严寒地区中深层地埋管换热影响因素及可持续性研究

利用OpenGeoSys(OGS)软件,采用双连续体介质方法并结合实际工程资料,建立中深层地埋管换热数值模型。在此基础上,研究中深层地埋管换热技术在中国北方严寒地区的换热性能及其适用性,同时对其换热影响因素及可持续性进行研究。研究结果表明：在中国北方严寒地区,中深层地埋管换热技术换热性能较好,具有良好的适用性及可持续性。通过将地埋管布置在优质地热区域,同时增大循环水流量、增加地埋管深度、选择较大内管导热系数及回填材料导热系数等方式可提高地埋管换热功率;较高的循环水进水温度、较大的内外管径比及内管导热系数则会减弱换热效果。     

深层埋管式能源桩换热性能影响因素分析

提出一种新型的能源桩换热管型式,即深层埋管式能源桩。利用Comsol Multiphysics建立三维方法模拟桩体-土体传热,一维方法模拟管内水动态传热传质的数值模型,考虑了土体温度随深度的变化,模拟出口水温随时间的变化规律并计算换热量,比较深层埋管式与传统的1-U型、1-W型能源桩的换热量,分析了桩径、桩体导热系数、桩体密度、桩体比热容等不同参数对新型深层埋管式能源桩换热量的影响。模拟结果表明：以运行50 h为例,深层埋管式的总体换热量比1-U型、1-W型分别高122%、54%;而对于单位管长换热量,深层埋管式比1-U型、1-W型分别高9%、50%,桩径从0.5 m增加到1 m,换热量增加14.3%;桩体导热系数从1.2 W/(m∙K) 增大至2.5 W/(m∙K),换热量增加9.6%;桩体密度从1 800 kg/m³增大到2 600 kg/m³,换热量增大0.8%;桩体比热容从637 J/(kg∙K) 增大到1 037 J/(kg∙K),换热量增大1.1%。因此深层埋管式的热性能优于传统1-U型和1-W型,在满足能源桩力学性能的前提下,为了提高深层埋管式能源桩换热性能,可以适当增大桩径。对于桩体材料的选择,应该选择导热系数较高的材料。密度和比热容对换热量的提升影响不大。     

地埋管回填材料传热性能的研究与分析

当回填材料导热系数大于周围岩土层,对地埋管换热器换热性能提升效果开始逐步递减。研究回填材料增益效果递减的原因,对提高总系统运行效率具有重要意义。通过软件平台Workbench对地埋管换热器在回填材料导热系数不同的情况下进行模拟。结果显示,回填材料在整个传热过程中主要起到疏导热量,扩大导热面积的作用。回填材料导热系数较高时,可通过提高进水管水温进一步开发系统换热效率。     

基于TRNSYS模拟的地埋管换热效果影响因素分析

通过原位热响应试验数据验证了TRNSYS软件中U型地埋管换热器模块Type557计算模型的可靠性,应用TRNSYS软件建立地埋管换热模型。基于正交试验的研究方法,综合分析了埋管壁、回填材料、埋管周围岩土的导热系数对埋管换热器换热效果的影响规律。得到影响地埋管换热过程的最主要因素是岩土导热系数,回填料导热系数对其影响程度略低于岩土导热系数,埋管壁导热系数对其影响不大的结论。     

不同形式地埋管换热器运行性能影响因素研究

为研究单U和双U地埋管换热器运行性能的影响因素,运用能耗模拟软件TRNSYS建立地埋管换热器模型对其运行特性进行仿真模拟后,与实际工程数据对比,验证模型有效性,继而以换热器能效系数为评价指标,分别对钻孔深度、U型管两管间距和回填材料导热系数等影响因素进行分析研究,得到:双U地埋管换热器的单位延米换热量为106.72 W/m,单U地埋管换热器的单位延米换热量为86.39 W/m;适当增加钻井深度、埋管间距和回填材料导热系数对整体换热效果有促进作用,且在双U埋管情况下促进作用更显著的结论.     

