土壤源热泵单U型埋管换热器短期运行换热分析

单U型管是当前土壤源热泵系统广泛使用的地下换热器形式,而地下换热器是地源热泵系统的重要组成部分。考虑U型管的实际形状,借助数学方法和数值分析软件,建立了地下垂直埋管换热器传热模型,并通过编程求解数学模型,得到了系统短期运行不同工况下埋管周围土壤的温度场分布情况。通过分析得出土壤导热系数、土壤比热、钻孔回填材料导热系数以及U型管间距的大小对埋管的换热性能具有直接影响。得出的结果可为合理设计地下埋管换热器提供参考。     

回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究

在天津地区开展了3种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究,获得了地下换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线,并对该3种回填材料下的实验结果进行了比较分析.实验结果表明,地下换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律.随着回填材料导热系数的增加,可以显著减小钻孔内的导热热阻,这有利于改善粘土质土壤与埋管换热器之间的传热性能,提高地源热泵系统运行的稳定性.     

U型埋管换热器及其周围土壤非稳态传热的数值分析

针对地源热泵U型换热器埋管、周围回填材料及土壤传热过程,建立了将U型管壁的边界换热取为第三类对流换热条件的二维非稳态传热模型,并对其温度分布进行了数值模拟分析．分析结果表明：U型埋管换热器管壁内对流换热热阻和管壁导热热阻对U型埋管换热器及其周围土壤非稳态传热过程的影响较小,但相互热干扰造成进、出水管壁自身各角度的温度存在明显差异．各处土壤温度达到准稳定阶段所需要的时间随其与U型埋管的距离增加而增加．     

地下水对地埋管换热器换热性能的影响分析

在唐山地区测试了3组不同含水层条件下的地埋管换热器动态换热特性,初步获得了单位井深换热量随地下水流动状况的定量变化规律.结果表明,地下水流动会不同程度影响热响应试验结果.随着地下水流速增大,钻孔附近岩土的平均导热系数会呈增大趋势.随着地埋管换热器与地下水接触长度的增加,钻孔平均导热系数呈增大趋势,同时单位井深换热量也呈明显增加趋势,这对于减小富水性较强地区地埋管换热器系统的建设成本具有实际的应用价值.     

地源热泵U型埋管换热器动态传热特性的数值分析

针对垂直U型换热器埋管及其周围回填材料和土壤传热过程,建立了将U型管壁的边界换热取为第三类对流换热条件的二维非稳态传热模型,并对处于土壤恒温区某一深度的动态传热特性,尤其是热流规律进行了数值模拟研究.分析结果表明,各处瞬时热流随时间推移存在不规则情况阶段、正常情况阶段以及准稳态阶段.各处进入准稳态阶段的时间主要取决于回填材料和土壤的热扩散系数,而准稳态阶段热流变化规律仅与导热系数有关,这对土壤导热系数现场测试具有重要的理论指导意义.     

不同方式地下埋管换热器的实验研究

埋地换热器换热性能是地源热泵设计基础,针对不同埋管方式埋地换热器建立了砂石回填单 U 型、双 U 型井埋管和混凝土回填单 U 型井埋管的单井实验系统,开展埋地换热器单井的换热性能实验研究。研究了不同的土壤物性、回填材料、埋管数量和运行工况下单井换热器换热性能。     

分层渗流条件下地埋管群换热特性研究

使用三维CFD（计算流体力学）方法对有地质分层和地下水渗流的竖直U型地埋管群模型进行数值求解。最终得到不同渗流速度、不同土壤孔隙率、不同管内流速和不同渗流方向下地埋管群的总换热量和土壤温度分布云图,并且分析了它们对地埋管群换热性能的影响。结果表明,地下水渗流对地埋管群换热器的换热性能影响显著,渗流速度越大地埋管群换热性能越好。但是随着渗流速度增加,管群的换热增幅会降低;土壤孔隙率越大,地埋管群换热性能越弱;管群换热量随着管内流速的增加而增加;相对于垂直方向渗流,对角线方向渗流会加大地埋管群的换热性能,因此管群布置优化有利于提高地埋管群的换热性能。     

影响竖直地埋管深度的因素分析

《地源热泵工程技术规范》尚未对地埋管换热孔深度做出具体要求,通过建立三维数值传热模型,计算了不同深度时的传热情况,分析各种因素对地埋管换热器深度的影响,认为换热管内的流体流量为影响换热孔深度的一个重要因素,地温梯度、回填材料热物性和管道间距也对不同深度换热孔的换热能力产生了一定影响。因此在实际工程中,需要将换热孔深度加大时应相应提高管内流体流量,并合理加大换热管尺寸。     

