地下水渗流对地埋管换热影响的分析

基于对单井地埋管换热器的数值模拟,本文分析了地下水渗流对地埋管周围土壤温度场及传热热阻的影响.     

地下水渗流条件下地埋管换热器的传热模型

提出了有限长线热源渗流传热模型,根据获得的解析解分析了地埋管换热器周围介质的温度响应。比较了有限长线热源和无限长线热源两种渗流模型,分析了地下水渗流速度及地埋管相关参数对热扩散的影响。研究表明,地下水渗流可改善地埋管换热器的换热性能,提高换热量,从而可降低系统的初投资。     

热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析

为确定地下水渗流对U型地下埋管换热器的影响,基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法求得管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响,结果表明地下水流动对原温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。进一步分析了有渗流时不同土壤类型对地下埋管换热器的影响情况,在饱和状态下导热系数是主要的影响因素。     

水平螺旋地埋管地源热泵的研究

提出了适合工程设计计算的水平螺旋地埋管换热器的传热模型,该模型以无限大介质中的一维非稳态传热为基础,同时考虑单位面积埋管长度的影响及长期平均负荷和短期脉冲负荷的不同作用。讨论了单位面积埋管长度和土壤的热物性对水平螺旋地埋管换热器的影响。结合工程实例,计算了所需的埋管长度和埋管的占地面积,与竖直埋管系统进行了比较。     

地埋管换热器换热性能影响因素的研究

分析了地埋管换热器的传热模型及适用条件,讨论了影响地埋管换热器换热性能的因素,包括土壤热物性、回填材料、地下水流动、土壤冻结、埋管之间的热干扰以及管内循环流速,总结了目前国内外研究的不足,并指出了下一步的研究方向.     

竖直单U形地埋管换热器单因素敏感性分析

基于竖直单U形地埋管换热器的热渗耦合传热模型,分析了岩土导热系数、岩土体积热容、岩土孔隙率、原始地温、地下水渗流速度、埋管深度、管内流体流量、地埋管进口水温及运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响。进行了单因素回归分析,拟合得到了单位井深换热量及地埋管出口水温与各个参数的回归方程。     

土壤冻结对地埋管换热器性能的影响

建立了考虑土壤冻结的地埋管换热器非稳态传热模型,采用有限容积法离散了管内流体、管壁及土壤区域的控制微分方程,对涉及的土壤相变问题采用显热容法处理.数值计算结果表明,地埋管换热器周围土壤冻结区域较小,但土壤冻结后导热系数大幅度提高,更有利于土壤的导热;考虑土壤冻结的影响后,计算出的地埋管换热器的出水温度和取热量均有所提高;土壤含水量高有利于地埋管换热器的换热,但土壤含水量较低时,土壤冻结对地埋管换热器性能的影响较小.     

基于显热容法的地源热泵地埋管换热器周围土壤冻结特性研究

为了探讨寒冷地区土壤冻结对地源热泵地埋管换热器换热特性的影响,建立了考虑土壤冻结的地埋管周围土壤传热模型,并利用显热容法对冻结相变问题进行了处理.基于模型的数值求解探讨了土壤含水率、原始温度、热扩散率及Stefan数对埋管周围土壤温度分布及冻结速度的影响.结果显示,与未考虑土壤冻结相比,计算出的地埋管周围土壤温度高,传热热阻小,从而可以减小埋管的设计长度,降低系统初投资;提高土壤含水率有利于地源热泵的设计与运行;减小热扩散率和Stefan数可以有效地降低土壤的冻结速度.     

地下水渗流对单孔地埋管换热器换热性能影响的数值模拟

建立了二维地下水渗流条件下地埋管换热器的数值计算模型,对单孔地埋管换热器周围的土壤温度场进行了数值模拟。为了验证数值模拟方法的可行性,将模拟结果与地下水渗流条件下的移动线热源理论解析解进行了对比,结果显示,当R=0.5和2.5时,模拟结果的相对误差分别为0.72%和5.42%,具有较高的精确度。模拟结果表明,当贝克来数Pe6时,即地下水渗流速度小于3×10-7 m/s(9.46m/a)时,可以忽略地下水渗流产生的对流换热的影响。     

竖直U型埋管换热器换热特性研究

本文建立了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,通过对U型埋管两支管内循环流体的能量平衡方程的分析与推导,求得了该传热问题的解析解,得到了计算U型管换热器中流体温度沿深度变化的解析式。进一步研究了回填材料、管内流量、管脚间距、管材导热系数等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并引入了钻孔换热效率来评价地下换热器的换热性能。     

