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.     

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.     

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%.     

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。     

地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究

介绍了地源热泵的发展意义及前景, 参照国外地下埋管换热器岩土温度场的求解方法,采用线源理论及热阻网络分析方法建立了传热模型,提出了采用计算法确定大地初始温度并与实测值进行了对比。在建设的垂直埋管换热器试验装置上进行了单管、三管串联运行试验,为开发地源热泵技术提供了可供参考的数据。     

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.     

地源热泵U形地埋管换热性能及其影响因素分析

针对影响土壤源热泵U形地埋管换热性能的几种因素进行分析研究,得到U形地埋管物理特性与换热性能之间的内在联系,通过工程实验探索地下埋管换热性能及其主要影响因素,并通过实际工程测试,发现室内负荷和埋管循环水流量对地埋管与土壤的换热量影响较大,利用圆柱源传热模型进行理论分析,分析结果与工程实际吻合较好。     

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。     

套管式地下换热器传热模型及其特性分析

通过对套管式地下换热器传热过程的分析,在已有套管式地下换热器传热模型基础上,考虑管内流动和传热,提出了集管内流动与土壤导热相耦合的传热分析模型,并利用有限元数值计算方法进行了传热特性的分析。讨论了埋管管径组合和流体流速对流体出口温度及单位埋管换热量的影响。此外,还系统地研究了连续运行模式和可变负荷运行模式的地下传热特性,阐述了地下换热器高效运行的控制策略和影响。     

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。     

SGCHPS土壤热平衡及系统热量利用

为解决严寒地区建筑物热负荷远大于冷负荷而导致的太阳能-土壤源热泵系统(SGCHPS)供热性能逐年下降、以至于无法使用的问题,提出依靠太阳能季节性土壤蓄热来维持土壤热平衡、提高系统效率的方法.以严寒地区太阳能-土壤源热泵供热供冷示范工程为平台,进行了为期3 a的蓄热、供热、供冷长期实验.实验结果表明:在保证供热供冷效果的基础上,土壤温度呈现日周期和年周期变化,土壤保持了以年为周期的热平衡;太阳能在冬季供热量中占85%;在供冷季同时进行蓄热和供冷的2组土壤换热器(GHE)可根据换热功率分配其比例.土壤蓄热解决了严寒地区建筑物冷热负荷不平衡的问题,使系统能长期高效运行,并实现了全年太阳能的利用,节约了大量的常规能源.     

基于系统优化的岩土热物性确定方法

针对地埋管地源热泵系统设计中的岩土热物性确定问题,以竖直U形地埋管换热器的管式储热系统DST模型为基础,建立岩土热物性试验系统模型.通过系统模拟出的地埋管换热器进、出水平均温度与实测值的对比,以其差值的平方和为目标函数,利用系统优化的方法,对岩土的综合导热系数和热容量2个参数实施优化,确定出其最优值.通过具体算例,将优化算法确定的热物性参数应用于不同的地埋管换热器模型（有限长线热源模型、柱热源模型、DST模型）中计算埋管平均水温,并与试验结果进行对比,结果表明:应用DST模型确定的热物性参数对应的水温差值的平方和最小,且试验系统模型计算的地埋管换热量模拟值与试验输入值的最大误差为3.11%.     

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．     

制冷工况下水平埋管换热器运行试验研究

通过夏季工况的地源热泵运行试验,对运行过程中水平埋管的换热性能参数、试验场地周围气象因素和换热过程中土体的温湿度变化等因素进行实时监测,探讨了地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能及其周围土壤的温、湿度场变化规律。研究结果表明,地源热泵间隙运行有利于土壤温度场的恢复,随着停机时间的增加,水平埋管与周围土壤的热交换能力明显提高;气候变化对水平埋管周围土壤的温度场分布具有显著影响,随着埋深的递减,土壤温度受气候变化的影响越明显;水平埋管周围土壤温度的变化幅度随着与埋管距离的增加呈递减趋势,其影响半径为1.0m左右;热交换对水平埋管周围土壤湿度场的影响不明显,但大气降雨引起的地表水入渗对土壤湿度场的分布具有显著影响。     

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。     

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）。     

水平埋管周围土壤温度场数值模拟研究

建立了应用于地源热泵系统的水平埋管的传热数学模型,并采用 ANSYS 软件模拟了埋深为 3 m 的水平埋管在冬夏运行工况下周围土壤的温度场变化。根据选取的特定时间比较了单管和双管水平埋管在相同工况下周围土壤温度场,得出各自的影响半径,为水平埋管换热器的埋设提供了参考。     

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。     

抽灌同井季节性储能分析

为了探究抽灌同井季节性储能的可能性和潜力,采用经过现场试验验证过的数学模型对抽灌同井常年运行工况进行了数值模拟,并以抽回水温度为基础建立了季节性储能的定量分析模型.结果表明,由于热贯通的存在,前一个运行周期会对后面运行周期的抽水温度产生重大的影响,证实抽灌同井出现了明显的季节性储能现象.当负荷基本平衡时,逐年的抽水平均温度和储能比基本保持不变.对于北京地区夏冬运行模式,此时季节性储能提供了约73%的低位热量和24%的热汇.而当累积负荷不平衡时,热源井的抽水温度出现明显升高或降低,严重时使热源井失效.     

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%。