考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。     

蓄热过程中竖直U型地埋管周围土壤传热规律

为了探讨不同因素对竖直U型地埋管周围土壤传热规律影响,在试验验证基础上,基于有限元分析法建立二维非稳态物理数学模型,分析了土壤类型、地埋管管径、热流密度、地埋管管脚间距和热泵运行模式对竖直U型地埋管周围土壤温升率和热作用区域的影响。研究表明:地埋管附近土壤温升率随热泵运行时间的增加呈现先迅速增大后下降最后趋于稳定的变化规律;热作用区域随热泵运行时间的增加而增加;轻土适合作为地源热泵长期运行的蓄热材料;土壤温升率及热作用区域均随地埋管管径和热流密度的增加而增加;热泵间歇运行时,土壤温升率曲线表现为先上升后下降,且随热泵开停比的减小而减小。在本研究计算条件下,地埋管管脚间距宜取120 mm。经试验验证,本研究所建模型吻合度较好,其最大误差为1.4%。     

基于Hammerstein-Wiener模型的地埋管换热器出水温度预测

针对土壤源热泵系统节能运行的控制需求,该文提出一种面向系统运行控制的地埋管换热器Hammerstein-Wiener(H-W)模型。基于H-W模型结构特性和非线性特征,结合地埋管换热器168 h的实时进出、水温度数据,利用Levenberg-Marquardt寻优算法对H-W模型进行辨识,在此基础上,以48 h的逐时进水温度作为模型输入,模型预测值与相应数据的拟合度为99.44%,验证了H-W模型的预测结果。在连续1 000次的H-W模型辨识与验证测试中,拟合度高于90%的占83%。地埋管换热器H-W模型的辨识速度快、预测结果精度较高,并在持续的在线预测中显示了较强的稳定性,为土壤源热泵系统在线优化控制的实施提供了保障。     

竖直埋管换热器热响应半径计算方法

随着能源压力的日益增大,世界各国都十分重视可再生能源的利用与开发,地源热泵技术作为一种清洁、高效的可再生能源,近年得到了较快的发展。该文利用无限长线热源传热计算模型,讨论了介质内过余温度场的分布特性。结果表明：介质内温度响应在孔壁处最大,随离孔壁距离的增加呈指数衰减,随时间的增加而增大;热传播区域随时间的增加而增大,随介质的热扩散系数的增加而增大。针对工程中群埋管换热器情况,利用叠加原理计算群埋管的孔壁温度,定义换热器的热响应半径为其他钻孔引起的过余温度影响系数≤5％时相邻钻孔中心线之间的垂直距离。在大量计算分析基础上,提出了竖直埋管换热器热响应半径计算方法。计算结果表明该文方法具有较好的计算精度,竖直埋管换热器的热响应半径随岩土热扩散系数增大而增大,随持续运行时间增加而增大,随钻孔排数增加而增大,随着钻孔孔径增大而增大;钻孔布置方式不同对钻孔热响应半径的影响较明显,相同布置方式下钻孔直径对其热响应半径的影响较小。针对工程中常见的115和135 mm 2种孔径,绘制了不同岩土介质下钻孔单排、双排和三排以上布置时热响应半径-运行时间的关系曲线。工程算例表明该文方法简单方便,为工程设计提供了便利。     

基于热平衡分析的地埋管地源热泵换热方案模拟优化

为了确保丹阳中心城区浅层地热能可持续开发利用,避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期间出现热堆积问题,基于地下水渗流和热量运移原理,建立了丹阳中心城区地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型,结合未来地埋管地源热泵系统的运行工况,预测丹阳中心城区地下温度场的热平衡发展趋势。在此基础上,规划设计了3种优化方案:(1)按行政区划Ⅰ~Ⅴ个开发利用分区,调整地埋管间距分别为18,23,17,20,20 m;(2)地埋管间距5 m,加热秋季生活用水Ⅰ区157 798 m~3/d、Ⅱ区413 235 m~3/d、Ⅲ区339 322 m~3/d、Ⅳ区261 266 m~3/d、Ⅴ区27 6205 m~3/d,加热春季生活用水Ⅰ区473 394 m~3/d、Ⅱ区123 9705 m~3/d、Ⅲ区1 017 966 m~3/d、Ⅳ区783 798 m~3/d、Ⅴ区828 615 m~3/d;(3)地埋管间距5 m,增设冷却塔辅助地埋管换热孔进行夏季排热,冷却塔夏季冷却温度Ⅰ区为4.35℃、Ⅱ区为6.12℃、Ⅲ区为4.87℃、Ⅳ区为5.29℃、Ⅴ区为4.80℃。3种方案均可以有效减缓和避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期内的热堆积问题。地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型是优化确定浅层地热能地埋管地源热泵可持续开发利用方案的有效方法。     