制热工况下地埋管周围土壤的热湿迁移试验研究

基于实际工程建立了地源热泵空调系统运行过程的岩土体原位观测站,实现系统运行状况和换热过程中岩土体温度变化、水分迁移的实时监测,通过冬季工况运行试验,揭示地源热泵运行过程中土体的热湿迁移效应。研究结果表明:冬季工况下该地源热泵空调系统的机组性能系数COP为3.58,具有良好的制热效果;土壤温度场的变化受地埋管热交换和大气环境变化两个因素的影响,但二者的影响范围及程度有所区别;土壤温度场的变化幅度随着与地埋管距离的增加而递减,竖埋管热作用的影响半径约2.0 m左右,水平埋管热作用的影响半径约1.0 m左右;地埋管热交换对土壤湿度场的影响不显著,但大气降雨引起的地表水入渗和地下水位的变迁对土壤湿度场变化有明显影响。     

竖直U形地埋管换热器传热特性实验研究

竖直U形地埋管换热器进水温度一定的条件下,进出水温差不仅反映地埋管换热器的换热能力,还影响着地源热泵的运行效率,引入地埋管换热器能效系数反映此影响特性。实验研究了地埋管换热器进水温度、流量、地埋管埋深对地埋管换热器传热特性的影响。提高地埋管换热器的进水温度、降低流量、增大地埋管埋深可以有效增大能效系数。受地质条件与经济性等制约．地埋管换热器进水温度、埋深不能无限制增大,流量不能无限制减小,应根据实际情况进行优化分析：     

地下水渗流作用下地埋管间歇散热特性

为了探求地下水渗流对地埋管换热器间歇运行性能所产生的影响,基于移动的有限长线热源理论模型解析解,利用MATLAB软件编程计算,分析渗流对单钻孔地埋管换热器的影响。同时对比分析了连续和间歇运行情况下其周围土壤的温度响应特征和过余温度场分布特点。研究表明:埋管周围土壤的温度变化是由热流密度、土壤本身的热物性和实际渗流速度耦合作用影响的,而在间歇运行下其因素影响更加明显。     

忽略回填料与岩土热物性差异对桩基埋管换热计算的影响

桩基埋管换热器具有桩径大、埋深浅的特点,适用于桩基埋管特点的系列导热解析解模型被不断提出,但是该类模型均忽略了回填料与岩土热物性的差异。对于桩径较大的桩基埋管而言,较大的热物性差异将引起较大的计算误差。建立了区别回填料与岩土热物性差异的导热数值解模型,对比分析忽略热物性差异对桩基埋管换热计算的影响,研究表明:导热系数差异对桩基埋管长时间运行的换热热阻计算影响甚小;容积比热差异将引起桩基埋管较大的设计容量误差;桩径越大,热物性差异引起的计算误差越显著。     

冻土层中水平埋管换热器换热特性的数值分析

寒冷地区冻土层对地源热泵水平埋管换热器(GHE)的换热特性产生重要影响。根据冻土层换热特点建立了一种简化传热模型,对水平埋管周围土壤瞬态温度分布进行了模拟计算,分析了冻土层冻结和土壤含水率对GHE热损失的影响。计算结果表明,土壤冻结情况GHE的传热损失相对于非冻土情况下增大。进液管热损失随着土壤中含水量的增加先减小后增加,回液管热损失逐渐减小,GHE总热损失减小。计算结果与国家标准"地源热泵系统技术规"(GB 503662-2005)中对水平埋管的埋深规定相吻合。     

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。     

竖直地埋管价值系数的计算方法及其应用

本文提出了一种用于竖直地埋管换热器的价值系数计算方法。针对某实际地源热泵工程,使用地埋管换热器价值系数计算方法对U型地埋管换热器设计方案进行了价值系数计算,并讨论了钻孔费用对设计方案价值系数和地埋管换热器U型管选型的影响。分析和计算表明,地埋管换热器的方案价值系数同钻孔设计深度和孔数有较大的联系。工程上人为设定钻孔深度和数目会影响到地埋管换热器的技术经济价值。在深的钻孔和好的传热条件下,采用双U管或大管径会改善地埋管换热器设计方案的经济性。     

不同回填材料下地埋管换热器性能的实验研究

实验研究了原土(粉细砂)和中粗砂回填条件下双U形地埋管换热器的传热性能,获得了换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线。结果表明,换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律,在地埋换热器工作温度范围内,中粗砂回填时的换热量比粉细砂回填时高约10%(取热工况)和6%(排热工况)。建议在选择回填材料时,应在考虑其对地埋管换热器传热特性影响的基础上,进一步考虑其经济性。