寒冷地区埋管式地源热泵系统热平衡分析

以黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统工程为平台,进行了为期两年的供热、恢复、供冷长期试验。在间歇制冷工况下,对换热井内岩土体的温度响应进行了研究。研究结果显示,开机30 h后,岩土体温度趋于稳定,温度波动幅度为0.18~0.38℃;停机82 h后,岩土体温度基本恢复稳定,温度下降范围仅为0.06~0.19℃。通过对工程岩土体热平衡分析发现,单纯地以全年累计冷热负荷的差异来判断岩土体的热平衡是值得商榷的。建议从全年累计冷热负荷平衡和岩土体的温度响应特性两个角度进行综合分析,进而确定埋管式地源热泵的适用性,以保证埋管式地源热泵系统长期稳定可靠地运行。试验结果可为黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统的推广应用提供参考。     

运行模式对地埋管换热器热交换性能的影响试验

运行模式对地埋管换热器的热交换性能具有显著影响。文章借助桂林理工大学建立的地源热泵实验平台,对桂林地区地源热泵制冷工况下3种运行模式进行试验,研究地源热泵的运行状况及管壁温度变化特性,分析运行模式对地埋管热交换性能的影响规律。研究结果表明:3种运行工况下,地源热泵机组的性能系数COP分别为4.30,4.03,3.48,竖埋管单位管长换热量为14.4~32.8 W/m,水平埋管单位管长换热量为14.8~17.9W/m;地埋管的管壁温度随着地源热泵的运行发生变化,其恢复程度与停机时间的长短有关;间歇运行模式有利于土壤温度场的恢复,提高地埋管换热器的热交换性能;停运比Ps-o由0变化到1时,热泵机组性能系数COP增加了15.8%。     

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。     

中深层地热地埋管供热可持续性研究

为了研究中深层地热地埋管运行期间和热恢复过程中周围岩土温度变化趋势以及热恢复后岩土对竖直地埋管运行稳定性的影响。基于关中地区地质岩层数据,结合西咸新区中深层地热地埋管供暖系统实际工程应用,利用有限元仿真软件模拟分析了中深层地埋管换热器对周围岩土影响规律。结果表明: 四个月的取暖运行,在岩土上层,由于流体温度较高出现逆向换热区;在岩土下层,温度随着深度的增加降幅较大,并且在深度方向表现为线性增势;在不考虑地下水渗流的情况下,岩土取热后经过八个月的热恢复,恢复后最大温差为3.02℃,恢复后平均温差为1.30℃。岩土热恢复温差对地埋管的长期运行无显著影响,可长期持续稳定运行。实践表明,由于地层结构、地层压力、放射性衰变、地层导热等多方面因素的影响,2 000 m以下地层温度恢复迅速,并未出现明显的温度衰减,充分体现了地球恒温体的特性。     

地源热泵系统非平衡冷热负荷运行特性研究

建立地埋管传热模型和系统能耗模型,对非平衡冷热负荷条件下地源热泵系统运行特性进行模拟计算。当建筑空调冷负荷大于热负荷,且供冷时间较长时,地源热泵系统从冬季初始运行,到达夏季时段,地温比夏季初始运行低,更加有利于夏季地源热泵系统节能。地源热泵系统运行7a后,采取夏季和冬季初始运行两种方案的地埋管钻孔壁年平均温度与土壤初始温度相比,分别上升3.10和5.12℃,导致机组耗功率逐年增加,应考虑采用复合式地源热泵系统间歇运行或增设地埋管设置分区运行策略,平衡土壤传热量。     

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。     

钻孔深度对地源热泵系统性能的影响

通过TRNSYS软件建立地源热泵系统仿真模型,在综合考虑不同钻孔深度下的钻孔数量、单孔流量及建筑物逐时负荷的基础上,对比分析不同钻孔深度下,系统运行能耗、地埋管换热器初投资及占地面积。研究表明,钻孔深度低于300 m时,钻孔数量随钻孔深度的增加而明显减小,高于300 m时,钻孔数量基本不变;长期运行,土壤温度随钻孔深度的增加而先增后减;地埋管换热器初投资随钻孔深度的增加而增加;钻孔深度100 m时系统冬夏季运行能耗最低,总运行能耗最低,故可优先选择钻孔深度为100 m,当地表面积有限时,可选择钻孔深度为150 m甚至是200 m;将系统运行能耗、地埋管换热器初投资占地面积与钻孔深度间的关系拟合为公式,并提出确定钻孔深度的方法。     

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...     

土壤源热泵在地下工程中空调工况运行实验研究

以华东地区某地下工程中的土壤源热泵系统综合实验平台为研究对象,通过实验研究的方法,对地埋管地源热泵在夏季对地下工程中的典型大余热房间供冷运行特性进行测试。实验结果表明:地埋管地源热泵在华东地区地下工程运行的启动时间约为12 h,其单位埋管放热量为41 W/m。系统运行初期,地下土壤温度上升速度最快,上升幅度随土壤深度的增加而减小。系统运行时间越长,土壤恢复能力越差。测点土壤不同深度温度恢复能力不同,主要受当地地层结构影响。研究成果为土壤源热泵系统在地下工程的应用及运行管理提供参考。     

常州地区地源热泵系统对土壤的热影响分析

根据常州地区某地源热泵系统中地埋管换热器的布局情况,选择包括195个地埋管换热器的区域为研究对象。基于实测数据建立6层概化三维模型,并验证模型的有效性。在冷热负荷不平衡时,通过仿真研究间歇运行对土壤热环境的影响,以及正常运行时10 a内系统对土壤热影响的范围和程度。     

