陕北地区中深层同轴地埋管取热性能影响因素分析及优化

中深层同轴地埋管地热供热技术在我国北方城镇供热领域兴起并广泛应用。陕北地区地热资源丰富,但地温梯度略低且岩土热物性参数特性不同,地质参数影响中深层同轴地埋管的取热性能。采用OpenGeoSys开源数值模拟平台建立三维中深层同轴地埋管耦合地层传热计算模型,并基于陕北地区典型地质参数,研究不同设计参数对中深层同轴地埋管取热性能的影响及全生命周期技术经济性,优选出地热工程最佳工艺参数。结果表明,中深层同轴地埋管的外管径与埋深增大均能提升取热能力。相较于外管径,埋深对取热能力的提升效果更为显著,埋深从2 500 m增加到3 500 m,取热量增加了77.3%。依据工程实践,当外管外径×厚度大于177.80 mm×9.19 mm时所对应的平均能源成本因其钻井成本陡增而增大。在给定工况参数下,推荐中深层同轴地埋管的最佳外管外径×厚度为177.80 mm×9.19 mm,埋深为3 200 m,此时平均能源成本为0.524元/(kW·h),经济效益最优。

竖直地埋管单位井深换热量影响因素回归分析

基于单U竖直地埋管换热器的热渗耦合传热模型进行大量的数值模拟计算,并用SPSS统计分析软件对计算结果进行了一元和多元回归分析,从而对地下埋管换热器单位井深换热量的影响因素,诸如岩土热物性、地下水流动、地埋管参数、循环液参数和运行模式等的影响程度进行了研究。用一元线性和非线性模型回归得到了单位井深换热量与各个参数的关系式;用多元线性模型回归得到了单位井深换热量的预测方程式,并分析了各因素影响的重要程度,用于指导工程实践。

竖直单U形地埋管换热器单因素敏感性分析

基于竖直单U形地埋管换热器的热渗耦合传热模型,分析了岩土导热系数、岩土体积热容、岩土孔隙率、原始地温、地下水渗流速度、埋管深度、管内流体流量、地埋管进口水温及运行模式等因素对地埋管换热器换热性能的影响。进行了单因素回归分析,拟合得到了单位井深换热量及地埋管出口水温与各个参数的回归方程。

U型管换热性能影响因素研究

建立了钻井单位井深换热量与钻井深度、流量变化关系的计算模型.通过实例计算,分析了在流量不变时钻井的单位井深换热量随钻井深度的变化以及50 m,100 m,150m和200 m钻井单位井深换热量随流量的变化.得出在设计地源热泵地下换热器时,需要合理的选择钻井深度、U型管内的流体流量来保证钻井的换热经济性.最后提出单位井深换热成本指数作为U型管换热经济性评价指标.

土壤源热泵地埋管换热实验研究

在不同的钻井和埋管结构中,利用实验装置及测试系统运行不同地埋管进水温度、进水流速等数种工况,根据土壤源热泵地埋管实际运行的测试结果讨论地埋管进水温度、流量、埋管类型、钻井深度以及运行方式对单位井深换热量的影响。实验表明,提高进水温度、流量、钻井深度以及选择合适的埋管类型可增强地埋管换热能力,间歇运行方式能够最大程度利用土壤蓄能特性,使地埋管始终能够高效换热,相比连续运行提高了33.9%,但进水温度、流量和钻井深度不能无限增大,其大小的选择需要考虑土壤源热泵主机运行性能和经济性。

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%。

形状因子法在垂直U型埋管传热分析中的应用

竖直U型埋管热交换器是地源热泵系统的重要组成部分。文章以能量平衡为基础,采用传热学中的形状因子法,针对某一常用结构形式的地埋管换热器热阻和换热量进行了数值计算。在此基础上,重点分析了钻孔深度、孔内的管间距、地埋管进水温度和土壤温度对换热器热阻和换热性能的影响,旨在为竖直U型地埋管换热器的设计和工程应用提供必要的参考。

地埋管绝热措施下的换热强度

地源热泵系统换热效果所受到的影响因素很多,地源热泵换热量的大小是反映系统换热性能优劣的重要参数.通过CFD数值模拟软件分析了单U地埋管保温、不保温和保温长度不同及不同流量下的换热情况,得出了地埋管的单位井深换热量是随着流量的增大而增大,保温地埋管换热能力要高于非保温管,且保温层深度要适宜的结论.同时,结合实际工程实测数据进行对比分析,验证了模型及数值模拟结果的正确性.

