渗流条件下地埋管换热器热短路现象的数值研究

针对渗流条件下地埋管换热器受到热短路影响,导致夏季埋管出口水温上升以及换热量减少的现象,采取在进出水支管间加装隔热板的措施进行优化。通过对单U型地埋管换热性能的数值模拟,对比分析了加装隔热板前后的传热过程,并深入研究了隔热板的几何尺寸和安装位置对换热量的影响。结果表明：加装隔热板可有效抑制地埋管换热器的热短路现象,提高换热能力;隔热板宽度为120 mm时,U型地埋管换热器换热性能最优;隔热板高度取50 m时,换热器单位井深换热量最大,达到44.703 W/m;将隔热板安装在两支管中心向出水管侧偏移2 mm处,换热效果最佳。     

矩形直肋地埋管换热器换热特性模拟分析

为强化地源热泵系统竖直地埋管换热器换热性能,设计了一种矩形直肋地埋管换热器,建立了矩形直肋地埋管换热器地下传热模型,利用Matlab软件模拟分析了直肋地埋管结构参数、运行参数对单U型和双U型地埋管换热器换热性能的影响。结果表明:当入口水温32℃,流速0.6 m/s,埋深100 m时,8片直肋单U型与双U型PE地埋管的单位埋深换热量与光滑管相比,分别提高了19.12%和18.28%。根据矩形直肋地埋管各参数与单位埋深换热量的相关性分析,肋片高度和肋片个数对换热性能的影响最为显著。     

不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

相比传统钻孔埋管换热器地热采集技术,不断优化的能源桩技术在建筑节能工程应用中更具高效及经济优势.根据深层埋管型能源桩、桩内埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器3种不同地埋管换热器的结构特点,通过现场试验及数值模拟分析3者换热特性.结果表明,相同埋深下,深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器;相同桩长下,深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩;桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果,深层埋管型能源桩的井-桩段换热比达到1.95;深井的设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰,还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.研究表明,通过优化换热器施工工艺,降低换热管间的热干扰效应,可有效提高换热器整体换热效果.     

苏州某地源热泵项目竖直地埋管岩土热响应试验与分析

以苏州地区某地块项目地源热泵工程为依据,采用恒热流方法对现场单U和双U型地埋管分别进行了岩土热响应试验. 通过该试验获得了该项目现场地质情况和岩土体热物性参数,同时计算出各种工况下地埋管换热性能并进行分析,得出该地区的地下土壤平均导热系数为2.02 W/(m·K),双U型地埋管换热器比单U型地埋管换热器的换热性能约高15%.     

基于TRNSYS的双U型地埋管换热影响因素分析

针对水平式埋管占地面积大、换热效果差及竖直式埋管初期投资高、施工难度大的现状,基于TRNSYS建立地源热泵双U型地埋管换热器瞬态仿真模型。在保证研究变量为唯一变量的条件下,通过仿真计算分析地埋管不同钻孔数、不同埋管深度以及不同孔间距对地埋管换热器性能的影响,模拟试验结果表明:增多钻孔数、加深钻孔深度、增大钻孔间距均可提高地埋管换热器的换热效果。本研究为地埋管换热效果与施工难度的平衡提供分析依据。     

地源热泵垂直埋管换热器埋深优化研究

工程设计中常采用垂直深埋换热器的方式保证地源热泵系统的单井换热量,而实际应用中部分深度埋管换热效果不佳,造成了系统工程经济性下降的问题.首先以现场热响应实验法为基础,研究了垂直埋管换热器的换热性能,发现垂直埋管换热器随埋深变化呈现三个特征不同的换热段,且在近地段内存在热短路与热堆积现象;其次提出了以换热高效段截止深度作为垂直埋管换热器埋深的优化方法;最后结合实际工程案例,论证了系统工程经济性的提升.     

双U型地埋管换热器模型的建立及实验验证

地埋管换热器与土壤的换热状况,直接影响到土壤源热泵系统的运行性能.因而建立恰当的地埋管换热器模型,对埋管与土壤的传热研究至关重要.根据钻孔内外传热的不同特点,建立了钻孔内准三维稳态导热数学模型和钻孔外二维非稳态导热数学模型;并以钻孔壁为纽带,将内、外模型组建成完整的地埋管换热器模型.进而利用Ansys有限元法建立其物理模型并进行求解.通过热响应实验,充分验证了该模型的可靠性.这为建立土壤源热泵系统模型,模拟系统长期变负荷工况运行下土壤热堆积情况奠定了坚实基础.     

基岩地区地埋管换热器传热特性的测试研究

在山东省威海市环翠区测试了4组基岩地层条件下不同类型地埋管换热器的换热特性,获得了单位井深换热量的变化规律及其影响因素.结果表明,基岩地层条件下地埋管换热器的传热性能明显优于常见的第四系钻孔换热器.地下水流动不明显时,双U形DN25地埋管换热器的单位井深换热量与单U形相比平均偏高约33%.当地下水流动强烈时,单位井深换热量会出现较大程度的增加,同时地埋管换热器周围地区的地下水开采状况也会影响地下水流动的强化换热效应.     

