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.     

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。     

天津地铁2号线联络通道冻结法施工温度场数值模拟

对天津地铁2号线博山道—津赤路站联络通道的冻结法施工温度场进行了数值模拟。考虑相变因素给出了人工冻土温度场方程和边界条件的设置,得到了冻结过程中温度场变化以及冻结壁的发展过程,对冻结管附近设置温度探测点得到了不同位置处人工冻土温度变化趋势。通过对冻结管外壁的热流密度积分得到了冻结管的散热率,根据换热公式对制冷系统的制冷量和冷冻液流量进行了评估。     

渗流条件下土壤耦合埋管换热的实验研究

地下水渗流是影响地源热泵埋管换热的重要因素。本文建立了可控渗流条件下的土壤耦合埋管换热实验台,研究了渗流速度、渗流来流温度对土壤耦合埋管传热特性的影响。研究结果表明,增大渗流速度将扩大埋管释热范围、提高土壤的吸热能力;降低渗流水温将增大埋管附近土壤的温度梯度,从而增大埋管与土壤耦合换热能力。研究结果有助于掌握地下水渗流变化对地埋管换热的影响规律,指导地埋管系统设计参数优化。     

土在冻结过程中的温度场研究

在冻结法施工中,冻土帷幕的三维温度场预测是一个重要内容。首先对土冻结过程中的热传递现象进行了定性分析,然后通过相关资料演绎了冻土温度场的理论计算公式和热物理参数公式,最后应用有限元软件ABAQUS并结合模型槽冻结实验,在考虑相变潜热的基础上,建立了1根水平冻结管、2根水平冻结管、3根冻结管(2根水平冻结管+1根倾斜冻结管)的三维温度场模型。通过对不同模型三维温度场的比较,得到了冻结管数量、布置方式对冻土帷幕的形成速度和范围的影响。通过与相关测点测试数据的比对,建立了土体温度随时间的变化曲线,揭示了土体在人工冻结过程中的三维温度场发展变化规律。     

三套管相变蓄能换热器供热工况稳态模拟分析

三套管相变蓄能换热器在供热工况下运行时,外层水与中间层相变材料间的换热以及中间层相变材料与内层制冷剂间换热同时进行。建立了三套管相变蓄能换热器的数学模型,针对液态相变材料层引入了有效热导率,模拟稳态下传热温度场。三套管相变蓄能换热器的液态相变材料层增大了传热热阻,产生较大的径向温度梯度,但30min后相变材料层温度场即可达到稳态,制冷剂侧换热效果并未由于相变材料热导率低而有显著变化。     

地铁联络通道人工冻结法的数值模拟分析

以冻结管间距为0.3、0.4、0.5 m及其相应间距的单双排布置作为主要变量,考虑土的比热容、密度以及导热系数,建立热传递有限元模型对冻结法施工的积极冻结过程以及融化过程进行数值模拟。研究表明:当冻结管采用间距为0.3 m布置时,双排管会比单排管的制冷效果更加明显。同时发现冻结管间距越密集制冷效果会越高,从经济上考虑,冻结管的布置形式可以采用间距为0.4 m双排布置。在隧道中心竖向位置处,距离地表面越近,受到冻结后土体竖向产生的位移越大,在冻结帷幕内的冻土位移不随深度的变化而变化;在地表面距离隧道中心水平距离越大的位置,受冻土膨胀产生的竖向位移越小,在隧道中心处位移最大,同时发现地表水平方向的径向位移变化并不明显。     

U形地埋管换热器的三维数值模拟及传热分析

利用非稳态流动能量守恒方程得到了U形管内流体温度沿管轴向的变化关系,建立了U形地埋管换热器与土壤耦合换热的三维数值模型.把数值解分别与解析解和TRNSYS中的DST模型进行了对比,得出利用数值模型可以提高瞬时传热模拟结果精确度的结论.分析了在给定外界负荷的情况下U形管进出水温度、释热量和外界负荷之间的相互关系.     

毛细管平面辐射空调热短路现象的研究

S型毛细管供回水管之间存在着热短路现象,对毛细管实际的传热性能有较大的影响,这是毛细管在设计和施工时必须要考虑的问题。通过建立S型毛细管的三维流．固耦合换热模型,采用数值模拟分析方法,分析毛细管结构参数及供水条件对换热效能的影响。结果表明,换热效能可以很好地描述热短路现象,并分析吊顶表面温度分布的均匀性。     

土壤源热泵U型埋管换热器冻结取热过程的模拟研究

本文针对严寒地区地下土壤温度低和供暖负荷大的特点,提出了利用土壤相变来进行取热的方法,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的二维非稳态传热模型,使用显热容法求解了土壤相变问题.对长春地区的模拟结果表明:系统取热功率为21.82 W/m;运行39 d时埋管出水温度降低到0℃以下;运行80 d以后内、外层埋管出水温度出现差值;采暖期结束时外层埋管周围土壤未发生冻结,当内层埋管半径为0.2 m时,土壤冻结深度达到了8.6 m.     

