地下水渗流与地源热泵热量运移耦合模拟

为准确模拟不同地下水径流条件下地源热泵系统地埋管换热区地温场变化特征、系统换热性能变化规律以及由此而产生的热量堆积效应等问题,以同济大学生态园试验场地为研究对象,采用理论分析及数值模拟计算为主要手段,建立了水流、介质、热量三场耦合的数值模拟模型。结果表明:随着地下水渗流速度的增大,热量逐渐向地下水流动方向偏移,粉砂层扩散偏移幅度小于细砂层,细砂层小于粗砂层。0～80 m深度,土层热量堆积明显,处于含水层深度范围内的80～100 m深度土层热量堆积越少。随着地下水渗流流速的增大,地埋管换热器单位深度换热功率逐渐增大,两者为线型关系,地下水渗流流速为1.33×10~(-4)、6.30×10~(-4)及1.27×10~(-3)m/d时地埋管换热器换热功率增幅分别为0.53%、1.31%及2.43%。     

地下水渗流对竖埋管换热器传热影响的数值模拟

地下水渗流对竖埋管换热器与岩土体的热量交换具有显著影响。该文应用地下水渗流理论和传热学理论,建立考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型;针对南宁河流阶地土层,模拟分析地下水渗流对竖埋管换热器传热的影响。研究结果表明:1)地下水渗流可以强化地埋管的换热,且随着渗流速度的增大,强化换热作用越明显;2)地下水渗流对换热器热交换的影响具有方向性,在此基础上,对竖埋管换热合理的布置方式进行分析;3)南宁河流阶地地区,仅考虑砂砾层存在地下水渗流对换热的影响,更符合工程实际。     

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。     

土壤热渗耦合作用下U型埋管换热器换热特性数值模拟

建立了管内流体流动及周围土壤热渗耦合传热的垂直U型地埋管换热数理模型,采用数值方法对有渗流和无渗流工况下的土壤温度场分布、埋管出口温度、不同渗流速度下的单位井深换热量进行了模拟计算分析。结果表明,地下水渗流作用能减小埋管出口升温幅度,在埋管入口平均温度为33℃时,有渗流工况下的埋管出口平均温度为29.91℃,无渗流工况下的埋管出口平均温度为30.85℃。单位井深换热量随渗流速度的增大而增加,当地下水渗流速度为10 m/a和400 m/a时,与无渗流工况相比,单位井深换热量分别增大了约6.33%和71.33%。     

基于地下水渗流的地埋管土壤温度场分析

基于有限长线热源模型,考虑地下水的渗流作用,对比分析无渗流工况与渗流工况下地下土壤温度场分布,结果表明:地下水渗流有利于地下热量的扩散,渗流工况下平均温度与最高温度较无渗流情况分别下降约5℃、4℃,温度场的热量累积得到抑制和减缓;并分析长方形埋管布置形式下的土壤温度场,讨论不同方向的地下水渗流工况对地下土壤温度场分布的影响,对于横纵向埋管数量不同的管群,沿埋管数量少的方向渗流,其土壤温度降低更显著。     

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。     

热渗耦合下的地埋管换热器管群排列方法研究

为了确定地源热泵工程中地埋管换热器管群的最优排列方法和管间距,建立了热渗耦合下的地埋管换热器管群三维传热模型。利用Fluent软件通过数值方法模拟了不同排列方法、不同管间距下的换热器出水口温度,着重研究了存在地下水渗流时管群排列方法对换热能力的影响,并且提出了管群单位面积换热量这一评价指标。研究结果表明,叉排管群的换热能力要高于顺排管群,地下水的渗流作用使之更加明显。无论是叉排还是顺排,管群的换热能力都和地下水渗流方向密切相关。     

连续与间歇运行工况下地埋管换热器的换热特性研究

为了研究地埋管换热器在变负荷下连续运行与间歇运行的换热性能,基于有限长线热源渗流模型建立竖直地埋管钻孔外准三维非稳态传热模型,应用叠加原理计算钻孔群中钻孔壁温度场及地埋管内流体温度场。在存在地下水水平渗流的情况下,研究了变负荷连续运行模式下不同渗流速度、不同运行工况及不同钻孔位置对地埋管换热器的换热性能的影响。结果表明,在连续运行模式下,边缘位置的钻孔及较大的渗流速度能够增强地埋管换热器的换热性能;在间歇运行模式下,地埋管换热器的运行份额越小,其制冷效果越好,反之,制冷效果越差;在间歇运行工况下,土壤温度能在系统间歇期内得到一定程度的恢复,从而更好地提高地热能的利用率。     

