严寒地区土壤源热泵地下水平埋管换热性能影响研究

针对严寒地区地源热泵水平埋管换热器的传热规律及其制约因素,建立加土壤保温层水平埋管换热器周围土壤不稳定温度场的物理和数学模型,并对所建立的模型进行模拟计算及实验验证。研究加保温层前后埋管周围土壤的温度变化以及不同运行方式下埋管周围土壤的温度场。结果显示:加土壤保温层后,单埋管换热器周围土壤温度提高1.30℃,双埋管换热器周围土壤温度提高约1.20℃。间歇运行比连续运行更有利于土壤温度的恢复,埋管换热量也得到提高。     

潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究

根据热渗耦合理论,在相似理论的基础上搭建了模拟潮汐涨落的地源热泵砂箱实验台。实验结果表明,潮汐的涨落对地埋管换热器与土壤间的换热性能及其周围温度场产生一定程度的周期性影响。潮汐影响有利于地下埋管换热器周围土壤温度场的恢复,提高土壤源热泵系统的运行性能。     

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。     

地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

为确定地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热器周围温度场的影响,以U型地埋管换热器传热系统为例,构建了等效当量直径的单管圆柱换热器传热物理和数学模型,并用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.2a 对夏季工况下地埋管换热器周围温度场进行数值模拟计算,通过有无渗流条件下不同导热系数、孔隙率土壤温度场变化的对比分析,确定引起温度场变化的主导因素,为下一步试验提供了重要依据。     

单/双U形地埋管换热器传热特性模拟研究

为了研究不同因素对单/双U形地埋管换热器传热特性的影响,建立单U形和双U形地埋管换热器传热物理数学模型,分析流体进口流速、流体进口温度、回填材料和土壤竖向温度梯度对地埋管周围土壤温度分布规律和单位管长换热量的影响。结果表明：地埋管周围土壤温度随流速的增加而增加且双U形大于单U形,对径向距离大于1 m的土壤基本无影响;双U形地埋管换热器的单位管长换热量大于单U形,双U形地埋管换热器的热短路现象更严重;增加流体进口温度时,土壤温度、单位管长换热量均增加,但热作用范围基本不受影响;回填材料为砾砂时的土壤温度增加幅度大于黏土,单位管长换热量大于黏土,但增加比例小于回填材料为黏土时的情况;土壤竖向温度梯度越大,土壤温度和单位管长换热量波动幅度越剧烈,且双U形的波动幅度大于单U形;钻井深度和土壤竖向温度梯度较大时,地埋管不宜采用U形管作为换热器。研究结果对单/双U形地埋管换热器的设计及地源热泵系统的运行提供参考。     

竖直埋管周围土壤温度场数值模拟研究

建立了应用于地源热泵系统的竖直埋管的传热数学模型,并采用ANSYS软件模拟了埋深为23 m的竖直埋管在夏季运行工况下周围土壤的温度场变化,为竖直埋管换热器的埋设提供了参考。     

热渗耦合作用下U型埋管换热器的数值模拟

针对土壤耦合热泵地下U型换热埋管,建立了管内流体以及换热器周围土壤热渗耦合物理数学模型。所建模型考虑了U型管的实际形状,土壤考虑为饱和多孔介质,管内湍流流动采用R ea lizab le k-ε模型。采用F luen t软件对模型进行模拟计算,得到了管内流体以及周围土壤温度分布。分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响,并对考虑渗流作用时不同土壤物性对单根U型垂直埋管换热器周围土壤温度场进行了模拟计算与分析。     

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.     

土壤源热泵地下水平埋管换热性能及其周围土壤温度场的影响研究

通过建立地下水平埋管换热器模型,模拟了土壤导热系数对埋管及其周围土壤温度场分布和埋管换热量的影响.分析了埋管管材及埋管埋深、管径、管壁厚度等对埋管换热的影响.模拟结果显示,当土壤导热系数从1.1W/(m·℃)增大到2.5W/(m·℃)时,埋管单位管长换热量增幅达100.8%,且到埋管距离越近的点,其土壤温度随土壤导热系数的变化相对较快.地下二层埋管外表面温度及其周围土壤温度变化比地下一层换热稳定性好,换热量大.适当的加大管径,减小管壁厚,有利于增强埋管换热.     

土壤蓄冷与释冷过程的能量分析

在对土壤蓄冷系统冷量损失过程分析的基础上,提出了地下埋管换热器垫层冷量损失与温差传热冷量损失的概念,并建立了垫层冷量损失和温差传热冷量损失的计算模型;为衡量系统在运行期间地下埋管换热器管束系统的运行效率,建立了埋管换热器管束系统的平均释冷率模型。通过理论研究与模拟计算,分析了土壤初始温度、埋管间距及管束结构对土壤蓄冷系统冷量损失的影响,指出了土壤蓄冷系统冷量损失随土壤初始温度及埋管间距之间的变化规律,为土壤蓄冷系统地下埋管换热器的优化设计提供理论依据。     

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。     

富水土壤地区土壤换热器换热性能的实验研究

介绍了作者自主设计实施的土壤源地源热泵系统,并针对夏热冬暖地区富水土壤的特性,对Ф80套管周围的土壤温度分布及浅埋土壤换热器的换热性能进行了实验研究.研究发现:渗流水的存在,有助于土壤换热器的换热,套管释放的冷量主要沿渗流水流动方向扩散,且较长时间运行后的土壤换热系统能够保持稳定;管径较大的套管换热器的换热性能明显优于U型管换热器,且Ф65套管换热器的投资经济性最好.     

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。     

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2.5m时对应的换热量较埋深1.5m时的对...     

软土地区竖直地埋管换热器参数与换热性能分析

地埋管换热器是土壤源热泵系统的关键部件,选择合理的设计参数是对土壤源热泵系统工程进行优化设计的基础。依托上海市典型地质条件建立单U垂直地埋管换热器三维非稳态传热模型,分别分析了上海市地质条件、换热器结构、循环流体、运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并通过回归分析得到地埋管换热器换热效率的变化率与主要影响因素的关系式,使各影响因素的敏感度得到量化,对于影响地埋管换热器换热性能的参数,根据影响程度由大到小依次为循环水平均温度、原始地温、换热孔深度、岩土体导热系数、回填料导热系数。研究结果为土壤源热泵系统的实际应用提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。