地源热泵地埋管换热器传热研究(4):系统耦合运行特性

采取数值计算与解析计算相结合的方法,在构建地埋管换热器与地上机组耦合模型的基础上,研究了夏季变热流边界条件下单U形地埋管换热器与地上机组耦合运行的非稳态特性。分析了连续运行工况和间歇运行工况下地源热泵机组COP、单位管长换热量、埋管进出口流体温度及钻孔壁面平均温度随运行时间的变化规律。     

地埋管地源热泵热水供应系统运行性能的影响因素

建立了地埋管地源热泵热水供应系统实验平台,研究了环境温度、间歇/连续运行工况、管内循环液流速等对地埋管换热器换热能力的影响,并研究了地埋管换热器周围土壤温度场的变化.结果表明,地埋管地源热泵热水供应系统基本不受环境温度的影响;采用间歇运行,有利于提高地埋管换热器的换热能力;地埋管换热器平均单位井深换热量随管内循环液流速的增大而增大,但当流速增大到一定程度时,其增幅趋于平缓.     

夏热冬暖地区三种地埋管换热器冬季换热能力的实验研究

搭建了实验台,研究了单U形管、双U形管和套管换热器分别在热泵连续运行与间歇运行方式下换热量随时间的变化趋势.结果显示,双U形管换热器的单位井深换热量最大,单U形管换热器次之,套管换热器最小;间歇运行方式比连续运行方式下的换热量大.     

严寒地区地埋管地源热泵系统设计及运行优化

对某地埋管地源热泵系统冬季供热工况进行了优化实验.结果表明,系统连续运行时,6h后机组和地埋管换热器达到稳定状态,地埋管换热器单位埋深的取热量为24.5W/m;系统间歇运行时,土壤温度能及时恢复,系统的COP提高4.34％,机组的COP提高3.23％,2台压缩机工作时系统和机组的COP值最大,比4台压缩机工作时分别高12.2％和11％,2台压缩机运行、循环泵采用变频控制时,系统COP提高了12.5％;3台压缩机运行、循环泵采用变频控制时,系统COP提高了6.42％.     

单U形和双U形地埋管换热器传热模拟

以单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,应用FLUENT软件对其传热性能进行了数值模拟。将计算结果与实验测试结果进行比较,验证了该模拟模型的准确性。结果表明,在排热工况下,单U形管换热器的单位井深换热量约为86 W/m,而双U形管换热器的单位井深换热量达到120W/m。在打井费用较高的场合,可以考虑使用双U形管。研究了进口水温、流速以及埋管深度等因素对U形管传热量的影响。     

地源热泵系统热短路分析

主要进行地源热泵系统的热短路实验研究,对河北工程大学120m埋深地源热泵U型埋管实验室进行冬季性能测试,进行多流量工况的测试,流量分别为4t／h、3．5t／h、3t／h各运行5d,地下埋管单位井深换热量也会随着流量的减小而减少;埋管中的流量变化和埋管中的换热量的大小对热短路都有影响。通过热短路分析,提出了改进措施。     

地源热泵系统热短路分析

主要进行地源热泵系统的热短路实验研究,对河北工程大学120m埋深地源热泵U型埋管实验室进行冬季性能测试,进行多流量工况的测试,流量分别为4t/h、3.5t/h,3 t/h各运行5 d,地下埋管单位井深换热量也会随著流量的减小而减少;埋管中的流量变化和埋管中的换热量的大小对热短路都有影响.通过热短路分析,提出了改进措施.     

竖直双U型地埋管传热特性研究

为探究U型地源热泵系统运行过程中土壤温度变化特性,以竖直U型地埋管周围土壤为研究对象,基于有限元分析法建立三维非稳态传热物理模型.研究表明,地埋管周围土壤温度和单位井深换热量均随热泵运行时间增加而增加且趋于稳定;在其他条件不变的情况下双U型地埋管换热量为28.26W/m,单U型地埋管换热量为26.38W/m;流体进口流速和土壤温度梯度对单位井深换热量影响很小;流体进口温度和回填材料对土壤温度和单位井深换热量的影响较大;热泵蓄热-恢复和取热-恢复工况下,土壤温度恢复效果随径向距离及恢复时间增加而增加,土壤导热系数越大恢复的程度越接近土壤初始温度值.     

套管式地埋管换热器换热性能实验研究

以深度为60 m的镀锌钢管套管式地埋管换热器地源热泵系统和热电阻测温系统为实验平台,对土壤温度、套管式地埋管换热器换热性能及换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明,南宁市地下5~60 m的土壤温度为23.2~23.7℃;Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的合理流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4 W/m;不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响很小;内进外出流动模式换热器的换热性能优于外进内出模式;间歇运行有利于土壤温度的恢复。     

浅层地埋管热交换器换热能力分析

采用自主研发的浅层地下岩土热物性测试平台,通过模拟冬夏季取放热实际运行工况,对不同工况下地源热泵地埋管热交换器的换热能力进行了实际测试,分析了地埋管换热器与周围地下岩土之间的换热状况,确定了该地区地源热泵系统地埋管换热器冬夏季工况下的实际单位延米换热量。同时,根据测试数据推算出了该地区地下岩土的综合导热系数,体积热容等热物性参数,为该地区地源热泵系统的模拟分析以及设计施工提供了依据。