垂直U型埋管换热器准三维热渗耦合模型及其实验验证

为了探讨热渗耦合对土壤源热泵地埋管换热的影响,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,通过耦合竖直方向一维流体模型与水平面内土壤二维非稳态热渗耦合模型,建立了考虑地下水渗流影响的准三维U型埋管热渗耦合模型。基于模型的数值求解,探讨了土壤热物性及地下水渗流对埋管换热特性的影响。结果显示:土壤导热系数与比热容的增大均有利于加强埋管的换热,且地下水渗流的存在有利于强化地下埋管与周围土壤间的换热能力,提高土壤源热泵系统的运行效率。实验验证表明,所建模型具有一定的预测精度,可为地下埋管换热器传热特性的研究提供理论基础。     

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。     

地下水渗流条件下埋地换热器传热性能的实验研究

建立了根据地温分布确定地下水流动特性的简化数学模型。针对一个实际工程钻孔进行了地温分布测量,并测试了局部地下水渗流条件下埋地换热器的传热性能。结果表明,上述理论模型具有较好的预测精度。在该文实验条件下,地下水渗流对埋地换热器的传热性能具有明显的强化作用,埋地换热器的换热量平均提高11.35%。     

竖直地埋管换热器吸排热量比对换热区温度场影响研究

以上海市同济大学土壤源热泵科学实验场工程为例,利用Feflow软件建立三维非稳态管群传热模型,按照上海典型办公建筑所要求的地埋管换热器吸排热量比(0.33,0.67和1.10)的条件,对30 a内地埋管换热器及其所处换热区的换热特性进行了数值模拟,探讨了地埋管换热器吸排热量比对换热区土壤温度的影响。研究结果表明,地埋管换热器全年吸排热量差异是影响换热区温度场分布的重要因素,当地埋管换热器全年累计吸排热量比为0.55~0.60时,有利于消除埋管区的热堆积现象。     

岩溶地区特殊地质条件对U型地埋管换热器的传热影响研究

以南方岩溶地区地下水丰富为前提,利用多含水层渗流提高地埋管的换热能力。该文利用有限元软件建立三维单U型换热孔数值模型,利用相关指标分析有无含水层时地源热泵系统的换热效果研究。结果表明：蓄能岩土体内有无含水层多种情况时,U型管出水口平均温度呈现N1>A1>A2>AF1>AF2;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均延米换热量分别比N1高49.87%、44.06%、39.51%、31.93%;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均COP分别比N1高4.35%、3.93%、3.52%、2.67%。在地下水丰富区域应合理布置换热孔,提升热泵系统运行效率,对实际工程项目可提供一定的指导。     

有均匀渗流的介质中螺旋埋管的传热分析

以埋设在均匀渗流介质中的螺旋埋管为研究对象,结合地源热泵工程应用背景,将地下螺旋埋管简化为连续的螺旋线热源,通过移动线热源理论与格林函数法,建立二维和三维非稳态的导热与对流联合作用的渗流传热问题的传热模型;求得无限长及有限长螺旋热源形态下渗流问题的温度响应的解析解。通过与纯导热模型的对比可知,地下水渗流会在一定程度上影响地下温度场的分布及传热达到稳态所需的时间。指出渗流速度是体现地下水流动对换热过程影响程度的重要参数,且渗流对整个螺旋管群的换热影响也被分析讨论。     

基于渗流有限长线热源地埋管管群换热分析与优化

地下水运动对地埋管换热器具有重要的影响,通过对比分析渗流无限长与有限长线热源模型,指出考虑轴向传热的有限长线热源更为合理。基于温度场的叠加原理,建立渗流有限长线热源的管群换热模型,并通过耦合管内流体流动,构建管群换热的优化模型。采用位置布置优化措施后,18孔梅花布置比16孔正方形布置的面积利用率提高12.5%,承担相同的负荷其系统的COP值提高7%-10%;16孔管群采用负荷分配优化策略后,其管群的土壤温度场不平衡率大大降低,管群平均温度约降低7.6%,COP提高约10%。     

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。     

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。     

地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究

为确定地下水渗流对竖直地下埋管换热器的影响,该文从实验角度出发,分别对无渗流土壤、饱和土壤中地下埋管换热器热负荷对其周边土壤温度场的影响,有渗流土壤中地下水流速、土壤初始温度以及埋管热负荷对土壤温度场的影响进行了实验,从而得出在夏热冬冷地区或亚热带地区应用土壤源热泵时,宜采用冷却塔-土壤源热泵混合系统形式或将地下埋管换热器埋设在地下水流速较大地区,以期土壤源热泵的长期良好运行。     

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。     

地下水渗流条件下土壤蓄热性能的数值研究

为了研究地下水渗流条件下土壤的蓄热性能及其影响因素,建立了地埋管换热器与土壤的准三维热渗耦合传热模型,通过方程离散和编程求解,研究了地下水渗流条件下渗流速度、U型管管内水流量等因素对土壤蓄热性能的影响规律,对比分析了连续蓄热模式和间歇蓄热模式对土壤蓄热性能的影响,研究结果可为土壤源热泵系统的蓄热运行方式提供参考。