影响地埋管换热器侧换热量因素分析

利用线热源模型,结合约束最优化方法,使用河北工程大学自主研制的岩土热物性测试仪,测试并计算出石家庄市正定区岩土综合导热系数和地埋管侧换热量值。根据测试结果,分析实验中的测试时间、地埋管内进出口水温平均值、测试功率等因素对地埋管换热量的影响。测试结果表明：20 h后,测试计算出的岩土综合导热系数趋于稳定;岩土综合导热系数、地埋管内进出口水温平均值、测试功率对地埋管侧换热量值有影响,且影响依次减少。     

基于多极理论传热模型的垂直U型地埋管传热特性研究

地埋管循环介质出口温度不仅仅反映了地埋管的换热能力,同时极大地影响着热泵主机的运行效率,是地埋管换热过程的一个重要能效特性参数,可通过引入能效系数来反映。文基于地埋管轴向流动多极理论传热模型对不同的回填材料物性、支管间距、地埋管埋设深度、土壤物性、管内循环介质流速条件下地埋管传热过程进行动态模拟和分析,得出了各重要特性参数的变化对U型地埋管传热能效的影响规律,可为土壤源热泵地埋管换热器的设计提供参考。     

基于CFD技术的双U型地埋管换热器传热热阻

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.     

Numerical simulation on heat transfer performance of vertical U-tube with different borehole fill materials

Heat exchange performance of vertical U-tube heat exchanger was studied with two different borehole fill materials and CFD software. Borehole surface temperature and water temperature distribution were simulated on the condition of continuous operation for 8 h in winter with inlet water temperature being 10 ℃. The results show that there is no obvious difference on heat exchanger performance between the two different borehole fill materials.     

土壤源热泵地埋管换热实验研究

在不同的钻井和埋管结构中,利用实验装置及测试系统运行不同地埋管进水温度、进水流速等数种工况,根据土壤源热泵地埋管实际运行的测试结果讨论地埋管进水温度、流量、埋管类型、钻井深度以及运行方式对单位井深换热量的影响。实验表明,提高进水温度、流量、钻井深度以及选择合适的埋管类型可增强地埋管换热能力,间歇运行方式能够最大程度利用土壤蓄能特性,使地埋管始终能够高效换热,相比连续运行提高了33．9％,但进水温度、流量和钻井深度不能无限增大,其大小的选择需要考虑土壤源热泵主机运行性能和经济性。     

回填料对地埋管换热器性能的影响

采用了地埋管换热器三维非稳态耦合传热的物理数学模型,针对实际的地埋管结构和热响应测试工况进行了相应的数值模拟。将模拟计算结果与TRT热响应测试结果进行了比较,验证了所建模型的正确性。在此基础上。考察了地埋管换热器回填料导热系数及比热等物性参数对地埋管换热器性能的影响关系,为热响应测试以及工程设计提供有益的理论指导。     

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．     

高温热管翅强化管内换热的数值模拟

将高温热管翅作为翅片强化换热的设备,可以大大地提高换热器的传热能力。为预测高温热管翅强化传热性能,推动高温热管翅的开发与应用,将12根高温热管翅的冷凝段排成2排置于管道内组成换热设备。运用FLUENT软件,选用TGrid网格技术方法、k-ε湍流模型、SIMPLE压力-速度耦合方法对该换热设备进行数值模拟计算。数值模拟结果直观地表征了高温热管翅强化管内换热的温度场、速度场以及对流换热系数场;表明管道换热设备内因为有了高温热管翅,流动速度加大,表面换热能力加强。第1排热管翅的换热系数高于第2排热管翅的换热系数。随流量的增加,对流换热系数增大。数值计算结果与实验结果进行比较,表明理论值与实验值的基本趋势相吻合。     

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.     

竖直地埋管换热器多个钻孔地层热阻计算方法

为解决国家规范中关于多个钻孔热干扰下的地层热阻计算问题,针对竖直地埋管换热器系统,提出了矩形阵列钻孔布置中不同参考钻孔下的地层热阻数值计算方法,并通过算例模拟分析研究了不同钻孔布置形式以及不同钻孔间距情况下的地层热阻分布.结果表明:规则矩形阵列钻孔布置的中心位置地层热阻最大,且布置形式越趋近正方形,钻孔间距越小,地层热阻越大;而不规则矩形阵列钻孔布置的最大地层热阻位置会根据未布置钻孔点位发生相对偏移,但偏移量可忽略.研究成果可为竖直地埋管换热器设计提供理论参考.