地埋管换热器分区运行对地源热泵系统运行经济性影响的模拟研究

针对管群地埋管换热器,在不同夏冬季建筑负荷比运行条件下,对一种简单分区运行与不分区运行方式的循环水温度变化及系统能耗情况进行对比。结果表明:与不分区运行相比,采用简单分区运行方式时,地埋管循环水温度随运行时间的变化幅度相对较小,能耗降低,节能率随运行时间的增加而增大;随着夏冬季负荷比的增大,分区运行节能效果呈先增大后减小的趋势。研究结果表明,对于冬夏季负荷不平衡时,采用简单的地埋管换热器分区运行方式,可提升系统运行效益及可靠性。     

地源热泵系统非平衡冷热负荷运行特性研究

建立地埋管传热模型和系统能耗模型,对非平衡冷热负荷条件下地源热泵系统运行特性进行模拟计算。当建筑空调冷负荷大于热负荷,且供冷时间较长时,地源热泵系统从冬季初始运行,到达夏季时段,地温比夏季初始运行低,更加有利于夏季地源热泵系统节能。地源热泵系统运行7a后,采取夏季和冬季初始运行两种方案的地埋管钻孔壁年平均温度与土壤初始温度相比,分别上升3.10和5.12℃,导致机组耗功率逐年增加,应考虑采用复合式地源热泵系统间歇运行或增设地埋管设置分区运行策略,平衡土壤传热量。     

地源热泵系统地埋管群分区运行控制策略研究

通过建立地埋管传热模型和变频水泵能耗模型,对不同地埋管群分区运行控制策略下对应的钻孔壁温、出水温度和能耗进行模拟计算。结果表明:地源热泵系统地埋管群采用分区运行控制策略钻孔壁温和出水温度恢复较好,采用负荷控制策略时的节能率关系为:75%负荷率50%负荷率25%负荷率;采用时间控制策略时的节能率关系为:下午时段中午时段上午时段;采用水温控制策略时的节能率关系为:出水29℃出水30℃出水28℃;采用分区运行控制策略节能率均可达到20%,高于地源侧系统变流量运行控制策略。     

减缓集群地埋管冷/热量累积效应的分区运行方法

针对冬夏季负荷不平衡时集群竖埋管地埋管换热器区域地下土壤冷/热量累积问题,提出低负荷季节只运行较为中心区域埋管的分区运行方法以减缓冷/热量累积效应。以夏季负荷大于冬季负荷为例进行分析,发现只运行较为中心区域部分的埋管时,土壤最高温度和平均温度均较未分区运行时显著下降,可有效抑制地下热量累积效应。分析还表明当土壤导热系数较小时,采用分区运行方法对抑制和减缓地下冷/热量累积效应更为有效。上述结论同样适用于冬季负荷大于夏季负荷的情况。     

地埋管地源热泵间歇运行岩土体温度恢复特性研究

通过对寒冷地区的地埋管地源热泵系统间歇供冷工况试验,获得地埋管周围岩土体温度场的分布数据,研究地埋管地源热泵系统自然间歇运行及在人为控制的不同开停比下岩土体的温度变化规律及恢复情况。试验结果表明:岩土体的温度恢复能力随着间歇运行时间的增加而缓慢地降低,且降幅逐渐趋于平缓;除-40 m深度处的含水层外,岩土体的温度恢复率基本随深度的增加而增大。同时结合建筑的动态负荷特征,建议在满足用户使用要求的前提条件下采用昼夜交替间歇运行模式,岩土体的温度恢复情况较好,为寒冷地区地埋管地源热泵的推广应用提供了一定的理论依据和基础数据。     

基于最小熵产的地埋管换热器优化设计研究

对于地埋管换热器,综合考虑传热性能和消耗的功率,建立管内流体的熵产模型。考虑两支管间热短路影响,确定流体沿管长的温度分布。以最小熵产为目标,根据沿埋管深度的温度分布,在不同换热负荷条件下,确定地埋管换热器的最优长度和管径随流量的变化关系,换热负荷确定时,埋管的最优管长随流量增加而减小,地埋管的最优管径随流量的增加而增大。在流量一定的条件下,埋管的最优管长随换热负荷的增加而增加,最优管径随换热负荷的增加也相应增大。以青岛市某实验室土壤源热泵系统为例,分析最优长度和管径对换热效能及系统性能的影响。     

