耦合强制对流井式土壤源热泵系统模拟研究

以耦合强制对流井式土壤源热泵系统为研究对象,以等效内热源理论为基础,建立了2U型埋管换热器及含水层热-质运移耦合模型。采用FEFLOW6.1计算软件,针对两类运行模式中粗粉砂含水层温度场分布规律及强制渗流过程对地埋管换热能力的影响开展了模拟研究;引入埋管换热器能效系数E,对地埋管能效特性进行量化分析。研究结果表明,含水层中的强制渗流过程可有效地缓解埋管井群区域土壤热失衡1现象,增加埋管进出口温差,提高单位管井换热能力。与单独使用埋管换热器工况相比,耦合强制对流井模式在第5年的排热、取热阶段,能效系数E分别提高了7.6%和4.8%。     

地下含湿岩土热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟

考虑了地下水的渗流作用和U型换热埋管的实际形状,建立了U型管地下换热器管内流体以及周围土壤热渗耦合物理数学模型.模型将土壤视为均匀的、各向同性的饱和多孔介质,土壤中水的渗流视为二维.管内湍流流动采用Realizable k-ε模型,数值计算采用Fluent软件.给出了管内流体以及周围土壤的温度分布数值模拟结果,分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响、U型管两支管的热短路作用及回填材料对土壤温度场的影响.所得结论对地下换热器的设计具有理论意义.     

饱和地层地埋管钻孔回填料的模拟与实验研究

基于饱和多孔介质热湿迁移模型,针对不同孔隙度、固体颗粒粒径的两种回填料-碎石和细砂与粘土混和物,对含水层中地埋管换热进行模拟和实验研究.结果表明,在地下水流速较高的砂砾型含水层中,热作用区域集中在来流下游;流速较低的粘土型含水层,不同回填料下的孔壁温差约24h可趋于稳定.据此,可将下游侧支管作为U型管入口以减少热响应测试期间两支管间的热短路,而采用对比实验,有利于在较短的测试时间内获得更准确的地层传热特性.无论是粘土型还是砂砾型含水层,采用孔隙度高、渗透性好的碎石进行回填,有利于钻孔内的对流换热.在饱和粘土层中,以碎石进行回填时,取热工况下单位井深换热量较细砂与粘土混和物回填提高5%～10%,排热工况下提高10%～15%.     

不同形式地埋管换热器运行性能影响因素研究

为研究单U和双U地埋管换热器运行性能的影响因素,运用能耗模拟软件TRNSYS建立地埋管换热器模型对其运行特性进行仿真模拟后,与实际工程数据对比,验证模型有效性,继而以换热器能效系数为评价指标,分别对钻孔深度、U型管两管间距和回填材料导热系数等影响因素进行分析研究,得到:双U地埋管换热器的单位延米换热量为106.72 W/m,单U地埋管换热器的单位延米换热量为86.39 W/m;适当增加钻井深度、埋管间距和回填材料导热系数对整体换热效果有促进作用,且在双U埋管情况下促进作用更显著的结论.     

垂直地埋管换热器的换热性能

为研究土壤源热泵垂直地埋管换热器的换热特性,对长沙地区一套土壤源热泵系统进行了夏季及冬季工况连续运行的实验,实时采集U型管进出口的水温、流量以及地温等数据。通过对所采集的实验数据进行处理分析,对比了不同工况、不同埋管形式、不同埋深条件下的地埋管换热器进出口温差及单位井深换热量,结果表明,无论是夏季工况还是冬季工况,双U型管的单位井深换热量比单U型管高25%～30%。     

导热型地温梯度场内的U型管式井下换热器

建立了一个描述“Ｕ”型管式地热井下换热器在导热型地温梯度内热性能的数学模型。该模型考虑了地下岩层的温度分布及岩层与其下面对流层的对流换热对“Ｕ”型管式地热井下换热器热性能的影响，并对井下换热器流体进口参数的变化，岩层热物性及温度剖面变化对热输出的影响进行了计算。     

地下土壤导热系数确定中影响因素分析

利用有限元热分析平台,建立了二维瞬态有限元模型,计算确定了竖孔U型管地下换热器周边的土壤导热系数,并着重对主要影响参数进行了比较分析.讨论了测量时间、土壤初始温度、土壤体积比热、回填料物性参数和管间距等因素对土壤导热系数的影响程度和敏感性.     

