恢复,且间歇时间越长,恢复的程度越好.     

地源热泵U型管地下换热器的数值模拟

通过改进现有二维传热模型建立准三维传热模型,模拟U型竖直埋管地下换热器的运行工况．模型引入换热功率函数作为边界条件,对单个线热源到区域中心距离提出新的计算方法,运用有限体积法求解．通过与实验结果比较,模型结果可以满足工程精度的要求,并且给出U型管内流体温度分布情况以及钻孔深度对U 管两支管之间的热短路的影响．     

垂直U型管换热器周围土壤温度场的数值模拟

目的 分析地下U型埋管周围土壤的温度分布情况,了解埋管周围土壤温度随时间的变化规律.方法 在夏季制冷工况下,对地埋管换热器中的单U型管建立了非稳态数学模型,应用数学软件MATLAB中的PDETOOL进行求解,对地埋管周围土壤的温度分布状况进行了模拟.结果 随着热泵的不断运行,埋管周围的温度越来越高,热作用半径越来越大,热泵运行10 h后,热作用半径为0.5m,埋管周围土壤温度最高达26℃.热泵运行2190 h(90 d)后,热作用半径为10 m,埋管周围土壤温度最高达45℃.结论 通过数值模拟,得出了埋管周围土壤温度随着时间的变化规律,热泵不能连续运行,要间歇运行.     

竖直地埋管换热器热作用半径的估算方法

为了在设计过程中合理布置换热器和估计它们之间的热干扰程度,提出估算竖直埋管换热器影响半径的方法.通过几种简单负荷条件下换热器周围土层中过余温度的分布特征分析了过余温度随距离衰减的一般性规律,指出土层对短周期冷热交替负荷具有“过滤”作用,即短周期冷热交替负荷引起的过余温度会随距离很快衰减,周期越短则衰减越快.基于该“过滤”作用,得到了离换热器一定距离处最大过余温度的估算公式和换热器热作用半径的估算方法.通过实际算例表明:该估算方法能快速和较准确地确定换热器的热作用半径,在设计过程中可利用其确定换热器的间距;换热器的热作用范围主要受两方面影响：一是土层的综合热扩散系数和导热系数,二是其负荷的冷热不平衡率和所包含的长周期冷热交替成分的大小.     

竖直埋管地热换热器的稳态温度场分析

对竖直埋管在半无限大介质中的稳态传热模型进行了分析讨论。采用虚拟热源法有线性迭加原理给出了其解析解，并绘制了其相应的温度分布曲线图，指出了现行教科书中由于混淆淆绝热边界条件与等温边界条件而得出的关于该问题的错误结论。针对工程实际提出了孔壁中点温度和积分平均温度这两个地热换热器孔壁代表性温度的定义，给出了两者的适用于工程应用的简明计算公式，并对两者进行了比较。基于以上分析，进一步讨论了全年冷热负荷不平衡地热换热器长期性能的影响。     

SGCHPS土壤热平衡及系统热量利用

为解决严寒地区建筑物热负荷远大于冷负荷而导致的太阳能-土壤源热泵系统(SGCHPS)供热性能逐年下降、以至于无法使用的问题,提出依靠太阳能季节性土壤蓄热来维持土壤热平衡、提高系统效率的方法.以严寒地区太阳能-土壤源热泵供热供冷示范工程为平台,进行了为期3 a的蓄热、供热、供冷长期实验.实验结果表明:在保证供热供冷效果的基础上,土壤温度呈现日周期和年周期变化,土壤保持了以年为周期的热平衡;太阳能在冬季供热量中占85%;在供冷季同时进行蓄热和供冷的2组土壤换热器(GHE)可根据换热功率分配其比例.土壤蓄热解决了严寒地区建筑物冷热负荷不平衡的问题,使系统能长期高效运行,并实现了全年太阳能的利用,节约了大量的常规能源.     