模式搜索算法在地埋管换热器热阻确定中的应用

为了准确确定土壤源热泵系统地埋管换热器的热物性参数和热阻,该文以地埋管换热器线热源模型为基础,结合土壤的热响应试验,提出了一种应用模式搜索算法确定土壤综合导热系数和地埋管换热器热阻的方法。搜索算法实施时,热阻作为一个待定参数,不必考虑换热器的各项物理参数,降低了运算工作量。试验实测结果表明,应用模式搜索算法后该文试验条件下确定的土壤综合导热系数的相对误差为1.42%,热阻的相对误差为1.73%;通过与其他方法比较,模式搜索算法确定的参数的相对误差较小,算法精度较高,可靠性较高;该研究结果为土壤源热泵系统的设计与应用提供参考。     

地下工程地埋管水箱并联水环热泵空调系统设计与控温方案

基于红外伪装和节能的双重需求,该文提出一种应用于地下工程的地埋管水箱并联水环热泵系统。在对该系统理论分析的基础上,提出阶段控制和全年控制2种室内温度控制方案。以北京某地下工程为例,借助TRNSYS软件对该系统进行了设计与分析。结果表明,采用阶段控制方案在过渡季可以改善人体的热舒适,采用不同温度控制方案对平时间歇运行的地埋管系统影响不大,热泵系统在40 a周期内均能够保证空调负荷需求。研究对象的平时空调冷负荷远大于热负荷,战时均为制冷模式,其峰值冷负荷约为平时的3.15倍。最后以耗水量和占地面积为指标,对比分析了"地埋管+静态水箱"和"地埋管+动态水箱"2种冷热源方案,认为该工程采用"地埋管+动态水箱"复合冷热源方案更优。该研究为地埋管水箱并联水环热泵系统在地下人防工程应用提供了理论基础。     

严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性

土壤温度及蓄放热特性是保温型塑料大棚土壤传热特性的重要体现。因此,为定性、定量地阐明棚内土壤温度变化规律和蓄放热特性,在严寒地区生产性大棚内进行了试验测试,并通过构建大棚土壤热量平衡简化方程、温差拟合等方法对土壤蓄放热特性进行了理论分析。研究结果表明：1）土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函数递减,通过计算得出测试地区大棚土壤的蓄热层平均厚度约为0.55～0.80 m;2）棚内土壤横向地中传热损失占土壤总热损失的9.8%～24.7%,若将此部分热量用于提高土壤温度,则棚内土壤平均温度可提高0.3～0.5 ℃;3）天气条件对土壤蓄放热性能的影响较大：晴天日累积蓄热量比多云天多37.2%～50.6%左右,日累积放热量比多云天多44.7%～64.3%;晴天的最大蓄热流量和日累积蓄热量均是阴天的4倍以上,与蓄热性能相比,晴天与阴天的土壤放热性能差异较小。土壤蓄放热量主要受表层土壤与气温温差的影响,棚内外气温差对其影响较小。     

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节(30 d)温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明:各测试层墙体表面及0.1~0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。     

蓄能型振荡热管太阳能集热器的热性能

太阳能集热器是太阳能热泵系统的核心部件.该文设计了一种蓄能型振荡热管太阳能集热器,将其应用于蓄能型太阳能热泵系统中,可根据太阳辐射强度切换工作模式,实现太阳能分季节全天候利用,能提高系统热力性能.搭建了蓄能型振荡热管太阳能集热器热性能测试试验台,对振荡热管换热器内充灌不同工质(R134a、乙醇/水、丙酮/水)、集热管内分别利用空气显热蓄能或者石蜡潜热蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器在白天和夜间工况下的热性能开展了试验研究.结果表明:振荡热管换热器内充灌R134a的集热器,白天工况下集热效率最高,平均集热效率在0.45以上,利用石蜡蓄热时最高达到了0.90;日有用得热量最大,最低可达到7.14 MJ/(m2·d);夜间工况下供热水水温最高.无论利用空气和石蜡蓄能,白天工况下集热器瞬时集热效率均与太阳辐射强度的变化规律相反.真空管内利用石蜡蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器,阴雨天其集热效率远高于利用空气蓄能的集热器,平均提高64.0％,夜间供水水温均能保持在50℃以上,高于利用空气蓄热的集热器.该研究可为蓄能型太阳能热泵的推广应用提供参考依据.     