地埋管换热器分区运行对土壤热堆积特性影响的研究

为了缓解埋管区域土壤的热量堆积问题,提出了埋管换热器按内中外、块状、间隔三种分区运行的策略,利用CFD软件建立了10×10的井群换热模型,对地源热泵系统在三种分区与不分区运行策略下运行十年进行数值模拟,分析不同分区运行策略对土壤温度分布和土壤热堆积特性的影响。模拟结果可知:不分区、内中外分区、块状分区、间隔分区四种运行策略下埋管区域的平均温度分别为25.23、23.31、23.06、23.28℃,最高温度分别为40.62、32.77、40.65、38.93℃;分区运行较不分区运行可以有效缓解热堆积作用,埋管区域整体温度较不分区运行时降低了2.00℃左右,内中外分区策略可以显著缓解埋管区域热堆积。     

西安地区地源热泵项目运行分析

不同运行方式对地源热泵系统的长期稳定性有着重要作用。以西安地区为例,建立了双U型地埋管换热器三维传热模型,模拟了不同运行方式对单孔和群孔换热器换热特性的影响。研究结果表明：地源热泵管群系统应间歇运行,每天最大负荷工况下连续运行不超过8 h;年总供冷热量差值控制在10%内,以便土壤温度恢复;3年和10年土壤温差分别控制在1℃和3℃内,以保证地源热泵系统长期供能效果。     

钻孔深度对地源热泵系统性能的影响

通过TRNSYS软件建立地源热泵系统仿真模型,在综合考虑不同钻孔深度下的钻孔数量、单孔流量及建筑物逐时负荷的基础上,对比分析不同钻孔深度下,系统运行能耗、地埋管换热器初投资及占地面积。研究表明,钻孔深度低于300 m时,钻孔数量随钻孔深度的增加而明显减小,高于300 m时,钻孔数量基本不变;长期运行,土壤温度随钻孔深度的增加而先增后减;地埋管换热器初投资随钻孔深度的增加而增加;钻孔深度100 m时系统冬夏季运行能耗最低,总运行能耗最低,故可优先选择钻孔深度为100 m,当地表面积有限时,可选择钻孔深度为150 m甚至是200 m;将系统运行能耗、地埋管换热器初投资占地面积与钻孔深度间的关系拟合为公式,并提出确定钻孔深度的方法。     

地源热泵系统运行换热区内外地温场变化特征分析

基于上海某高校综合研究中心地埋管地源热泵工程,对地源热泵系统稳定运行3 a地埋管换热区内外地温场进行实际监测,并对3 a间换热区内外地温场变化特征进行深入分析。分析结果表明:系统稳定运行3 a,换热区内外地温受地埋管换热器取放热影响呈波状变化,并且地温变化相对于环境温度的变化存在一定的滞后性,换热区中心区域约滞后3个月;随着深度的增大地温变化幅度有逐步减小趋势;实验场地源热泵系统持续运行3 a地埋管换热对地温的影响半径半径为6.0~9.0 m;实验场在夏季空调使用高峰采用了地表水地源热泵系统进行调峰,系统持续运行3 a地埋管换热器取放热基本平衡,未造成地层热堆积现象,运行效果较好。     

基于圆柱源理论模型的U型埋管换热器的模拟研究

分析了圆柱热源(热汇)理论模型,运用圆柱源理论对太阳能-土壤源联合运行热泵系统进行连续20d运行的状况进行模拟,得出联合运行模式较单独土壤源运行模式节能8%~10%,可为圆柱源理论模型应用和太阳能-土壤源热泵运行模式的选择提供参考。引入“负荷集合”思想对圆柱热源(热汇)理论模型进行改进,使其适合于对土壤源热泵的全年运行进行模拟,模拟过程更为快捷。     

土壤源热泵-新型系统能耗分析

对新型分布式供能系统(简称新型系统)的特性进行了分析,并将其与土壤源热泵机组和直燃式溴化锂冷热水机组进行比较,得出新型系统设计工况和变工况性能均较好,其中负荷在0.5～1之间时效率较高。通过对北京地区某建筑物冬夏季的能耗分析,得到新型系统分别比土壤源热泵机组和直燃式溴化锂冷热水机组节能23.1%和37.1%,其节能性相当可观,是一个值得推广的系统。     

