中深层地热Ｕ型井地埋管换热器的试验研究

地热能作为一种非碳基能源,具有储量丰富、清洁可再生等特点,开发利用地热能有助于碳达峰的实现。在中深层地源热泵领域,我国主要以单井同轴管为主,而相对高效的中深层地热U型井地埋管案例屈指可数。为了了解中深层地热U型井地埋管换热性能及井下换热参数变化,完成了新型的Ｕ型井地埋管换热器工程,并在此基础上进行了实验研究。首先,开展了地温测量,确定了研究区的地层温度,根据热储的物性条件选取了水平井段及对接位置;其次,分析空载循环试验工况下循环水的流量及井下温度的变化情况,研究了负载工况下供回水温度、流量、换热量、不同井段对换热的贡献率、井下温度的动态变化、U型井的恢复能力等因素。实验结果表明,中深层Ｕ型井地埋管换热器井底温度会随运行时间增长而降低,流量大且回水温度较低的情况下,换热器的换热量比较高,最高为1336.8kW;回水井对换热量的增加有限,每百米增加0.12℃,实际工程中可以考虑减小口径,降低建设费用。U型井地埋管换热器的地温恢复能力较强,停止运行24h左右井底温度与初始温度差为-13℃。研究结果有助于研究人员对中深层Ｕ型井地埋管换热器有更进一步的认识,从而推动中深层地热能的健康可持续发展。     

地源热泵竖直埋管换热器的设计

本文论述了地源热泵竖直埋管换热器的设计方法,重点阐述了地热换热器各部分的设计要点,主要包括地热换热器设计中的类型选择、平面布置、埋管的管径与长度、埋管的连接方式、回填材料及循环液的选取等。     

中深层地源热泵系统研究进展

地热能作为可再生能源,具有能源分布范围广、运行稳定等优势。地热能供暖系统的应用离不开热泵技术。中深层地源热泵系统能够克服浅层地源热泵土壤热失衡问题,且具有出水温度高、能效高等优点。通过综述中深层地源热泵系统的研究现状,分析目前中深层地源热泵在研究和应用中的不足,并指出中深层地源热泵未来的研究方向。     

竖直埋管地热换热器的设计

为优化地热换热器的设计，利用地源热泵地热换热器设计专用软件，结合实际工程，对竖直U型埋管地热换热器设计的不同方案作了比较，对主要影响因素进行了分析，从技术和经济两方面阐明了地热换热器设计时应考虑的主要因素及设计方法。     

中深层地热地埋管实际运行影响因素研究

为研究中深层地热地埋管运行的影响因素,分析西咸新区中深层地热地埋管供暖系统的长期运行结果,并结合关中地区地质数据,建立深度为2510 m的中深层地埋管换热器全尺寸模型,采用数值模拟法研究实际岩层分布下地埋管的运行、结构和材料因素对其取热能力的影响。结果表明,西咸新区某项目1号地埋管和2号地埋管两个地埋管,其平均取热功率均在310 kW以上,具有优良的取热能力。地埋管进水温度随季节变化明显,并引起用户侧负荷及热泵回水温度的波动。在结构方面,随内管径由63 mm增至125 mm,平均出口水温和换热功率分别降低1.9%和4.8%,但内管径过小将影响内管运行的安全性,综合安全和换热两方面因素,最佳内管径应选取ϕ110 × 10mm规格;随外管径由168.3 mm增至244.5 mm,平均出口水温和换热功率分别增加3.5%和9%,综合成本和换热两方面因素,最佳外管径应选取ϕ 177.8 × 19 mm规格;在运行方面,地埋管出口水温随着流量的增加而减小,换热功率随着流量增加而增加;出口水温随着进水温度的升高而上升,换热功率也随之减小。在材料方面,减小内管导热系数和增加固井材料导热系数均能增加地埋管出口水温和换热功率,考虑换热功率变化和成本因素,在工程中导热系数为0.42 W/（m∙K）的内管和导热系数为3 W/（m∙K）左右的固井材料。     

中深层套管式地埋管换热器非采暖季蓄热模拟研究

基于建立的数值计算模型,对中深层地埋管换热器采暖季取热和非采暖季蓄热过程进行模拟,探究系统温度场变化,计算管道水温和管底岩土温度,并对不同蓄热工况下管道进口水温变化进行对比分析。计算结果表明,当管底温度低于热水回灌水温时,回灌效果较好,回灌后名义取热量增加,同时进口水温的下降趋势放缓。     