影响竖直地埋管深度的因素分析

《地源热泵工程技术规范》尚未对地埋管换热孔深度做出具体要求,通过建立三维数值传热模型,计算了不同深度时的传热情况,分析各种因素对地埋管换热器深度的影响,认为换热管内的流体流量为影响换热孔深度的一个重要因素,地温梯度、回填材料热物性和管道间距也对不同深度换热孔的换热能力产生了一定影响。因此在实际工程中,需要将换热孔深度加大时应相应提高管内流体流量,并合理加大换热管尺寸。

竖直U形地埋管流速与换热强度实验研究

在2个实际工程现场钻取测试井，采用常见的竖直U形地埋管形式，设定不同的管内流速，测得模拟冬、夏季工况下的进出口水温，计算出单位井深换热量，分析了管内流速对地埋管换热强度的影响。结果表明，在0．6～O．9m／s的流速范围内，地埋管换热强度随流速的增大而增大，超出这一范围，增大流速会导致换热强度降低。

灌注桩基埋管换热性能测试与对比分析

以江苏省昆山市地源热泵桩基一体化工程为研究对象,通过传统地埋管换热器与能量桩桩埋管换热器的换热试验对比,分别对传统并联双U垂直地埋管、并联双U灌注桩基埋管和并联双螺旋灌注桩基埋管等形式的换热器进行换热性能测试,得出3种埋管形式的平均换热量、单位管长平均换热量和单位埋管深平均换热量等因素的比对结果,并通过数据得出并联双U灌装桩基埋管换热器和并联双螺旋灌装桩基埋管换热器的每延米换热量分别是传统地埋管换热器的近2.5倍和5倍。

基于双U地埋管蓄取热耦合工况下土壤动态传热特性试验研究

为了探索蓄取热耦合工况下双U竖直地埋管周围土壤动态传热特性,自行搭建砂箱试验台,试验研究了蓄热取热耦合(冷热交替)运行模式对土壤温度分布和单位井深换热量的影响。试验结果表明:土壤温度随运行时间呈现出周期性上下波动的变化规律;随着径向距离增加,土壤温度上下波动幅度减小;单位井深换热量则呈现先急剧跃升后再下降趋于稳定,随后再急剧跃升的周期性变化规律;等功率、变蓄热功率和变取热功率三种工况中,连续运行模式下等功率工况的土壤温度上下波动幅度最小,而间歇运行模式下变取热功率工况的土壤温度上下波动幅度最小;连续运行模式下的平均单位井深换热量以等功率工况为最高,而间歇运行模式下的则以变蓄热功率工况为最高。

双U型埋管换热器换热影响因素分析

对地源热泵垂直单孔双U型埋管换热器的单孔回填材料、管内流量、进口温度等因素对换热效果的影响进行研究.对搭建实验台的测试数据进行分析,得到了在该测试工况下最佳流量约为1.01m3/h,并对比中粗砂与原土的热导率,得出在导热率增大45%时,其单位井深换热量增大了25%,同时经过数据和设备综合考虑分析得出了机组循环液的出口温度不宜太高,在约35.6℃达到实验最佳值的结果.

地源热泵地埋管单位埋管深度换热量指标的推导

根据规范中有关公式,代入相关参数进行详细推导计算,得出各部分热阻,进而计算出各类典型岩土的单位埋管深度换热量指标;并利用GLD地埋软件验算,结论相符,可简便应用于实际工程设计。

地下水流动对地埋管换热器的影响研究

基于单U竖直地埋管换热器的热渗耦合传热模型模拟分析了夏季工况下地下水流动对地埋管换热器的影响,发现有渗流土壤中随着地下水流速的增加,地埋管换热器单位井深换热量升高,出口水温降低,并且地埋管区域换热达到稳定的时间会缩短,而且使换热器换热达到稳定时能够保持较高的换热量和较低的出口水温。

抽-灌井分布模式对地埋管换热器井群传热特性的影响

基于移动线热源及多孔介质热-渗运移理论,建立耦合抽-灌井式地埋管换热器井群传热模型.通过模拟计算,探究不同抽-灌井分布模式对地埋管井群传热特性的影响.研究表明:在耦合抽-灌井运行模式下,地埋管换热器进出水温差上升,换热性能提高,单井能效系数增大5%以上.单侧布置抽灌井,热扩散影响范围最小,含水层中单位埋深换热量高于对称布井模式.当考虑抽灌井布置方式对于含水层热-渗运移的影响时,在细粉砂层中Peclet数仅为0.75,然而地埋管换热器单位埋深换热量比无抽灌井模式提高61.4%.