地源热泵间歇运行下土壤热湿迁移的实验研究

建立地埋管换热土壤热湿迁移过程的实验装置,对地源热泵间歇运行时不同进口流体温度及不同土壤体积含水率下土壤温湿度场的变化特性进行实验研究。实验结果表明∶间歇运行时,入口流体温度的升高会使土壤温度最大值升高,但不利于土壤温度的恢复,土壤体积含水率的增加在一定程度上有利于地下换热和土壤温度的恢复。系统开机后存在土壤温度上升的主上升区,此区温度增幅超过65%,关机后第18小时土壤温度基本恢复至初始温度;系统关停后在温湿度梯度的作用下会出现温度和含水率最大值后移的现象,热源对土壤温度和含水率的作用半径约为280和375 mm;开停比为1∶2时温湿度较1∶1能恢复得更低,合理设置停机时间有利于机组长期有效运行。     

地源热泵小负荷状态下的运行优化

针对地源热泵在小负荷状态下满负荷间歇运行，系统频繁启动造成额外消耗大量能量的缺点，本文利用最优化原理，对系统运行优化。优化计算得出对于每一个热负荷都存在一个最优运行负荷(即最优值)，使得该系统运行能耗最低；在热容量和散热量与最大散热量比值组成的二维空间中可以分成几个运行区域，在这些小区域中，最优值恒定不变。     

基于线热源理论的垂直U型埋管换热器传热模型的研究

基于经典常热流线热源理论,通过引入叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻思想将其发展为能够适用于变热流埋管换热与地源热泵系统模拟的变热流线热源模型,并与改进的经实验与理论验证的圆柱源理论模型进行了比较与分析。结果表明:所发展的变热流线热源模型能够有效地模拟地下埋管的换热过程,可作为地下垂直U埋管换热过程的计算模型,为地源热泵地下埋管换热器的设计计算及地源热泵系统的模拟提供了一种新的简单而又实用的计算方法。     

地埋管间断工作进出孔平均温度预测方法研究

按不改变每天总换热量的原则,将单位长度地埋管换热孔在制冷季或制热季中每天的实际释热或取热过程简化为一个矩形释热或取热脉冲,脉冲大小为单位长度地埋管换热孔的设计释热量或设计取热量,时间为每天的等效满负荷释热或取热小时数。采用线热源理论和热流叠加原理,推导若干个矩形脉冲负荷作用后地埋管换热器进出口温度平均值的计算公式,并通过长期现场岩土热响应试验对该公式进行了验证。在已知制冷季或制热季天数和地埋管换热器每天等效满负荷工作小时的基础上,通过设定地埋管在制冷季和制热季传热流体的最高或最低温度,可用该公式计算单位长度地埋管换热孔的设计释热量或取热量。     

CO2跨临界循环地源热泵的研究

给出了CO2跨临界循环地源热泵的系统流程，并在考虑输气系数和绝热效率的基础上，与R22和R134a等进行了循环性能比较。结果表明，用于需要较高供水温度的空调系统或热水供应系统时，CO2可具有和常规工质相当的性能。同时对于一特定的CO2地源热泵，分析了在热水流量和热水温度变化时的运行特性，并讨论了CO2地源热泵容量调节的方法。     

基于低负荷率工况下地源热泵系统的运行性能分析

以桂林市岩溶地质条件下某地源热泵系统示范项目为研究对象,基于典型季节运行工况下的实测数据,按照影响因素重要度排序主要研究系统极低负荷率及机组负荷率对地源热泵系统运行效果的影响。研究结果表明：在典型季节系统负荷率低于30%及机组负荷率大于80%工况下地源热泵系统处于良好的运行状态,机组与水泵耗电量占比符合输配系统能耗要求。热泵机组在7月运行期间机组平均制冷性能系数为4.48,平均系统制冷能效比为3.59;1月运行期间机组平均制热性能系数为4.26,平均系统制热能效比为3.32;夏冬季节节能率高达30.72%和35.93%。地源热泵系统的节能效果显著,值得在桂林地区推广应用。     

地质结构分层中地埋管换热特性研究

依托徐州某工程场地,分析分层地质结构体中地埋管的换热特征,提出应考虑地层结构指导地埋管埋深,并研究进水温度、循环水流速、运行方式与分层换热量的变化规律。结果表明,地层分层研究在分析钻井埋管深度设计方面具有优势,换热性能好的地层受循环介质温度、流速的影响变化最为显著;间歇性运行能有效提高地层换热量,换热性能好的地层增益效果佳。