某小区地源热泵地埋管换热器的测试与计算

地源热泵系统的关键部分在于地下换热系统,由于地下岩土热物性参数的不同,使得地埋管换热器的换热能力有较大差异,这将直接影响到整个系统的使用效果和工程造价。文章以线热源理论为依据,对某实际工程项目进行岩土热响应测试,并计算相关的热物性参数,同时提出了一种工程简化算法,该算法综合考虑了岩土热物性测试结果与建筑物的负荷特点,其计算结果可以作为工程设计的依据。     

螺旋埋管地热换热器的线圈热源模型及其解析解

在建筑物既有的桩基础中埋设PE管作为地源热泵系统的地热换热器,可降低系统的占地面积和初投资,正成为地源热泵研究和应用的新热点.以桩基埋管地源热泵系统的工程应用为背景,对螺旋埋管地热换热器的非稳态传热模型进行了分析讨论,提出了考虑螺旋埋管在深度方向温度分布和节距影响的线圈热源模型.采用格林函数法和虚拟热源法,分别求得无限长和有限长线圈热源模型的非稳态温度场的解析解表达式.以这些解析解为基础分析了模型中各参数对螺旋埋管换热器换热性能的影响.     

地埋管换热器分区运行对土壤热堆积特性影响的研究

为了缓解埋管区域土壤的热量堆积问题,提出了埋管换热器按内中外、块状、间隔三种分区运行的策略,利用CFD软件建立了10×10的井群换热模型,对地源热泵系统在三种分区与不分区运行策略下运行十年进行数值模拟,分析不同分区运行策略对土壤温度分布和土壤热堆积特性的影响。模拟结果可知:不分区、内中外分区、块状分区、间隔分区四种运行策略下埋管区域的平均温度分别为25.23、23.31、23.06、23.28℃,最高温度分别为40.62、32.77、40.65、38.93℃;分区运行较不分区运行可以有效缓解热堆积作用,埋管区域整体温度较不分区运行时降低了2.00℃左右,内中外分区策略可以显著缓解埋管区域热堆积。     

太阳能-地源热泵系统双地埋管群利用方式研究

以天津地区一项太阳能地源热泵系统工程实例为研究对象,针对其太阳能储热利用率较低的问题提出了将其两个地埋管群互通互联的解决方案。通过对每个系统进行20年的模拟预测,发现采用了互通互联的两个系统储热利用率较原系统有所增加,系统COP得到了提升。双机组双地埋管群系统运行20年的平均COP可达3.54,单机组双地埋管群系统运行20年的平均COP可达3.36,分别比双机组独立地埋管群系统提高7.9%和2.4%。双地埋管群的改造方案的优越性明显,为太阳能地源热泵系统的应用提供借鉴。     

A study on utilization of ground source energy for space heating using a nanofluid as a heat carrier

Ground source heat pump (GSHP) systems are well established as an energy-efficient space conditioning device. However, for better utilization of the ground source, improvement in GSHP performance is desirable, which limits the small temperature difference between the ground and the circulating fluid. In this study, efforts have been made to investigate the performance of a ground heat exchanger (GHX) with a nanofluid as a heat carrier. Mathematical modeling is performed for the closed-loop vertical U-tube GHX with six different (Al₂O₃, CuO, graphite, multiwalled carbon nanotube, graphene, and Cu) water-based nanofluids. The effect of different operating parameters on GHX length, fluid temperature, and pressure drop with nanofluids is determined. On the basis of the analytical results, it is found that the graphite particle-based nanofluid plays a prominent role to enhance the performance of the GHX as compared with other nanoparticles. The maximum enhancement in the increase in outlet fluid temperature and reduction in pipe length with graphite particle-based nanofluid are 68.3% and 63.3%, respectively, for an increase in temperature difference from 7°C to 15°C between the atmosphere and the ground. Also, with the graphite particle-based nanofluid and the increase in pipe diameter from 20 to 50 mm, the fluid outlet temperature increases up to 11.2%, and the requirement in GHX length reduces up to 55%.     