埋深对地源热泵水平连接管夏季换热性能的影响

建立了接近实际情况的三维水平连接管模型,通过实验验证了该模型的准确性.利用该模型分析了埋深对水平连接管夏季换热性能的影响,结果显示,运行24 h后埋深0.5m和1.0m的水平连接管的出水管从土壤吸热,导致竖直地埋管出水温度经过水平连接管后升高;而埋深1.5m和2.0m的水平连接管的进水管和出水管均向土壤放热,且换热量比埋深0.5m和1.0m时大大提高,占整个换热器换热量的比例也相应提高.     

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。     

严寒地区地埋管换热器周围土壤冻结区域分布特征实验研究

建立了模拟严寒地区土壤热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置,实验研究了地埋管周围土壤冻结区域的分布特征,给出了冻结相变锋面的平均移动速度。结果表明,土壤冻结区域呈不对称性分布,流体进口温度为-15℃时,埋深为350、700、1 050mm,热响应区在40~60mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为5、5、6.67mm/h,热响应区在60~80mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为1.54、1.82、1.82mm/h;土壤冻结在一定程度上有利于地埋管与周围土壤之间的换热,在严寒地区地源热泵的设计中应考虑土壤冻结现象。     

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。     

双U型埋管能源桩桩周岩土体温度场分布特征试验研究

以信阳地区两根相邻的双U型埋管能源桩为研究对象,通过较长时间的TRT增温测试地温恢复TPT制冷测试模拟了能源桩的间歇性运行状态,在能源桩桩壁和岩土体中埋设传感器实测获得了能源桩运行过程中的桩周岩土体温度场分布。研究成果显示,能源桩运行过程中的传热表现为三维传热特征,桩端岩土体的温度变化滞后于桩体中间区域岩土体,建议能源桩设计时在桩端部位适当增加埋管量,以提高能源桩的换热效率;测试结果显示在经过172h的TRT测试并进行约25d的地温恢复后,桩周岩土体温度整体升高了约1℃,验证了岩土体温度扩散的缓慢性及其具有良好的热储性,同时也预示了地源热泵运行过程中存在冷热失衡的可能性。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

蓄热式换热器周期性换热过程的性能分析

针对暖通空调涉及的周期性换热过程(如相变地板、夜间通风、地埋管换热等)进行分析.周期性换热过程可视为等效冷源与等效热源之间非同时的换热过程,地板、土壤等中间媒介起蓄能和间接换热的作用.提出了整个换热过程的热阻分析方法,认为换热量由取热阶段流体与中间媒介表面换热过程、放热阶段流体与中间媒介表面换热过程及中间媒介自身导热过程三方面的热阻决定.计算得到地板白天蓄热夜间放热过程、夜间通风蓄冷过程、地埋管以年为周期的换热过程中,三部分热阻所占比例,分析了蓄热性能的制约因素,为蓄热式换热系统的设计与优化提供参考.     

地埋管换热器形式、管径及岩土温度对其换热性能的影响

建立了单U形与双U形地埋管换热器的三维数学模型。对外径25mm与32mm的单U形与双U形地埋管换热器换热性能的模拟研究表明,相同管径双U形地埋管换热器比单U形地埋管换热器换热量提高20%左右,但外径25mm的单U形地埋管换热器可以获得更大的进出口温差;对于双U形地埋管换热器,外径32mm与25mm相比,换热性能无明显优势;工程应用中,在地埋管用地面积充足时,建议选用外径25mm的单U形地埋管换热器,否则应选用外径25mm的双U形地埋管换热器;岩土温度每升高1℃,出口水温升高0.23℃,换热量下降5%左右。     

土体一维传热方程解析解及热扩散系数测定

传热方程是一类常见的基本数学物理方程,热导率是土体重要的热物理参数。从基本传热方程出发,详细地推导了利用傅立叶级数求解一维传热方程的方法,以地面温度随时间变化的波动方程得到地下不同深度处土体温度分布的解析解。在此基础上,讨论了利用热导率进行土体含水率测量的基本原理,详细地推导了根据地下不同深度的温度计算土体热扩散系数的振幅法、相位法及其应用,介绍了利用传热方程进行数值模拟的计算原理。最后结合实例介绍了该方法的应用效果。