竖直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析

竖直U型埋地换热器两支管间存在的热量回流(“热短路”)现象对换热器实际的传热性能有较大的影响，这是工程技术人员在设计和施工U型埋地换热器时必须考虑的问题。本文利用地热换热器传热模型及设计软件，对竖直U型埋地换热器两支管间的热量回流现象进行了分析，着重讨论了两支管间距和回灌材料的导热系数对热量回流的影响。提出了减小热量回流的措施。     

闭环地源热泵系统建模

目前国内对地源热泵的研究多集中在地热换热器的传热模型理论研究方面,而对地源热泵系统整体性能的研究则局限于实验测试,因此迫切需要建立一个地源热泵的系统模型来进行系统的优化设计和系统性能预测.采用理论解析方法建立了竖直U型埋管地热换热器的准三维模型,该模型考虑了两支管间的热短路问题,比现有模型更接近于实际工程.采用确定性模型法建立了热泵机组的模型,然后通过能量和质量守衡方程式建立了系统动态耦合模型.利用该模型即可预测在不同的地热换热器配置情况下,地源热泵系统的各项性能.试验表明,该系统模型预测结果与实测值吻合的较好.     

联供模式地下换热器温变及其热泵效能分析

在地下换热器G函数理论基础上,建立了地源热泵热力过程计算模型。研究了地下换热器和热泵运行的基本性能,及其单供和联供的主要差异。通过计算孔井壁面温度及地下换热器进、出口流体温度,对热泵能效比、能耗等热力参数进行了对比分析。以严寒地区和夏热冬冷地区为例,结合冷热负荷需求,研究了冷热单供与联供方式对地下换热器温变和热泵效能的影响作用。     

SGCHPS土壤蓄热供热供冷效果分析

为减少建筑供热供冷能耗,实现严寒地区太阳能-土壤源热泵系统（SGCHPS）对建筑进行长期稳定的供热供冷,提出依靠季节性太阳能土壤蓄热来维持土壤热平衡、提高系统效率的方法.以严寒地区太阳能-土壤源热泵供热供冷示范工程为平台,根据建筑负荷确定系统配置,并选定4种模式交替运行,进行了3年的长期实验.实验结果表明：季节性蓄热S...     

Research trend of cascade heat pumps

Most commercial and industrial facilities require very low temperatures for refrigeration and high temperatures for space heating and hot water purposes. Single stage heat pumps have not been able to meet these temperature demands and have been characterized by low capacities and coefficient of performance(COP). Cascade heat pump has been developed to overcome the weaknesses of single stage heat pumps. This study reviews recent works done by researchers on cascade heat pumps for refrigeration, heating and hot water generation. Selection of suitable refrigerants to meet the pressure and temperature demands of each stage of the cascade heat pump has been discussed. Optimization of design parameters such as intermediate temperature(low stage condensing and high stage evaporating temperatures), and temperature difference in the cascade heat exchanger for optimum performance of the cascade heat pump has been reviewed. It was found that optimising each design parameter of the cascade heat pump is necessary for maximum system performance and this may improve the exergetic efficiency, especially of cascade refrigeration systems, by about 30.88%. Cascade heat pumps have wider range of application especially for artificial snow production, in the supermarkets,for natural gas liquefaction, in drying clothes and food and as heat recovery system. The performance of cascade heat pumps can be improved by 19% when coupled with other renewable energy sources for various real time applications. Also, there is the need for much research on refrigerant charge amount of cascade heat pumps, refrigerant-refrigerant heat exchangers to be used as cascade heat exchanger, cascade heat pumps for simultaneous cooling, heating and hot water generation and on the use of variable speed compressors and their control strategies in matching system capacity especially at part load conditions.     

土壤冻结对地热换热器传热的影响

研究了土壤 冻结对地源热泵系统中的地热换热器与其周围土壤的热交换过程的影响。探讨了土壤水分含量、斯蒂芬数、土壤初始温度（即地温）等对周围土壤温度分布、冻结锋面发展等的影响,并与不考虑土壤冻结情况作了对比分析。当考虑土壤中水分冻结时,由于冻结时放出大量的潜热,且冰的导热系数大,因此计算出地下埋管周围的土壤平均温度高,传热热阻小,设计的地热换热器规模可以变小,亦即可以减小钻孔的深度 或钻孔的数量,从而可以减小地热泵系统的 初投资。另外也扩大了地下回路中防冻液的选择范围。当土壤含湿量大、土壤初始温度高时,对于系统的设计与运行是 有利的。