地源热泵竖直埋管的有限长线热源模型

对地热换热器竖直埋管的非稳态传热模型进行了分析讨论。采用虚拟热源和格林函数法给出了半无限大介质中有限长线热源产生的非稳态温度场的解析解表达式。与稳态温度场的解进行比较,讨论了温度场达到名义上的“稳态”所需的时间,同时对于达到稳态时的温度场也进行了分析,指出了现行教科书中关于该问题的错误,提出了稳态时两个地热换热器孔壁代表性温度的定义,并对两者进行了比较,进而给出了可供工程应用的简化计算公式,并对两者进行了比较,进而给出了可供工程应用的简化计算公式。基于以上分析,进一步讨论了全年冷热负荷不平衡对地热换热器长期性能的影响。     

基于预测的复合地源热泵系统控制方法实现

在冬冷夏热且夏季冷负荷远大于冬季热负荷的地区常采用带有冷却塔的复合式地源热泵系统,其控制策略存在极大的优化空间。文章提出了直接比较冷却塔和与土壤换热器相连的板式换热器的出口温度的控制方法,并通过人工神经网络预测板式换热器机组侧的出口水温来实现此控制方法。通过FLUENT软件建立复合式地源热泵系统动态数值模型,获取建立神经网络的数据,采用3层BP网络,建立了多个预测板式换热器机组侧出口温度的模型。研究结果表明,采用神经网络可以准确实现此预测,绝对误差不超过0.4℃。     

土壤源热泵竖直埋管换热器钻孔外传热模型综述

介绍了土壤源热泵竖直埋管换热器钻孔外的传统的无限长线热源模型,无限长圆柱模型,有限长线热源模型以及改进后的热湿传递的线热源模型,变热流的线热源模型,土壤分层的线热源模型。分析了各种模型之间的联系、区别以及优缺点。提出了完善土壤源热泵竖直埋管换热器钻孔外传热模型需进一步研究的内容。     

An experimental study of a direct expansion ground‐coupled heat pump system in heating mode

In this paper, an experimental performance evaluation of a direct expansion ground‐coupled heat pump (DX‐GCHP) system in heating mode is presented. The DX‐GCHP uses R134a as the refrigerant, and consists of three single U‐tube copper ground heat exchangers (GHEs) placed in three 30 m vertical boreholes. During the on–off operations from December 25, 2007, to February 6, 2008, the heat pump supplied hot water to fan‐coil at around 50.4°C, and its heating capacity was about 6.43 kW. The energy‐based heating coefficient of performance (COP) values of the heat pump and the whole system were found to be on average 3.55 and 3.28 at an evaporating temperature of 3.14°C and a condensing temperature of 53.4°C, respectively. The second law efficiency on the DX‐GCHP unit basis was around 0.36. The exergetic COP values of the heat pump and the whole system were obtained to be 0.599 and 0.553 (the reference state temperature was set equal to the average outdoor temperature of ?1.66°C during the tests), respectively. The authors also discussed some practical points such as the heat extraction rate from the ground, refrigerant charge and two possible new configurations to simultaneously deal with maldistribution and instability of parallel GHE evaporators. This paper may reveal insights that will aid more efficient design and improvement for potential investigators, designers and operators of such DX‐GCHP systems. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

竖直双U型埋管地热换热器支管间热短路分析

采用地热换热器准三维传热模型和数值计算的方法,对竖直双U型埋管地热换热器支管间的热短路进行了分析,讨论了管间距和回灌材料的导热系数对热短路的影响,并提出了减少热短路的措施。     

地源热泵垂直埋管的传热模型及计算

建立了垂直埋管地源热泵地热换热器的传热模型,采用有限差分法建立了垂直U型埋管换热器瞬态传热模型的解析解;并且在不同的工况下进行实验测试,与模拟结果进行了对比,结果表明模拟与实验能较好地吻合,从而使模型的正确性得到了验证。可为地源热泵的设计和运行提供理论指导。     

竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析

准三维模型为竖直埋管地热换热器的结构优化提供了较为精确的理论基础。利用准三维模型对竖直埋管地热换热器进行分析与研究得出，不同的行程布置对双U型埋管地热换热器的传热性能有较大影响。就钻孔内热阻的对比，双U型埋管比单U型埋管钻孔内的热阻低，因而双U型埋管地热换热器较单U型埋管地热换热器更为合理。     

U型波纹埋管对于增强土壤源热泵换热性能的研究

为了增强土壤源热泵系统地下埋管换热器的换热性能,通过CFD方法,探讨改用波纹管对地下换热所产生的影响,首次提出采用波纹管代替光管作为强化地下埋管换热器换热效率。