一种基于管群G函数的埋地换热器间距确定方法

建立了垂直U型埋地换热器管群G函数的理论计算模型,并基于Monte Carlo算法进行了数值求解.在此基础上,提出了一种直接确定埋地换热器间距的简化计算方法.该方法综合考虑了埋地换热器的长、短期换热性能,并可以推广至大规模管群布置条件.给出了上述方法的计算实例,并回归了一些典型U型埋地换热器结构布置条件下,管群G函数随无量纲运行时间的函数关系.     

分层土壤地下埋管换热器的一种优化方法

针对天津滨海新区100,m深土体分层的特点,根据分层土体内温度分布的数值模拟结果,分析了回填材料热阻与管间热阻相对大小的不同组合对换热器综合性能的影响.结果表明:由于埋管换热器中地下传热过程存在比较明显的“热短路”现象,换热管间垂直方向的热隔离能产生较明显的强化传热效果,从而提出了增加U型管管间热阻,以便提高埋地换热器换热性能的方法.     

土壤源热泵垂直钻孔群间热干扰数值模拟分析

通过建立物理、数学模型,利用Matlab中的PDE工具箱求解埋管周围的温度场分布状况,分别得出单个埋管在不同的时间段连续运行工况下的土壤温度场。再应用叠加原理得出钻孔管群的温度场,分析埋管的间距为3m、4m和5m时钻孔群间的热干扰及不同的孔间距、运行时间等因素造成埋管出口水温度的变化。随着运行时间的增加,钻孔中心温度逐渐升高,钻孔热作用半径逐渐增大,但是钻孔间距较大时,钻孔中心温度的变化很缓慢,说明钻孔热作用半径基本在3m以内。综合实际工程情况,钻孔间距取4.5m。     

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。     

地下连续墙内埋管换热器传热性能的试验研究

采用现场试验的方法对上海自然博物馆地下连续墙内埋管的传热性能进行了试验研究,分析了埋管布置形式、循环水流速、进水温度和运行模式对换热效果的影响.试验结果表明:地下连续墙内埋管的布置形式和传热性能都与传统的地埋管有较大的不同;混凝土水化热对地下连续墙体的温度有较大影响;增大埋管的支管间距可以提高其换热效果;在试验工况下的单组埋管合理流速为0.6～0.9m/s,;地下连续墙内埋管的换热量随进水温度呈线性变化;采用间歇运行的模式,可以提高热交换系统的换热量.     

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U型地埋管群传热特性模拟

为了探究不同因素对竖直U型地埋管管群传热特性的影响,以竖直U型地埋管周围土壤为研究对象,建立三维非稳态传热物理数学模型。在试验验证和单井的研究基础上,以1 a为研究周期,分析了地埋管管群排列方式、热泵蓄取功率比以及土壤类型对竖直U型地埋管管群周围土壤温度场分布的影响。研究表明：钻井间距一定时,地埋管排列方式对地埋管管群周围土壤温度场分布的影响很小;在热泵运行时间一定时,土壤热扩散系数越大,钻井间土壤温度重叠区域越大;土壤导热系数越大,土壤温度波动幅度越小;蓄取功率比越小,土壤热失衡越严重;对于冬季热负荷较大的地区,可以适当地提高热泵蓄取功率比。所建模型得出的土壤温度值与试验值吻合度较好,其最大误差为14.2%。     

添加隔热板对竖直U型地埋管换热器热短路的影响

采用FLUENT模拟软件,建立起U型地埋管换热器三维传热模型.分别模拟了有、无添加隔热板时的工况,对热短路进行数值模拟,分析了对地埋管换热器性能的影响.通过对比两种工况下的温度云图和出口温度监测图,证明了两支管间热短路现象严重,而且添加隔热板后,进出口温差变大可达3.94 ℃,可使单位井深换热量提升6.13%.     

地埋管换热器非稳态换热性能的实验研究

通过对一个土壤源热泵系统非稳态连续制冷工况运行情况的测试,总结了土壤温度、埋地管换热器进出口水温及换热性能随时间的变化规律,比较了3种换热器在非稳态连续换热过程换热性能的差异.对比实验结果发现,双U形管换热器单位井深换热能力最强,是单U形管的1.05倍,是套管的1.73倍.比较了这3种换热器管内的流动阻力.     

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。     

武汉与重庆典型地质结构下的地埋管换热性能

地埋管地源热泵换热器的换热性能受到不同地质结构的影响。以武汉和重庆地区的典型地质构成为边界条件,建立了三维地埋管的单孔双U管换热模型,通过模型计算,获得了两种地质条件下的地埋管换热性能,以重庆地区的地源热泵热响应测试结果以及工程运行数据出发,对模型的计算结果进行了验证,结果表明,模型吻合度较好,可以应用于工程分析。以模型为条件,进行地质结构对换热性能的影响度分析,预测了两地地埋管地源热泵的换热性能并计算得到换热器的平均换热系数分别为武汉地区K₁=1.65（W/m·K）,重庆地区K₂=1.51（W/m·K）。     

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．