绍兴某山地现场热响应试验研究

热物性参数是地源热泵系统地埋管换热器设计的关键参数。采用自行研制的岩土热物性参数测试仪,于地处夏热冬冷地区的绍兴某山地开展单U和双U测试井现场热响应试验,使用线热源模型对数据进行分析,获得工程所在山地单U测试井的岩土导热系数为2. 27 W/(m·K),钻井热阻为0. 123 (m·K)/W,排热工况下单位延米换热量为86. 39 W/m,双U测试井的岩土导热系数为3. 31 W/(m·K),钻井热阻为0. 119 (m·K)/W,单位延米换热量为106. 72 W/m,为该地区地源热泵系统的设计及施工提供了依据。     

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。     

地埋管换热器热响应测试与模拟研究

对48m深双U型地埋管进行热响应测试,并使用线热源模型对实验数据进行分析。计算得到该测试地点土壤导热系数为1.44W/(m.K),进水温度为37℃时,每米井深散热量为91.14W/m。在实验的基础上,建立地埋管全尺寸换热模型,该模型水流进口条件与实验一致,土壤导热系数、地下初始温度等均为实验测得数据。以换热量比较,模拟结果与实验结果相差6.8%。在验证模型精度的基础上,对50m、60m、70m埋深的单U及双U型换热器进行模拟比较。进水温度为36.85℃时,对于单U型管,单位井深换热量分别为59.19W/m、56.23W/m、53.40W/m;对于双U型管,单位井深换热量分别为94.16W/m、90.00W/m、85.93W/m。不同深度的地埋管,双U型换热性能优于单U型,散热量约高37%,但是单U型管出水温度低于双U型管。     

不同工况流速对地埋管换热器影响的实验研究

利用地源热泵综合实验台进行实验,测定土壤初始温度、土壤热导率和地埋管换热器换热量。分析流速对地埋管换热器流动阻力和换热的影响。综合考虑换热量、进出口温差、压力损失,单U25、单U32、单U40、双U25、双U32、双U40地埋管换热器的最佳管内流速范围分别为0.5~0.7 m/s、0.4~0.6 m/s、0.4~0.5 m/s、0.4~0.5 m/s、0.4~0.5 m/s、0.3~0.4 m/s。     

地埋管换热器合理钻孔深度的选取

分别针对竖直单U形、双U形地埋管换热器,建立地埋管换热器数学模型。选取工程中常采用的内直径分别为20、26、32 mm的单U形地埋管(简称单U20、单U26、单U32)、双U形地埋管(简称双U20、双U26、双U32),在设定条件下进行换热性能模拟分析,筛选管材造价、换热性能相对合理的埋设形式与管径,对合理的钻孔深度进行确定。单U26、双U20、双U26的管材造价、换热性能优势各异,应结合实际条件进行选取,3种地埋管换热器合理的钻孔深度分别为70~120 m、80~100 m、70~110 m。     

竖直单U型地埋管传热模拟分析

针对地源热泵系统中的竖直单U型换热器的传热问题,利用FLUENT软件对其传热特性进行了稳态数值模拟。计算了管内流速,回填物导热系数,支管间距等因素对竖直单U型地埋管换热器换热性能的影响。通过数值模拟发现,管内流速过小时,地埋管换热器会出现严重的热短路现象。对比分析得出管内最佳流速为0.6 m/s～0.8 m/s;进回水支管间距越大,地埋管换热器换热性能越好;回填物的导热系数是影响地埋管换热器换热性能的一个重要因素,其最佳值与管内流速和管间距有关。综合考虑上述3个因素对地埋管换热器换热性能的影响,得出了支管间距为86 mm,管内流速为0.6 m/s～0.8 m/s,回填物导热系数为土壤导热系数的1～2倍时,竖直单U型地埋管的换热性能最好的结论。     

地源热泵U型竖直埋管换热器性能实验分析

利用已经搭建好的地源热泵实验系统对系统的U型竖直埋管换热器进行实验研究。分析了系统进入非稳态导热的"正规热状况阶段"的特性,对比了夏季连续运行工况下埋管间距为4 m时,单、双U型埋管换热器的换热性能及不同运行方式下埋管换热器的换热性能,探讨了冬、夏两季地源热泵系统的运行性能差异。     

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)。     

桩基地埋管换热器传热性能研究

土壤源热泵地埋管换热器占地面积较大,配合采用桩基地埋管换热器将大幅缩小占地面积.结合工程实例,对采用W形地埋管的桩基地埋管换热器的热流量进行了测试,其传热性能高于常规单、双U形地埋管换热器.     

