地源热泵系统的模拟与设计

总结了近年来地源热泵系统的模拟和设计方面的研究和进展。首先给出了地源热泵系统各部件建模方面的进展 ,包括竖直埋管地热换热器、单井循环系统以及在地源热泵混合系统中采用的几种辅助散热装置。其次 ,讨论现场测定深层岩土热物性的技术。第三 ,介绍竖直埋管地热换热器的设计方法。最后 ,给出在设计地源热泵系统中采用系统模拟的几个应用实例     

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.     

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.     

闭环地源热泵系统设计研究

闭环地源热泵系统与传统空调系统的区别在于增加了地热换热器，因此地热换热器的合理设计是提高热泵系统效率和经济性的关键。文章介绍了地热换热器的形式，提出了竖直埋管地热换热器的传热模型、设计方法以及地下环路循环泵的选择方法．     

垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型及简化计算

讨论了垂直埋管地源热泵地热换热器的传热模型,采用拉普拉斯变换法,给出了一维圆柱面模型的解析解。将该解析解与目前常用的线源模型解做了比较,指明当傅里叶数较大时,线热源的解趋向于圆柱孔的解,可以较好的模拟地下传热过程,而在傅里叶数较小时,线源模型解相比于圆柱模型解,有一定的时间延迟,误差较小;与常热流半无限大平壁解的比较,得到了小傅里叶数时该解析解的近似公式,该近似公式适用于工程应用,算法简单可靠。     

垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型及简化计算

讨论了垂直埋管地源热泵地热换热器的传热模型,采用拉普拉斯变换法,给出了一维圆柱面模型的解析解。将该解析解与目前常用的线源模型解做了比较,指明当傅里叶数较大时,线热源的解趋向于圆柱孔的解,可以较好的模拟地下传热过程,而在傅里叶数较小时,线源模型解相比于圆柱模型解,有一定的时间延迟,误差较大;与常热流半无限大平壁解的比较,得到了小傅里叶数时该解析解的近似公式,该近似公式适用于工程应用,算法简单可靠。     

地源热泵土壤热物性测试与分析

运用恒热流测试原理自主研发了岩土热物性测试仪,通过现场测试的方法,调整加热管的加热功率、埋管中循环水流量、埋管进出口水温随时间变化规律,利用线热源理论确定了地下岩土的热物性参数。实验表明,土壤初始温度的测量精度对于提高土壤的导热系数是至关重要的,在未扰动的土壤温度以及给定PE管材的条件下,测试时间为50小时左右时,土壤导热系数逐渐趋于稳定,收敛于3.109 W/(m.℃),整个测试过程平均导热系数为3.489W/(m.℃),该结果为地源热泵系统的准确设计提供了依据。     

地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述

介绍了地源热泵地下换热器模型发展的过程和现状, 并给出了几种典型的模型形式。     

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.     

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.     

岩土地下换热器热泵系统长期运行状况预测分析

在岩土地下换热器G函数理论的基础上,建立地源热泵热力系统模拟计算模型,提出了基于模型的系统长期运行状况分析方法。以严寒地区为例研究了近三年冬季供暖过程运行状况,模拟分析了地下换热器进、出口流体温度变化规律、热泵机组能效比和系统能耗特性,并与实测结果进行了对比。结果证明了模型及分析方法可行,可为进一步开展更广泛的预测分析提供有效途径。     

地源热泵系统U型埋地换热器的实验研究与优化分析

在对比几种地源热泵系统U型埋地换热器的理论计算模型的基础上，将短时间步温度反应系数模型应用于某小区办公楼的地源热泵系统，对埋地换热器进行了理论分析，并给出了与实验值对比的结果．结果表明，短时间步温度反应系数模型可以较好地预测埋地换热器的换热性能，为地源热泵系统的设计与优化提供了依据。     

U型埋管地源热泵系统实验研究

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。通过对全年运行测试数据的分析,研究了地下换热器的进出水温差和平均温度,冬夏季地源热泵的吸(排)热量、制热(冷)量及循环性能,为地源热泵的工程设计提供了参考。     

地源热泵经济性研究

分析了对地源热泵空调系统进行经济性分析的必要性 ,进而结合地源热泵空调系统特点 ,提出了地源热泵空调系统负荷计算、方案设计、初投资计算、运行费用计算的方法 ,并利用工程实例进行计算 ,分析结果并提出展望。对地源热泵空调系统的开发应用具有一定参考价值     

地下蓄能及其对地热泵系统的作用

着重论述了地下蓄能(UTES)技术发展现状和所面临的问题,包括传热机理的研究,复杂地下环境下不稳定传热的特性以及UTES系统的控制策略等。通过地源热泵系统的竖直钻井中传热的实验和模拟计算,对蓄能的传热作用进行了分析和探讨。结果表明蓄能改变地下蓄能体的能位,并表现为蓄能体温度和分布的变化,这种变化随时间而改变。建议通过模型分析结合实验研究来进一步完善地下蓄能研究工作,推动中国地下蓄能技术的发展。     

直膨式地源热泵单U埋地换热器传热数值模拟

针对直接膨胀式地源热泵单U埋地换热器的传热特性,建立换热器及周围土壤温度场的数学物理模型.模拟计算分析制冷剂进口温度、钻孔几何尺寸与回填材料等因素对单U埋地换热器周围土壤温度的影响.研究结果为合理设计直接膨胀式地源热泵提供了理论参考.     

中国地源热泵发展中的障碍及政策分析

以地热埋管换热器为研究对象,对换热器各环节热阻进行了数值模拟. 模拟利用Fluent软件,建立双U型埋管换热器二维模型,并对钻孔内外各传热过程进行数值模拟. 将模拟结果与理论计算结果进行了比较,并讨论管间距半宽、PE管外径以及钻孔半径的变化对PE管内热阻、钻孔内热阻和钻孔外热阻的理论公式计算精度的影响. 结果表明:对于PE管内热阻和钻孔外热阻而言,其模拟值和理论公式计算值非常相近,而钻孔内热阻的理论计算公式精度较差,其计算值和模拟值之间存在较大偏差;且管间距半宽和钻孔半径对理论值与模拟值的相对误差几乎无影响,而钻孔内热阻的理论值与模拟值之间的相对误差会随着PE管外径的增大而变大.