竖直地埋管蓄取热特性试验与模拟

在搭建的砂箱试验台试验分析了在单一工况蓄/取热运行模式对双U地埋管动态传热特性的影响。在试验验证的基础上,建立三维动态传热数理模型,数值分析了单一工况运行模式下土壤分层和地埋管管径等因素对双U型地埋管土壤传热特性的影响,并对比分析了单/双U型地埋管传热特性。试验研究结果表明:单一蓄/取热下,连续运行时土壤温度变化幅度随径向距离的增加而减小;蓄热时,进口温度为50 ℃和60 ℃的单位井深换热量要明显比进口温度为40 ℃时高;取热时,进口温度为4.2 ℃的单位井深换热量较进口温度为6.8 ℃时高。间歇蓄热运行模式下土壤温度波动幅度随开停比的减小而增加;间歇取热运行模式下在同一时间内开停比越小,土壤温度越接近土壤初温。模拟研究结果发现:在土壤分层下,双U型地埋管单位井深换热量较单U型地埋管单位井深换热量高19.87%;土壤温度均随地埋管管径的增加而增加,单U型地埋管以管径为32 mm时的单位井深换热量为最好,而双U型地埋管以管径为25 mm时的单位井深换热量为最好,前者单位井深换热量较后者低11.56%。     

水平螺旋型地埋管换热器换热特性的数值模拟与试验验证

基于有限差分法建立了水平螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了地下水渗流速度、地下水位、土壤孔隙率、土壤类型对其换热量及其周围土壤温度分布的影响,结果表明:随地下水渗流速度增加,埋管换热器周围土壤温度降低速率增加,从而可提高其换热性能;当地下水位在4.2 m以上时,地下水位越浅,带走换热器周围土壤的热量越多,换热器周围土壤温度越低;当地下水位在4.2 m以下时,地下水渗流对换热器换热量影响较小;随孔隙率增加,埋管内水温下降速率增大,埋管换热量增加。此外,土壤类型对土壤温度变化影响较大,热扩散系数高有利于土壤中热量的扩散,比热容高有利于降低土壤温度上升速率和幅度,砂岩由于其比热容和热扩散系数高,最有利于换热器运行,而黏土是最不利于换热。试验验证表明:所建水平螺旋型埋管模型预测出的换热量与对应试验值吻合较好,其最大与平均相对误差分别为9.1%与3.3%。     

地埋管换热器传热特性模拟与试验研究

利用土壤源热泵试验系统,进行不同埋管间距下夏季连续运行试验,用FLUENT软件建立竖直U型地埋管换热器与土壤间的传热模型,对不同管间距的U型地埋管周围土壤温度场和地埋管换热器传热特性进行了数值模拟,将数值模拟结果与试验数据进行对比分析。通过分析,得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响大小,以及地埋管周围土壤温度场的变化对地埋管换热器换热性能影响规律,验证了所建立的模型和所用模拟条件的正确性。     

土壤源热泵地下埋管传热强化与控制的试验研究

为了探讨土壤源热泵地下埋管传热强化及其控制的有效措施,基于相似理论搭建了垂直U型地下埋管换热模型试验台,进行了不同回填材料、不同间歇运行控制模式及不同进口温度对埋管周围土壤温度场及换热性能影响的试验测试;建立了垂直U型埋管准三维非稳态数值传热模型,分析了间歇运行与进口温度对土壤温度分布与埋管换热性能的影响.研究结果表明:导热性能好的回填材料能有效提高地埋管的换热能力,但考虑到两支管间热短路的增加,回填材料导热系数并非越大越好.同时,埋管换热量随运停时间比的减小和进口温度的增加而增大;此外,垂直地埋管可利用传热温差上层高于下层,因此,地埋管换热主要集中在中上层土壤.试验验证表明,所建数值模型能较好地模拟地下换热过程,其预测精度在5％以内.     

基于线热源模型的垂直U型埋管换热器的换热分析

为了研究U型地埋管换热,以线热源模型作为基础,以夏季制冷工况为例,运用C语言编程软件对其进行了分析求解。研究了运行时间、换热介质的流量、土壤物性、埋管深度对U型埋管传热的影响以及周围土壤温度分布变化规律。模拟结果表明:当换热介质流量和埋管深度均增大3倍,土壤导热系数增大1.6倍时,单位管长换热量变化幅度分别为9.9%、-10.7%、23.3%。研究结果可为U型垂直埋管换热器的优化设计提供参考。     

相变材料回填地埋管换热器热响应特性的数值 模拟及试验验证

为了探讨相变对PCM回填地埋管换热器热响应特性的影响,建立了PCM回填地埋管换热器相变传热数学模型,并利用FLUENT软件对其进行了数值求解,分析了相变过程及PCM物性参数对地埋管换热器周围土壤温度扩散与恢复机理的影响,结果表明:采用PCM回填可有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度,提高土壤温度恢复率,减小土壤热影响半径;PCM导热系数越高,温度上升/下降幅度越大,热影响范围也越大,恢复也变慢。从缓解土壤温度变化幅度的角度,夏冬季应分别采用相变温度低与高、且相变潜热大的PCM,但就提高土壤温度恢复率而言,夏冬季均应采用相变温度低、且相变潜热小的PCM。试验验证表明:所建模型可以用来模拟PCM回填地埋管换热器的换热过程,其预测最大相对误差在10%以内。     