套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。     

防护工程口部内嵌埋管的传热研究

基于COMSOL有限元软件,构建防护工程口部隧道内埋管三维传热数值模型,结合南京市气候特点,对埋管及周围介质的动态传热过程进行分析。基于参数分析法研究埋管导热系数、管径、围岩导热系数和管内流体流速对内埋管传热性能的影响。结果表明,埋管换热量在运行初期迅速减小,随后趋于平缓,并在80天后达到稳态。埋管换热量随管径、岩土导热系数和管内流体流速的增加而增加,而埋管导热系数几乎不影响埋管的热性能。另外,埋管热性能提升率随埋管流速的增加而逐渐减小,水泵功耗随埋管流速的增加而逐渐增加,表明能源隧道内埋管存在经济流速,在这一流速下,埋管的热性能和经济性能达到平衡。     

青岛地区水平埋管换热器换热特性分析

水平埋管换热器的换热性能对地源热泵系统的运行节能性有重要影响。以青岛棕壤地区为例,建立了考虑太阳辐射、地表温度波动、土壤竖直方向上的温度梯度等因素的水平埋管换热器传热模型,模拟了埋管深度、土壤导热系数对水平埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明:热泵系统制冷工况下,埋深2 m和2.5 m时对应的换热量较埋深1.5 m时的对应值分别增加了10.4%和15.4%;土壤导热系数由1.278 W/(m·K)增加到3.278 W/(m·K)时,水平埋管的换热量增加了68.24%;HGHE的传热效率随着埋深和导热系数的增加而不断提高。以埋深2 m为界,上部区域的土壤温度受气温和太阳辐射的影响较大,下部区域主要受地埋管换热影响。     

垂直U型地埋管换热器的数值模拟分析

采用Fluent软件对垂直U型地埋管三维非稳态热渗耦合换热进行研究。分析了土壤热物性、管内流速、渗流速度以及回填材料的导热系数对地埋管的换热影响。结果表明:地埋管的换热量分别与管内流速、渗流速度、土壤的导热系数以及回填材料的导热系数成正比,通过拟合分别获得平均每天换热量与管内流速、渗流速度和回填材料导热系数的关系式;土壤的热扩散系数对地埋管的热作用半径影响显著;同时渗流速度越大,换热稳定时间越短,土壤圆周方向上各点温度相差越大,且土壤温度场恢复能力越好。     

地道风系统地埋管管径对出口空气温度的影响研究

构建了空气与地道壁面换热理论模型,用于计算地埋管出口空气温度,通过正交模拟分析了地埋管管径、长度以及进口风速对地埋管出口空气温度的影响,并与数值模拟结果进行对比。结果表明:地埋管管径极差值最大,可达20.4 m,是地埋管出口空气温度的主要影响因素,地埋管长度和进口风速为次要因素;随着管径的增大,出口空气温度随之升高;当管径为0.2 m时,出口空气温度降幅最大,管径大于0.6 m后,降幅逐渐减小,基本趋于稳定值,因此应控制管径在0.2~0.6 m。     

U型深埋管固井层对埋管换热性能影响的研究

结合西安市某个U型深埋管工程,建立三维全尺寸数值计算模型并进行模型验证。在此基础上,模拟分析不同导热系数的埋管固井层对埋管换热能力的影响。结果表明,固井层导热系数在小于及接近岩土层导热系数的范围内增加时,埋管换热强度随之增加明显;固井层导热系数对埋管换热的影响程度与周围竖向各层岩土导热系数的大小相关,而与地层竖向的温度分布无明显关系。     

管道保温计算数学模型研究

采用有限差分法和焓降法相结合的方法数值模拟三维方管保温温度场,研究提高保温计算精度的途径和方法。研究结果表明：管内空气出口温度测试结果与考虑保温层热导率随温度变化及管内壁传热热阻时的数值模拟结果误差〈2．1％;保温材料热导率随温度变化和管内壁传热热阻对短管管内介质出口温度的影响可以忽略;管长〉2．35km时管内介质出口温度计算要考虑保温层热导率随温度变化;忽略保温层热导率随温度变化的管外壁散热损失误差〉11％,表明管外壁散热损失和长管管内介质出口温度计算必须考虑保温层热导率随温度变化,但可忽略管内壁综合表面传热热阻。     

基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器性能实验研究

设计一种基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器及由其组成的新型直膨式热泵系统,并对其进行实验研究与分析。实验测试平板热管在制冷剂低温取热条件下的均温性与导热性能,热泵运行工况下集热蒸发器表面温度分布、光电光热性能,以及在不同天气条件不同运行模式下热泵系统性能。结果表明,平板热管在低温取热条件下当量导热系数可达6.8×10⁵W/(m·℃),集热蒸发器运行时纵向最大温差为3.9℃;在夏季晴朗天气条件下运行太阳能模式制热水时热泵平均COP为3.62;在低辐照阴天下运行太阳能-空气能双源模式与太阳能模式相比,单位面积集热功率提高18.8%,系统平均COP提高5.7%;在无辐照的夜晚,运行空气源模式系统COP为2.54。     

