单U、双U型埋管换热器换热性能与经济性研究

结合实际工程建立单U型与双U型埋管换热器实验系统,进行夏季排热和冬季取热实验。以单位井深换热量为评价指标对不同埋管方式的换热性能进行分析比较,得出排热和取热工况下,双U型埋管单位井深换热量均高于单U型。同时,分析了单U与双U型埋管换热器的经济成本构成,采用投资成本指标、静态投资成本差值和投资成本比数等参数,从换热性能和经济成本两方面对地下埋管换热器进行综合评价。     

三种埋管换热器换热性能的模拟与实验研究

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了单U型、双U型及套管式地埋管换热器在不同管内流速下的换热情况以及埋管周围土壤温度场的变化情况。研究表明:实验值与模拟值相吻合;地埋管换热器换热能力随着管内流速的增大而增强;三种形式地埋管换热器换热能力以套管式最优,双U型及单U型地埋管次之。     

单U型地埋管换热影响因素分析

针对地源热泵单U型地埋管换热器的换热特性,根据岩土体自恢复实验台,利用Gambit软件建立了地埋管换热器的传热模型,并通过Fluent软件模拟分析了不同的管间距、不同的流速以及不同进口水温对单U型地埋管换热器换热能力的影响。     

U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟

在所建立的内热源型埋地换热器模型基础上，采用专业多孔介质计算软件Autough2对模型进行模拟计算。在对单根换热器不同土壤物性对土壤温度影响模拟结果基础上，着重对U型垂直埋管换热器管群模拟只有取热或只有排热单季运行工况下的土壤温度变化，和既有取热又有排热的双季运行工况下的土壤温度变化，分析各自对地源热泵应用效果的影响。     

基于数值计算的U型地埋管井群换热器计算模型研究

针对U型地埋管换热器的特点,在分析单井换热器换热量的基础上,考虑到多井换热器井与井之间传热的相互干扰,提出了一种用于U型地埋管井群换热器数值计算的9井模型,这种模型在数值计算时既能代表一般井群换热的规律,又便于计算机处理,为实际工程中分析井群换热规律提供了很好的理论依据。     

竖直U型埋管地热换热器热短路现象的影响参数分析

通过引入换热器出口最高流体温度的概念,对地源热泵竖直U型埋管地热换热器的热短路现象进行了量化,基于竖直U型埋管周围的瞬时有限元模型,对影响热短路现象的主要参数(支管间距和回填料导热系数)进行了模拟分析,得出了量化结果。结果表明,增大支管间距可降低换热器出口最高流体温度,减小由热短路现象引起的热损失;回填料的导热系数对热短路现象的影响较大,当回填料导热系数小于周围土壤的导热系数时,增大回填料导热系数对减小热短路损失有较大作用,而当回填料导热系数大于土壤导热系数时则作用不大,推荐使用导热系数与周围土壤导热系数接近的回填材料。     

垂直单U地埋管换热器进出口水温耦合特性分析

对某一土壤源热泵空调系统供暖期实测的垂直单U地埋管换热器进出口水温进行分析,总结了垂直单U地埋管换热器进出口水温的变化。利用MATLAB软件对垂直单U地埋管换热器进出口水温之间的耦合关系进行函数拟合分析,得到了垂直单U地埋管换热器出水温度随进水温度变化的函数关系式,其相关系数为0.975。运用该函数关系式结合实测的进水温度预测次年供暖期的出水温度值,将预测值与实测值进行比较,相对误差为±8.1%。证明了该函数关系式可用于预测未来每年供暖期的地埋管换热特性,并为类似地质及气候条件下的土壤源热泵系统的设计和运行预测提供参考依据。     

埋地换热器放热工况的现场运行实验研究

结合一地源热泵示范工程，建立了垂直竖井与地基桩单U型管埋地换热器联合使用的地源热泵系统的综合性能实验装置。通过对一个夏季长期间歇运行测试数据的分析，发现地下各个测点的温度上升幅度各不相同；桩埋管的热作用半径至少为2．5m，井埋管的热作用半径至少为2m；在相同的工况条件下，桩埋管的放热率大于井埋管。     

土壤源热泵U型竖直埋管换热特性的实验研究

以土壤源热泵实验系统为平台,进行了夏季工况实验,分析了管间距为4 m时,单、双U埋管换热器的换热性能,并对不同管间距的单U地埋管进行实验研究。实验结果表明,管间距对系统的运行影响较大,得出夏热冬冷地区长期运行的土壤源热泵系统中地埋管合理的管间距,为长三角地区土壤源热泵换热器设计提供了设计参考。     

地源热泵U型埋管数值模拟与分析

建立准确地模拟U型埋管动态过程的传热模型和数值模拟方法。给出随着深度、运行时间埋深方向,U型埋管热流量和土壤温度在深度方向的变化、U型埋管内流体温度分布。所建立的模型、数值模拟方法及提出的数值结果可以为在地源热泵系统里U型埋管的动态模拟、优化设计、优化运行及其改进提供参考。     

双圆柱坐标下垂直埋管土壤热湿耦合迁移理论模型与数值模拟

以土壤热湿迁移理论为基础,建立双圆柱坐标系下U型垂直埋地换热器周围土壤内三维非稳态热湿耦合迁移模型,并考虑土壤内热湿迁移的相互影响,编制相应的计算软件.进行不同土壤物性、不同运行工况、不同初始含湿量对U型垂直埋地换热器周围土壤内热湿迁移影响的研究.将模拟值与实验结果进行比较,表明该模型可用于实际应用的模拟分析.     