寒冷地区地埋管周围土壤冻结传热特性试验研究

寒冷地区土壤初始温度较低,且冬季热负荷大,因此地埋管入口流体温度较低,当温度低于0 ℃时周围土壤会出现冻结现象并影响传热。本文通过搭建沙箱试验平台模拟地埋管低温取热过程,采用控制变量法研究入口流体温度对地埋管周围土壤冻结传热的影响。试验结果表明:随着入口流体温度的降低,土壤温度降低,冻结层厚度增大,土壤发生冻结的时间减小,但随着流体温度的降低,冻结层厚度的增加量和土壤温度的降低量逐渐减小。此外不同入口流体温度下的冻结层厚度在埋深方向均随深度增加而逐渐减弱。随着入口流体温度的降低,冻结层厚度从入口至出口处的变化逐渐变缓,说明入口流体温度越低,埋管周围土壤冻结在埋深方向的影响越大。相关结论可为寒冷地区地埋管的设计提供理论支持。     

土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究

对土壤源热泵系统埋地换热器的影响因素进行研究,分析三种获得土壤热物性参数的方法,得到利用现场测试法较精确.搭建实验台对埋地换热器传热量进行测试,发现室内负荷和埋管循环水流量对埋地管与土壤的换热量影响较大,利用圆柱源传热模型进行模拟验证,模拟结果与实验结果吻合较好.     

地埋管热响应测试及数据分析方法

对上海某商务楼垂直地埋管换热器进行热响应测试,该商务楼占地面积大,在相隔300m两个地块分别钻三口测试井.本测试的特点是:地埋管换热器有效换热深度大,测试内容包括单U型及双U型地埋管,根据测试要求设定不同的循环流速.采用一维线热源模型对测试数据进行科学严谨的分析,本文将给出计算土壤导热系数、垂直地埋管换热器传热热阻及确定单位井深换热量方法.试验数据具有很强的对比性并能验证测试准确度.测试结果表明,该测试点的土壤导热系数为1.84～1.94 W/(m·K);相同埋管形式与管径地埋管换热器,传热热阻相同.本测试中双U型φ32埋管热阻大于双U型φ25热阻,单U型φ32型埋管热阻最大.应用线热源模整理出计算给定进水温度下的单位井深换热量公式,并计算出不同埋管形式及循环水流量下的单位井深换热量.     

垂直地埋管传热相干性数值模拟研究

通过分析地埋管换热器的传热特性,建立了地源热泵地埋管换热器数学物理模型,利用FLUENT软件对其换热器的传热相干性进行了数值模拟,在此基础上,通过对夏季制冷工况的模拟与实测,得到不同埋管间距周围的土壤温度沿径向的变化规律及地埋管传热相干性的影响规律。     

新型同轴套管式换热器强化传热研究

同轴套管式地热能开采技术是用于中深层地热能开采的有效方式。为了增强同轴套管式换热器的换热效率,提出了一种带螺旋翅片的新型同轴套管式换热器。基于有限体积法,对比分析新型与普通型同轴套管式换热器的换热性能,得到螺旋翅片结构对换热性能的影响,揭示其强化传热机理。结果表明：通过增加螺旋翅片的翅高或减小螺旋翅片的螺距,可有效增强同轴套管式换热器内流体流动的湍流动能,达到提高换热性能的目的;与普通光滑管换热器相比,翅高为19 mm,螺距为300 mm的新型换热器在雷诺数为27000时,努赛尔数提高了35.5%,摩擦系数提高了91%,热性能系数达到最高1.093;增加翅片和减小螺距都可以增加采出温度和采热功率,翅高为19 mm,螺距为300 mm换热器较光滑管换热器采热温度提高了5.4 K,采热功率提高了32.4%。为高效同轴套管式换热器设计提供了理论依据。     

内蒙地区垂直地埋管蓄热过程土壤温度的变化特性

给出了内蒙地区土壤温度计算式,通过计算获得该地区地表以下20m处土壤温度年波动范围为0.0483%。本文针对土壤蓄热过程建立了二维非稳态传热物理数学模型。基于有限元分析法对内蒙地区热泵长期(90天)连续蓄热过程进行了模拟研究。分析了钻孔口径、回填材料、地埋管管径及热流密度等因素对蓄热过程土壤温度特性的影响。研究表明:热泵长期连续运行会导致地埋管附近土壤出现热堆积不利于蓄热。热流密度、地埋管管径对土壤温度场和热作用半径影响较大;钻孔口径、回填材料对其影响较小;钻孔间距应保持在6.5m以上。研究结果对内蒙地区太阳能-地源热泵系统相关参数的设计具有重要指导意义。     