土壤源热泵U型垂直埋管传热过程的数值研究

针对土壤源热泵地下U型垂直埋管,建立了周围土壤的非稳态温度场的数学模型,并利用Matlab软件进行求解。通过对夏季制冷工况的模拟,研究了管内流量和回填材料对出水温度的影响,还研究了埋管间距和热作用半径对单位管长换热量的影响。     

应用于日光温室墙体的相变材料热物性优化研究

建立日光温室计算传热模型,以室内空气温度和墙体内表面温度为指标,通过实验方法验证了所建立的传热模型准确性,最后分析相变材料相变温度、相变焓、导热系数、密度等热物性对室内最低温度和相变蓄热率的影响规律,确定被动式相变蓄热墙体和主-被动式相变蓄热墙体的最佳相变材料热物性,阐明了实际应用时相变材料选择原则。研究结果表明,所建立的日光温室传热模型具有较高准确性,可用于日光温室墙体相变材料热物性优化;主-被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为27 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为440 kg/m³,被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为26 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为792 kg/m³;最佳相变材料热物性应用时,2种墙体室内最低温度均可达到15.0 ℃,但是被动式相变蓄热墙体的相变蓄热率较主-被动式相变蓄热墙体减小29.5%。本研究可为相变材料在日光温室的高效利用提供参考。     

青岛蓝色硅谷土壤热物性测试与分析

青岛蓝色硅谷区域地质构造特殊,地热资源丰富。目前该区域地热资源的勘查程度较低,地热资源利用形式单一,优质地热资源浪费严重。本文采用岩土热响应测试法对蓝色硅谷区域内的地埋管测试孔的岩土热物性进行了现场测试,利用48 h的测试数据,采用线热源模型进行数据分析,得到土壤导热系数为2.278 W/(m∙K)。同时,采用柱热源模型模拟夏季工况,得到的流体温度变化趋势与实验工况相同,且进、出水温度分别为35.1℃和30.4℃,与实验工况下的35.1℃及30.8℃吻合较好。该研究可用于指导土壤源热泵的热物性分析以及青岛蓝色硅谷地热资源综合开发。     

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23～216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57～6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。     

深井地埋管换热器配置参数模拟计算研究

针对深井地埋管换热系统运行原理,根据地埋管换热器热阻-热容优化模型,建立深井地埋管井孔内、外非稳态柱坐标传热模型.基于环渤海湾盆地埋深1000～2000 m热储层水文地质条件,采用双连续介质空间耦合有限元数值计算方法,分析深井地埋管典型配置参数取值对于地埋管换热性能的影响程度.研究结果表明:深井地埋管换热性能随着系统运...     

太阳能斯特林混凝土储热系统传热特性研究

设计碟式太阳能斯特林机混凝土储热系统,并对熔融盐及混凝土传热过程进行理论分析,对混凝土储释热过程进行模拟,运用多目标遗传算法进行优化,得到以下结论：在释热过程,选取290 ℃为流体出口的有效温度临界值,有效释热时间约2.1 h时,流体出口温度约为563 K,释热效率约为71%;高温混凝土和熔融盐沿着流程方向均存在一个温跃层区域,随着时间的延长,温跃层沿着流程方向逐渐向下游偏移,当温跃层移动到出口处时,熔融盐出口温度开始下降,温跃层占据的长度越小,储热系统效率越高;随着导热系数的增加,释热效率及有效释热时间提高。通过TOPSIS对解集进行重新排序分析,最优工况是蓄热量为2885 MJ、换热系数为672 W/（m·K）及储热效率为87%。     

ZnO对不同流态下相变微胶囊悬浮液对流换热特性影响研究*

相变微胶囊悬浮液（MPCS）可作为热交换介质和储热流体,但其导热率较低导致其应用受到一定的限制。以水为基液使用相变微胶囊（MPCM）制备MPCS,加入氧化锌（ZnO）颗粒以提高MPCS导热率。使用旋转流变仪、差式热量扫描仪、导热仪分别测定了MPCS的黏度、相变潜热和导热系数等物理性质。设计并搭建了试验台,在内径6 mm的圆管中,使用水、MPCS以及ZnO@MPCS在层流和湍流下进行强制对流换热实验,通过对比其换热情况分析ZnO对MPCS换热特性的影响。结果表明：加入ZnO的MPCS具有良好的储热性和导热性,1%ZnO@5%MPCS导热系数较5%MPCS提高了17.9%。层流条件下MPCS的平均局部换热系数低于水,1%ZnO@5%MPCS平均局部换热系数比水高6.5%;湍流时,1%ZnO@5%MPCS在相同质量流量和功率下的平均局部换热系数相较于水提高了15.7%。