地源热泵技术讲座(四)地埋管地源热泵系统

1 地埋管换热器的分析 (1)地埋管换热器的传热 地埋管地源热泵系统利用地埋管换热器与岩土体进行热交换.地埋管换热器设计是否合理,决定着系统的经济性和运行的可靠性.地埋管换热器由埋于地下的密闭循环管组构成.根据管路埋置方式不同,分为水平埋管和竖直埋管2种.水平埋管投资少、施工简单;竖直埋管占地少、换热性能稳定.竖直埋管的研究与应用远远多于水平埋管.     

竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析

准三维模型为竖直埋管地热换热器的结构优化提供了较为精确的理论基础。利用准三维模型对竖直埋管地热换热器进行分析与研究得出，不同的行程布置对双U型埋管地热换热器的传热性能有较大影响。就钻孔内热阻的对比，双U型埋管比单U型埋管钻孔内的热阻低，因而双U型埋管地热换热器较单U型埋管地热换热器更为合理。     

渗流对竖直地埋管换热器换热性能的影响

为了确定渗流对竖直地埋管换热器换热性能的影响,基于多孔介质传热理论与Darcy定律,利用多物理场耦合软件COMSOL建立了三维热渗耦合模型,模拟了有无渗流条件下竖直地埋管换热器周围土壤温度场的变化。结果表明,地下水渗流有助于竖直地埋管换热器换热,且渗流速度越大,竖直地埋管换热器换热效果越明显;平行于渗流方向处温度场偏向下游,垂直于渗流方向处温度场始终保持对称分布,渗流速度由0m/s增大到1.0×10-5 m/s时,对应热作用半径由0.42m减小到0.32m。     

形状因子法在垂直U型埋管传热分析中的应用

竖直U型埋管热交换器是地源热泵系统的重要组成部分。文章以能量平衡为基础,采用传热学中的形状因子法,针对某一常用结构形式的地埋管换热器热阻和换热量进行了数值计算。在此基础上,重点分析了钻孔深度、孔内的管间距、地埋管进水温度和土壤温度对换热器热阻和换热性能的影响,旨在为竖直U型地埋管换热器的设计和工程应用提供必要的参考。     

地源热泵地埋管换热性能的边界元法分析

建立地埋管传热过程的二维稳态模型,分制冷和供热2种工况,考虑周围土壤温度、回填材料、管径、管材、管内介质的流量和进出口温差等参数的影响。采用适用于薄体的边界元法计算地埋管传热问题,根据计算结果比较不同管壁厚度情况下竖直地埋管的换热差异,为地埋管的设计和运行指标提供定量分析依据。进一步分析不同管材对U型竖直地埋管换热量的影响,并计算两种工况下竖直管道所需的埋设长度。边界元法分析U型等地埋管传热问题,使用较少的单元数可获得较精确的结果,尤其是对该文中管壁薄体和土壤厚体的耦合问题。     

多供一回中心回水管竖直埋管换热器换热性能的数值模拟

为改善竖直地埋管换热性能,提高钻井换热效率和减少热回流损失,提出多供一回中心回水管竖直埋管形式。使用Gambit软件建立单U、双U及多供一回竖直埋管换热器与周围岩土体换热的物理模型并进行网格划分,用Fluent软件进行数值计算,对比分析不同流速下单U、双U及多供一回中心回水管竖直埋管换热器的换热性能,结果表明:多供一回换热器换热效果较单双U有较明显提高;在适宜流速下多供一回换热器可代替单双U换热器;多供一回换热器更适合间歇运行工况。     

地源热泵及其应用分析

介绍了地源热泵的类型、原理及特点，并对水平埋管和竖直埋管的地源热泵与空气源热泵的经济性进行了比较。结果表明，对小型住宅，采用水平埋管的地源热泵经济性最好。     

地源热泵竖直埋管换热器的设计

本文论述了地源热泵竖直埋管换热器的设计方法,重点阐述了地热换热器各部分的设计要点,主要包括地热换热器设计中的类型选择、平面布置、埋管的管径与长度、埋管的连接方式、回填材料及循环液的选取等。     

竖直U型埋管地源热泵技术的应用

通过工程实例详细介绍了U型埋管地源热泵技术的主要施工技术，施工工艺。阐述了竖直U型埋管地源热泵技术在我国发展的必要性和可行性。     

基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法

提出了一种用于竖直埋管与周围岩土的传热分析模型。该方法回避了其它模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求,从而可以消除上述参数测量带来的误差。在现场钻孔,埋设U型埋管,通过测量施加的加热功率、埋管中循环水流量、埋管出入口水温随时间变化,利用该模型并结合最优化估计方法,确定了某地源热泵空调系统工地地下岩土的热物性参数,检验证实了该方法的实用性和可靠性。