地源热泵U型管换热器夏季工况试验分析

U型管换热器设计是土壤源热泵系统应用的关键,埋管深度、管内流速、土壤初始温度、运行模式等都是影响其性能的主要因素,利用上海地区所建设的不同埋深U型换热器(60m,90m)土壤源热泵试验装置,进行了夏季工况试验,测得热泵运行前土壤初始温度分布;测试了热泵机组间歇和连续运行时换热器的换热情况;还针对不同埋管内冷却水流速,测得到了单位孔深换热量,结果表明增加冷却水流速并不能一味地提高其每延米换热量,埋管内冷却水流速存在一个最佳值。     

同轴套管式深井换热器的换热性能分析

同轴套管式深井换热器是一种开采地热能的有效方式,为了提高其换热器的换热性能,采用有限体积分析方法,开展了同轴套管式深井换热器传热性能研究。通过建立近地热源区域的同轴套管式深井换热器三维传热模型,分析了入口流速、入口温度以及保温管距井底距离等关键因素对换热器采热功率的影响,结果表明:入口流速由0.1 m/s增加到1 m/s,采出温度降低了9.82 K,采热功率增加了7倍;入口温度从288 K增加到308 K,采出温度增加了13.61 K,采热功率下降了17.2%;距井底900 mm距离降低到 100 mm,采出温度增加1.91 K,采热功率增加了6.57%。     

地埋换热器温度场数值模拟及试验研究

土壤温度场的恢复特性是判定土壤源热泵系统长期稳定运行的重要依据。探讨了某住宅小区土壤源热泵系统的设计方法及主要部件地埋换热器的埋管方式。利用建筑热环境设计模拟分析软件De ST-h建立高层住宅建筑群模型,并进行全年空调负荷模拟。运用大型商业软件FLUENT模拟分析了土壤源热泵连续运行一个夏季和经过一个秋季过渡季后地埋换热器周围土壤温度场的变化和恢复情况,试验研究了制冷过程及制冷期后地层温度恢复过程不同地层的温度分布,结果与数值模拟基本吻合。最后,指出复合式土壤源热泵有利于促进土壤温度场的恢复,从而实现系统长期稳定地运行。     

地下水渗流对地埋管传热影响的理论分析

根据有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解,讨论了在不同地下水流速和土壤热物性条件下,地下水渗流对地埋管与周围土壤的换热影响;并介绍了在地埋管换热器设计中,选择Pe数作为是否应考虑地下水渗流因素的判别条件.     

地源热泵系统钻孔间距对土壤热堆积特性影响的研究

针对钻孔间距对埋管区域土壤热堆积特性影响的研究,建立了竖直双U地下埋管换热器内热源模型,将数值模拟温度与土壤实时监测温度对比进行模型验证,二者误差仅为3%。计算分析了4.8~10.4 m共8种钻孔间距下的土壤温度分布,结果表明:钻孔间距越大,土壤热堆积程度越轻,井群间热干扰作用越小;当钻孔间距达到8.8 m后,增大管间距对热堆积特性的缓解程度减小,钻孔间距在4.8~8.8 m和8.8~10.4 m范围内,增加单位长度管间距时土壤温升降低分别为1.41℃/m和0.57℃/m,钻孔间距增大导致埋管区域向井群外土壤中传递的热量逐渐减少,周围的土壤温度逐渐降低,但各间距下热作用半径基本在16 m范围内。     

基于圆柱源理论的热泵垂直U型地埋管模拟分析

基于圆柱源理论,建立了U型地埋管换热器传热模型,并进行了数值求解。计算结果表明,夏季U型地埋管换热器在给定进口温度和流量时,连续运行48h后,地埋管出口水温、壁面温度和单位延米换热量基本趋于稳定。单位延米换热量与热响应实验数据误差为3%,验证了模型的准确性。以某地区空调系统地埋管换热器设计为例,模拟分析了不同负荷特性下地埋管换热器的换热性能。模拟结果显示整个夏季运行中地埋管最大进口水温低于设定值37℃,满足机组运行温度要求,设计合理。可为实际的工程应用提供参考。     

天津地区双U型地源热泵地埋管换热器性能模拟研究

针对地下水位变化对地源热泵垂直地埋管换热器性能的影响,以天津某工程为例,根据土水特征曲线确定了土壤垂直方向含水量分布和热物性变化,并基于FLUENT软件建立了双U型地埋管换热器的三维非稳态传热模型,对不同工况下的换热器性能进行了数值模拟,将模拟结果与试验结果进行了对比分析。进一步,模拟研究了不同地下水位对换热器性能的影响,其结果对于地下水位变化显著地区地源热泵工程设计、管理具有较好的指导意义。     

U型管埋地换热器周围土壤传热性能实验研究

利用热响应原理,通过实验分析了两个工程案例的埋地换热器周围土壤的导热系数,并具体分析了热响应实验的测试周期与土壤的温度恢复周期;介绍了初始运行时间、钻井回填土类型、U型管内循环水的流速对土壤的导热系数的影响;进一步阐述串联形式与并联形式、双U型管与单U型管埋地换热器的传热性能.