单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

在“双碳”目标下,浅层地热能供暖(冷)作为一种新型的清洁能源利用形式得到广泛使用。为提高浅层地热能的利用效率,以我国北方某综合能源供暖(冷)项目土壤源热泵系统为研究对象,构建单井U型地埋管换热器的三维非稳态传热模型,并利用Fluent软件分析其传热特性与热渗耦合特性。选取4.0,4.5,5.0 m等3个不同埋管间距和106.0,113.0,120.0 m等3种不同埋管深度,对地埋管换热器的换热总量及单位井深换热量分别进行对比分析。分析结果表明,埋管间距为4.0 m、埋管深度为106.0 m时,单井地埋管换热器的换热效果最佳。对无渗流和有渗流及不同渗流速度下地埋管换热器温度场进行对比分析,结果表明,地下水渗流会对地埋管换热器换热效率带来正向影响,并且随着渗流速度的增加,换热效果更好。上述分析为实际工程的地埋管方案设计提供参考依据。

基于热平衡的土壤源热泵系统特性分析

针对不同负荷不平衡率时地下埋管换热器的传热特性展开研究,提出采用辅助冷热源、盘管排数调节等策略建议,以期土壤源热泵系统的高效运行.此外,还建议将地下埋管换热器安装在地下水丰富地区,亦可以减轻土壤全年热不平衡所带来的问题.

地下含湿岩土热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟

考虑了地下水的渗流作用和U型换热埋管的实际形状,建立了U型管地下换热器管内流体以及周围土壤热渗耦合物理数学模型。模型将土壤视为均匀的、各向同性的饱和多孔介质,土壤中水的渗流视为二维。管内湍流流动采用Realizable k-ε模型,数值计算采用Fluent软件。给出了管内流体以及周围土壤的温度分布数值模拟结果,分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响、U型管两支管的热短路作用及回填材料对土壤温度场的影响。所得结论对地下换热器的设计具有理论意义。

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。

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。

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。

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。

地下水流动对地下管群换热器传热的影响分析

为确定地下水渗流对土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器的影响,该文基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法求得冬、夏季工况下管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解,从而分析了地下水渗流对其传热过程的影响,结果表明地下水运动对原温度场的影响明显,而且越高的地下水流速影响越大。

热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析

为确定地下水渗流对U型地下埋管换热器的影响,基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法求得管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响,结果表明地下水流动对原温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。进一步分析了有渗流时不同土壤类型对地下埋管换热器的影响情况,在饱和状态下导热系数是主要的影响因素。

热-渗耦合的井抽灌系统对地温场的影响

针对水源热泵抽灌对地温场的影响,运用Comsol Multiphysics多物理场全耦合软件建立热-渗耦合的数值计算三维模型。对比分析不同回灌量下地温场分布云图和不同回灌量下地温场的分布规律,得出单井回灌量越大热影响半径越大、同时热峰面向抽水井方向运移速度越快,达到热贯通时间越短;前期系统运行回灌井附近区域温度变化明显,后期系统运行对回灌井周边较远区域温度变化较影响明显;不同位置热运移规律均与渗流速度相关,影响半径基本与渗流速度呈正比。

地埋管换热器传热模型的回顾与改进

回顾了国内外关于地埋管换热器的设计计算理论、传热模型及其计算方法,发现几乎所有的模型都未考虑地下水渗流的影响。举例说明地下水流动对地埋管换热器有较大的影响,建立了考虑热传导和地下水流动共同作用的地埋管换热器的传热模型,并且对单井地埋管进行了初步分析,结果表明地下水渗流能增强盘管的换热能力。

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%。

基于多种土体导热系数模型的潜流带温度场模拟

河流潜流带地下水和地表水相互交换对于净化水质以及保护河流生态系统具有非常重要的作用。基于土体导热系数模型的饱和-非饱和流-热耦合模型来模拟潜流带温度场分布是当前研究的热点之一。基于此,本文选取美国内华达州沃克河段,分别基于Chung&Horton(1987)、Lu(2007)、Lu(2014)和Ren(2019)模型构建了潜流带饱和-非饱和流-热耦合模型,并进行了各因素之间的相关性分析。结果表明:(1)Ren(2019)模型较其他模型拟合效果最好,精度最高;(2)水温及地表以下各监测井的温度相比于环境温度具有明显的“衰减”和“滞后”现象;(3)流速随水位波动发生规律性变化,水位波动幅度较大时流速波动也较大;(4)河岸带区域各监测点温度与水位呈极显著中度程度负相关,河床区域各测点温度与水温呈极显著强相关。

地下水源热泵运行模式对地温场效能影响研究

基于上海市某地下水源热泵工程项目,采用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立二维简化的热渗耦合数值模型,模拟采能区含水层多孔介质热量运移过程,并利用热泵运行3年的现场监测数据进行模型的识别与验证。探讨热泵系统冷、热负荷设计和抽、灌模式两个方面对采能区地温场效能的影响,分析和预测不同工况下热泵运行期间地温场的演变特征,最后对系统的运行效果进行评价。结果表明:该热泵系统按原设计方案运行时,抽灌井短期运行效果良好,但在第7个供暖期末将出现热贯通现象,长期运行将不利于热井的取热;如果减小20%热负荷、增加20%冷负荷,会使冷影响区扩散速度降低46.3%,系统运行效果得到显著改善,在模拟的9个运行周期内并未出现热贯通现象,说明合理调节冷、热负荷有利于热泵系统的长期稳定运行;当冷、热负荷恒定时,分别减小10%和20%的循环水量将会使冷影响区扩散速度分别降低9.3%和15.7%,有效地缓解了热贯通的发生,且仍能满足项目对于制冷供暖的需求,进一步阐明了地下水源热泵系统宜采用“大温差、小流量”的抽灌模式。

地埋管换热器Delaunay三维非结构化网格的方法研究

针对土壤源热泵竖直U型地埋管换热器几何模型,研究并实现三维Delaunay非结构化网格划分。基于该几何模型的特点对网格划分算法进行改进:对于极小数之间的对比判定,设置相对误差限,避免错误的判定结果;解决插入点与空腔边界共面的问题;实现相互连接又彼此独立的多层网格。该文采用Fortran语言编写程序,对U型管、管壁、回填土、土壤部分进行非结构化网格划分,获得质量较好的四面体网格。

热-流-固耦合的群井抽灌环境效应分析

分析了地下水源热泵系统3个物理场之间的耦合作用,利用有限元软件建立了热-流-固三场不完全耦合的数值计算模型;通过对渗流场、温度场、应力场、位移场的分析得出:抽灌水引起的水头差导致的强迫渗流对渗流场的分布起主导作用;土体传热和热对流对温度场的影响远小于渗流的影响;应力场主要有两部分:一是温度变化引起的热膨胀应力;二是地下水的强迫渗流对土骨架的作用力;位移场是应力场的外在表现,规律与应力场基本相似。