不同管间距的垂直U型地埋管换热实验研究

对不同管间距的垂直U型地埋管进行了夏季工况连续实验,比对单U地埋管换热器不同管间距下的单位井深换热量、管群内土壤温度变化和系统运行情况,结果表明,管间距越大,单U换热器和土壤之间换热效果越好,管群内的热干扰越弱;管间距过小,系统内换热器的换热情况将恶化,导致不能长期稳定运行。     

U型管桩埋换热器稳态传热模拟研究

采用能量平衡的方法建立了土壤层内U型管桩埋换热器稳态传热模型，并以天津市一地源热泵实际工程为背景，模拟计算了管脚热影响因子、土壤导热系数等对U型管桩埋换热器的传热特性的影响。     

埋地换热器理论模型与周围土壤温度数值模拟

提出内热源型埋地换热器理论模型，建立换热器周围土壤热湿传递物理数学模型。内热源模型综合考虑热湿迁移、土壤物性等各方面因素，将埋设于土壤中的换热器处理为等效内热源。采用专业多孔介质计算软件Autough2对模型进行模拟计算。着重模拟计算不同土壤物性、不同换热器运行方式对单根U型垂直埋管换热器周围土壤温度场影响的模拟计算与分析。     

土壤蓄冷与耦合热泵集成系统中土壤蓄冷的模拟研究

结合土壤耦合热泵技术及冻土蓄冷技术的优点，提出一种全新的热泵空调系统形式一土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统。该系统将土壤耦合热泵系统(GCHP)的地下埋管换热器与蓄冷装置合二为一，在电力低谷期将冷量贮存到土壤中，以满足高峰电力期空调负荷的需要。在能量平衡的基础上建立了土壤蓄冷释冷过程的数学模型，并采用固相增量法模型对其进行了模拟计算，分析其应用的技术可行性，为土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的应用提供理论支持。     

土壤源热泵U型埋管换热器传热的非稳态数值模拟

本文基于能量平衡方程,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的非稳态传热模型,用所建立的传热模型对土壤源热泵冬季取热过程进行了动态模拟.研究了不同物性土壤温度及U型埋管出口流体温度的变化规律,分析了土壤物性对换热器换热性能的影响,采用间歇运行方式提高了换热器换热能力.通过建立数学模型得出的结果,可供设计参考.     

An in situ thermal response test for borehole heat exchangers of the ground-coupled heat pump system

Thermal response tests (TRTs) are crucial for the estimation of the ground thermal properties and thermal performance of the borehole heat exchanger (BHE) of the ground-coupled heat pump (GCHP) system. In this article, a TRT apparatus was designed and built to measure the temperature response of inlet and outlet sections of BHE in the test borehole, the apparatus can effectively operate under both constant heating flux modes and heat injection and extraction modes with a constant inlet temperature. A TRT for a project of GCHP located in the Jiangsu province of China was carried out by the experimental apparatus. Based on the experimental data, the heat transfer performances of BHE under heating and cooling modes were evaluated, and the ground thermal properties, which include the ground thermal conductivity, ground volumetric specific heat, borehole thermal resistance and effective soil thermal resistance, were determined by the line source model. The results indicate that the experimental device and analysis model proposed in this article can be effectively applied to estimate the ground thermal properties and thermal performance of BHE. During the process of thermal response of ground, the fluid temperatures vary acutely at the start-stage of 8 h, and then tend to be a steady state after 40 h. The test data during the start-stage should be discarded for improving the estimation accuracy of ground thermal properties. At the same time, the effective soil thermal resistance increases continuously with time and a steady-state value would be reached after the start-time, and this steady-state thermal resistance can be used to evaluate the required length of BHE. In addition, the heat transfer rate of the BHE under different operating conditions can be used for the further evaluation on long-term operation performance of GCHPs.     

Optimization for operating modes based on simulation of seasonal underground thermal energy storage

A simulation was performed, which concerned the feasibility of seasonal underground thermal energy storage (UTES) in Tianjin, China. The investigated system consisted of 8 boreholes. In summer, residual solar thermal energy was emitted into the soil surrounding the borehole heat exchangers through which the stored energy was extracted in winter with a ground coupled heat pump (GCHP) to provide a proper heating temperature. A simulation study was performed to study the influence of system operation modes on thermal recovery based on the experimental data of a GCHP system, local meteorological conditions and soil properties in Tianjin. The results indicate a thermal recovery ratio of less than 67% and different temperature distributions under three modes. Finally, an operation mode was suggested based on both lower loss and better thermal recovery in the UTES.     

太阳能、蓄热与地源热泵组合系统的应用与实验

在天津地区针对某建筑物设计建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)的示范工程与数据采集系统.结合建筑特点与用途,设计太阳能热利用与蓄热利用,将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中,提高土壤冬季热源温度,以提高地源热泵效率,实现太阳能的转移利用.初步实验得到夏季蓄热时集热器进、出口温度,日蓄热时间,蓄热功率及系统耗功等.