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.     

中深层套管式地埋管换热器换热性能模拟研究

建立套管式地埋管换热器数值模型,采用FLUENT对制热工况下套管式地埋管换热器的换热性能进行模拟,研究运停比、岩土热导率、地温梯度等因素对单位钻孔深度换热量的影响.岩土热导率为2.5 W/(m·K),地温梯度为0.03℃/m条件下:不同运停比的单位钻孔深度换热量均随时间推移而下降.相同供暖期,单位钻孔深度换热量由大到小...     

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。     

双U形地埋管换热器冬季周围土壤温度变化

建立了计算地埋管换热器周围土壤温度的数学模型。结合天津地区某实际工程,采用跟踪测试方法研究了冬季双U形地埋管换热器周围土壤温度的变化。深度为10m以下的土壤温度基本不受环境温度的影响。随着深度的增加,土壤原始温度逐渐升高,在深度为10～120m范围内,土壤原始平均温度为15．9℃。地埋管换热器冬季的热作用半径为1．5～2．5m。     

土壤蓄热与土壤源热泵集成系统运行特性分析

为了提高对工业余热、废热和太阳能的利用,结合土壤蓄热技术与土壤源热泵技术的优点,本文提出了土壤蓄热与土壤源热泵集成系统及其地下管群换热器的布置方式。并在能量平衡的基础上建立了地下管群换热器蓄热、释热和停止运行的数学模型。通过数值模拟,分析了埋管间距对蓄热与释热运行特性的影响,为土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的应用奠定了理论基础。     

Comparison of the thermal performance of double U-pipe borehole heat exchangers measured in situ

A borehole heat exchanger is a ground heat exchanger devised for the extraction or injection of thermal energy from/into the ground. The thermal performance of a borehole heat exchanger can be assessed with a response test. The response test method allows the in situ determination of the thermal conductivity of the ground in the vicinity of a borehole heat exchanger, as well as the effective thermal resistance of this latter.The response test method is briefly described before it is applied to several designs of double U-pipe borehole heat exchangers. The tests have shown the viability of the method. They reveal that the thermal resistance can be decreased by 30% when quartz sand is used instead of bentonite and when spacers are used to keep the plastic pipes in contact with the borehole wall. With a common heat extraction rate of 50 W/m of borehole length, the temperature gain in a heat pump evaporator is +2 K. Finally, a mobile device has been developed to offer the possibility of accomplishing a response test.     

不同类型地埋管钻孔换热能力对比分析

为完成浅层地热能调查项目,进一步推广其开发利用,天津市建立了土壤源地源热泵试验基地,开凿了80m、120m垂直钻孔以及120m的斜钻孔,回填不同类型的材料,并使用地层热物性测试仪进行现场热响应试验。本文通过对比分析各地埋管钻孔的换热能力,得出深度120m、垂直、双U型以原浆加中粗砂作为回填材料的地埋管钻孔换热效率最高,并对地埋管斜钻孔的合理利用提出建议,为以后的土壤源热泵工程设计提供经验。     

基于热响应测试的分层土壤地埋管换热器数值模拟研究

结合热响应测试数据,建立了三维分层土壤地埋管换热器非稳态模型,并进行了验证。通过分析比较单层、分层土壤地埋管换热器模型,结果显示分层土壤地埋管模型误差较小;通过分层土壤地埋管模型分析了100 m、80 m、60 m深度埋管的换热性能,结果显示增加埋深时,单位延米换热量随着埋深的增加而减小,验证了热短路现象存在性。     

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。     

Erschließung eines Marmorkarstvorkommens als mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher im Tuxertal,Tirol

Borehole heat exchangers can be economically beneficial for meeting heating and cooling demands of houses or buildings. In karst aquifers development of thermal storage and exchange systems may be problematic in terms of groundwater protection and storage design, due to possibly high groundwater velocities. The new development of the Hochstegen marble unit in the Tux Valley (Zillertal, Austria) was designed in two stages for the requested cooling and heating demands. An enhanced geothermal response test was completed using optical frequency domain reflectometry in an exploration drillhole. Additional studies focussing on local geology and hydrology were also conducted. Geothermal parameters obtained at precise depths allowed differentiating between conductive and convective heat flow and were correlated with the lithostratigraphically-conditioned karst characteristics. The borehole heat exchanger field was developed with nine 400 m deep dual U?shaped tube probes in 2013 for 1 GWh/a extraction and 400 MWh/a induction. Along with borehole geophysics and geothermal response tests, the study has provided relevant geothermal data for improving storage design and exploration.