不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场CFD模拟

风道在园艺设施中应用较为广泛,通常作为土壤及墙体热量传递的载体。该文搭建了风道传热试验台,以聚氯乙烯管道(polyvinyl chloride pipe,PVC)、镀锌铁皮管道(galvanized iron pipe,GI)及钢筋网外缠绕土工布管道(steel mesh skeleton-geotextile composite pipe,SFG)3种管材作为传热风道,以土壤为蓄热体进行试验,结合计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)对蓄热土壤温度场进行分析。结果表明,SFG的传热效果最好,测试期间的换热量达到299.44 kJ,约是GI的4倍、PVC的3倍;SFG进、出口上、下、左、右4个方向的有效蓄热范围均远大于240 mm,PVC与GI的有效蓄热范围相似;通过CFD所建立的3个传热风道计算模型的最大相对误差为4.4%,模拟发现蓄热土壤截面温度从进风口到出风口具有一定的"坡降"。因此,SFG的传热效果明显优于PVC与GI,具有较高的应用潜力和一定的推广价值。     

沙漠区岩土热响应测试分析及沙漠源热泵系统运行策略

采用地源热泵技术可充分开发浅层地热能资源以减少因昼夜温差大而对农作物造成的影响,因此,为探索地源热泵在沙漠地区发展的可行性,该文追踪宁夏沙漠地区某沙漠源热泵项目的施工与测试流程,为沙漠地区热泵工程的推广积累经验。同时,对当地的岩土热物性进行热响应测试,最终测得该地沙漠初始地温为16.52℃。根据线热源理论求得其平均导热系数为1.12 W/(m·℃),制冷模式地埋管换热量为40.94 W/m,供热模式地埋管换热量为25.28 W/m。结合沙漠地区的气候条件,通过与中国东部地区3个项目的工程数据进行对比分析,认为沙漠源热泵系统运行策略需因地制宜,提出一种适合在沙漠地区合理运行的复合储能式沙漠源热泵系统,为沙漠地区浅层地热能的有效利用提供借鉴。     

热源井抽灌同井连续取/放热特性试验

针对抽灌同井连续运行特性的研究不足,利用单井循环地下换热系统砂箱试验台,以沈阳和上海2地采暖期和空调期的时间尺度为依据,分别开展了连续取热和连续放热2种运行模式下抽灌同井运行特性的试验研究。结果表明,抽灌同井在该试验条件下对取热工况更加敏感,取热比放热更为困难。在连续取热工况下,含水层在受到外界初次干扰的影响更为明显,第2个运行周期的累计取热量降幅为6个运行周期累计取热量降幅的57.1%。在热/冷负荷占优的地区,应根据建筑负荷采取辅助手段及时对含水层进行热量/冷量补给,保证热泵机组高效运行。     

蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

基于热量平衡方程的温室冬季温度控制策略

为解决配备空气源热泵的温室在冬季加热时温度调控不稳定等问题，该研究在对温室热传递原理进行分析的基础上，通过实测数据分别计算了温室卷被闭合与揭开两种状态下的综合传热系数、空气源热泵系统工作性能参数和雾化喷淋工作性能参数。根据温室热量平衡方程，建立了调控设备控制时间与温室环境参数间的数学关系，并以此提出了温度控制策略，系统运行时利用传感器实时采集环境数据作为输入，输出设备所需工作时间，并据此控制设备启停。经试验验证，基于热量平衡方程的控制方法能有效控制温度在目标值附近，且温度变化稳定、波动幅度小。在外部天气状况相近条件下，该控制方法的单日耗电量比基于上下限阈值控制的方法节约9.06 kW·h，占其当日耗电量的10.95%。在控制策略研究的基础上，利用典型物联网结构设计并实现远程自动控制，研究结果可直接应用于实践。     

热管联合多级串联热泵玉米干燥系统性能试验

中国东北地区现有的粮食干燥系统多为大型多段塔式燃煤干燥系统,在粮食干燥过程中,热空气与粮食经过一次换热后,生成的高温高湿废气直接排入了大气,不仅造成了能量的巨大浪费,而且严重污染了环境。该文针对东北地区寒冷气候特点及多段塔式燃煤玉米干燥系统存在的高能耗、高污染问题,开发了一种热管联合多级串联热泵玉米干燥系统,该系统能够实现对多段塔式燃煤玉米干燥中废气的余热回收和废气中杂质的清洁处理,从而达到节能减排的效果。在该系统的基础上研制了50、150和300 t/d的系列化玉米热泵干燥装备,进行了3种规模的产业化示范,并对300 t/d的玉米热泵干燥系统进行了性能试验。结果表明,系统每小时的耗电量为538 kW·h,除湿速率为2016 kg/h,热泵机组的制热系数COP(coefficient of performance,COP)在3.7~6.7之间,除湿能耗比SMER(specific moisture extraction rate,SMER)为3.75 kg/(kW·h)。对多段塔式玉米热泵干燥和玉米燃煤干燥经济性进行比较研究,结果表明:得到1 kg干玉米的热泵干燥成本为0.038元,而燃煤干燥的成本为0.049元,单位玉米的热泵干燥成本比燃煤干燥成本降低22.4%。与玉米燃煤干燥相比,玉米热泵干燥能大量降低污染物的排放,节能减排效果明显,可为热泵干燥技术在粮食烘干领域应用提供有价值的参考。