埋地换热器放热工况的现场运行实验研究

结合一地源热泵示范工程，建立了垂直竖井与地基桩单U型管埋地换热器联合使用的地源热泵系统的综合性能实验装置。通过对一个夏季长期间歇运行测试数据的分析，发现地下各个测点的温度上升幅度各不相同；桩埋管的热作用半径至少为2．5m，井埋管的热作用半径至少为2m；在相同的工况条件下，桩埋管的放热率大于井埋管。     

蓄热型太阳能-地源热泵耦合系统设计

以所设计的新型蓄热太阳能-地源热泵耦合系统为研究对象进行了现场模拟实验,太阳能集热器具有季节性蓄热功能,蓄热水箱可在冬季高品质供暖,夏季实现高效制冷。通过实验研究和经济分析结果显示,系统中地埋管换热器和蓄热水箱间歇运行,有利于地下温度场的恢复,延长地埋管的使用寿命,提高地源热泵工作效率及使用年限,具有明显的经济效益。     

地源热泵技术讲座(四)地埋管地源热泵系统

1 地埋管换热器的分析 (1)地埋管换热器的传热 地埋管地源热泵系统利用地埋管换热器与岩土体进行热交换.地埋管换热器设计是否合理,决定着系统的经济性和运行的可靠性.地埋管换热器由埋于地下的密闭循环管组构成.根据管路埋置方式不同,分为水平埋管和竖直埋管2种.水平埋管投资少、施工简单;竖直埋管占地少、换热性能稳定.竖直埋管的研究与应用远远多于水平埋管.     

西安地区地源热泵项目运行分析

不同运行方式对地源热泵系统的长期稳定性有着重要作用。以西安地区为例,建立了双U型地埋管换热器三维传热模型,模拟了不同运行方式对单孔和群孔换热器换热特性的影响。研究结果表明：地源热泵管群系统应间歇运行,每天最大负荷工况下连续运行不超过8 h;年总供冷热量差值控制在10%内,以便土壤温度恢复;3年和10年土壤温差分别控制在1℃和3℃内,以保证地源热泵系统长期供能效果。     

地源热泵间歇运行下土壤热湿迁移的实验研究

建立地埋管换热土壤热湿迁移过程的实验装置,对地源热泵间歇运行时不同进口流体温度及不同土壤体积含水率下土壤温湿度场的变化特性进行实验研究。实验结果表明∶间歇运行时,入口流体温度的升高会使土壤温度最大值升高,但不利于土壤温度的恢复,土壤体积含水率的增加在一定程度上有利于地下换热和土壤温度的恢复。系统开机后存在土壤温度上升的主上升区,此区温度增幅超过65%,关机后第18小时土壤温度基本恢复至初始温度;系统关停后在温湿度梯度的作用下会出现温度和含水率最大值后移的现象,热源对土壤温度和含水率的作用半径约为280和375 mm;开停比为1∶2时温湿度较1∶1能恢复得更低,合理设置停机时间有利于机组长期有效运行。     

基于最小熵产的地埋管换热器优化设计研究

对于地埋管换热器,综合考虑传热性能和消耗的功率,建立管内流体的熵产模型。考虑两支管间热短路影响,确定流体沿管长的温度分布。以最小熵产为目标,根据沿埋管深度的温度分布,在不同换热负荷条件下,确定地埋管换热器的最优长度和管径随流量的变化关系,换热负荷确定时,埋管的最优管长随流量增加而减小,地埋管的最优管径随流量的增加而增大。在流量一定的条件下,埋管的最优管长随换热负荷的增加而增加,最优管径随换热负荷的增加也相应增大。以青岛市某实验室土壤源热泵系统为例,分析最优长度和管径对换热效能及系统性能的影响。     

软土地区竖直地埋管换热器参数与换热性能分析

地埋管换热器是土壤源热泵系统的关键部件,选择合理的设计参数是对土壤源热泵系统工程进行优化设计的基础。依托上海市典型地质条件建立单U垂直地埋管换热器三维非稳态传热模型,分别分析了上海市地质条件、换热器结构、循环流体、运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并通过回归分析得到地埋管换热器换热效率的变化率与主要影响因素的关系式,使各影响因素的敏感度得到量化,对于影响地埋管换热器换热性能的参数,根据影响程度由大到小依次为循环水平均温度、原始地温、换热孔深度、岩土体导热系数、回填料导热系数。研究结果为土壤源热泵系统的实际应用提供参考。     

土壤源热泵间歇运行特性及地温恢复规律研究

通过土壤源热泵系统夏季工况实验,获得了热泵机组耗功量、土壤换热量、机组的性能系数以及热泵运行前后地下埋管周围土壤的温度分布数据。在实验的基础上,探讨了热泵系统间歇运行时间以及土壤温度的恢复率对热泵运行性能的影响。实验结果表明:同一埋管深度处,机组的运行时间越长,土壤短期内可恢复的可用稳定温度越高,且需要的稳定恢复时间也越长。     

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%。     

地源热泵系统夏季制冷间歇运行特性实验研究

对实际运行的地源热泵系统夏季制冷间歇运行特性进行实验研究,分析比较不同间歇运行方案下得到的热泵机组性能和地埋管换热性能。研究结果表明:相比于负荷侧流量,地源侧流量对机组性能和地埋管换热性能的影响较大;在流量设定的条件下,采用开机运行2 h停机2 h运行方案机组的性能最好,机组最大性能系数(COP)值可达到4.17,比运行4 h停机2 h机组的COP值高出7.5%;在停机2 h的情况下,机组开机2、3或4 h,地埋管的换热能力均可得到恢复,停机前后埋管的平均换热量基本保持平衡。