热渗耦合作用下U型埋管换热器的数值模拟

针对土壤耦合热泵地下U型换热埋管,建立了管内流体以及换热器周围土壤热渗耦合物理数学模型。所建模型考虑了U型管的实际形状,土壤考虑为饱和多孔介质,管内湍流流动采用R ea lizab le k-ε模型。采用F luen t软件对模型进行模拟计算,得到了管内流体以及周围土壤温度分布。分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响,并对考虑渗流作用时不同土壤物性对单根U型垂直埋管换热器周围土壤温度场进行了模拟计算与分析。     

地下水渗流条件下土壤蓄热性能的数值研究

为了研究地下水渗流条件下土壤的蓄热性能及其影响因素,建立了地埋管换热器与土壤的准三维热渗耦合传热模型,通过方程离散和编程求解,研究了地下水渗流条件下渗流速度、U型管管内水流量等因素对土壤蓄热性能的影响规律,对比分析了连续蓄热模式和间歇蓄热模式对土壤蓄热性能的影响,研究结果可为土壤源热泵系统的蓄热运行方式提供参考。     

单U形管型井下换热器的热量输出特性（Heat Extraction Characteristics of a Suigle U-Tube Downhole Heat Exchanger,田子真、盛田耕二、营原片洋、藤田忠和马渡慎吾，日本地热学会志，Vol．26，No．2（2004），107-120）

为了从浅层地热资源直接取出热量，已经提出了若干种井下换热器，如：热虹吸型热管、同心管热虹吸、井下同轴换热器和U形管井下换热器。其中，U形管井下换热器因为费用低和容易制造，在日本以及全世界都被广泛使用。目前，单U形管井下换热器的热量输出特性已经作了数值模拟研究。     

对流型地层内井下换热器实验模拟研究

采用3-5mm的饱和微珠玻璃球堆来模拟同轴管式井下换热器（DCHE）周围对流型地温地层，对其换热过程中温度分布及其变化、主要影响因素进行了实验研究，为利用同轴管式井下换热器开发地热资源提供依据。     

地热井内U型管换热器供热装置的理论分析

通过对等长对流增速Ｕ管井下换热器的分析，建立了理论模型，导出流动控制方程和增速管人口无混合流和有混合流时的环流控制方程，可确定环流器及有关温度参数。     

深层地埋管换热器换热性能模拟及稳定性研究

以深层地源热泵地埋管换热器为研究对象,对其换热特性进行数值模拟和实验研究。建立考虑轴向地温梯度的深层地埋管换热器传热模型并进行模拟计算,通过示范工程现场测试数据验证该模型的正确性。对深层地埋管换热器换热的性能稳定性进行研究,发现深层地埋管换热器连续长期运行及间歇长期运行下换热性能基本稳定。当按不同运停比运行时,岩土温度恢复效果良好。研究结果表明深层地源热泵有较好的换热性能及运行稳定性,为深层地热能的开发利用提供了新思路。     

熔盐单罐双盘管释热换热器布置方式优选

为了获得单罐内盘管换热器最佳的布置方式,利用数值计算的方法研究相同换热器面积不同盘管换热器布置方式对单罐蓄热系统释热性能的影响规律。结果表明,叉排双螺旋盘管换热器的释热性能优于单排盘管换热器,且内盘管高外盘管低（hi=90 mm,ho=174 mm）的布置方式换热器其释热功率、出口温度以及累计释热量最大。     

多孔介质层内同轴管式井下换热器的相似解

对多孔介质层内同轴管式井下换热器的自然对流传热过程进行了数值模拟。通过对井下换热器分段并依次在局部采用对流相似解法对其周围遵循Ｄａｒｃｙ定律的多孔介质层内自然对流过程进行了近似求解，得到了有关多孔介质层物性参数对井下换热器热输出影响的规律。     

井下换热器周围对流型地热储传热特性

采用Darcy自然对流传换模型分析了同轴管式井下换热器（DCHE）在对流型地热储中的换热物性，在假设井下换热器外壁温度变化与其高度成幂函数关系的基础上，建立了数学模型并得出了相似妥，为其进一步工程应用奠定了较好的理论基础。     

竖直U型埋管地下换热器的传热模型

以钻孔壁为界,将所研究的传热区域划分为土壤部分和钻孔内两部分.对于钻孔外土壤部分的传热过程,采用线热源理论建立非稳态模型进行分析讨论;在钻孔内,对一维模型和二维模型进行了对比,从而得出增强地下换热器换热的措施.     

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23～216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57～6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。     

中低温地热井下换热供热实验研究

通过对我国第一台地热井下换热器的实验研究，验证了作者提出的理论模型，并首次得到当地实验井混合比的实际数据，通过对当地疗养院病房的供热，证明该装置实用可靠。