Research on Performance of Ground-Source Heat Pump Double U Underground Pipe Heat Exchange

This paper uses FLUENT software building the three-dimensional unsteady state model of ground source heat pump single U and double U underground pipe to study on heat exchange of underground pipe system in the condition of unsteady state long-term continuous running, analyzes the change of soil temperature filed around underground pipe and performance of underground pipe heat exchange between single U and double U pipe system. The results show that double U pipe system is better than single U system, which can improve unit depth heat exchange efficiency, reduce the number of wells and reduce the initial investment.

地下渗流场对中深层水平井同轴套管取热性能的影响

为提高中深层地热井取热效率,设计了一种水平井同轴套管换热器,考虑地下渗流场作用,研究了渗流速度、渗流方向、水平段长度等因素对水平井同轴套管换热器取热性能的影响。结果表明:水平井同轴套管换热器的出口温度和取热功率比传统垂直井同轴套管换热器提高了12.6%和42.9%;间歇开采工况下取热系统的出口温度降幅较小,且地层温度恢复更好;当含水层的渗流速度大于5×10^(-8)m/s时,系统出口温度高于无含水层,渗流速度过低不利于地热井取热;渗流方向垂直于水平段,对系统取热性能的提升效果强于与水平段同向工况;适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度,可有效提高地热井取热量。

基于格子Boltzmann方法的地埋管管群换热的模拟研究

土壤结构和地下水通常会影响地埋管换热器的传热,本文将利用随机四参数生成法建立双分布函数格子Boltzmann模型,对有渗流条件下地埋管管群换热器与饱和土壤多孔介质的换热情况进行了模拟,分析了影响埋管外土壤平均温度的主要因素。研究表明,土壤热传导特性主要受土壤孔隙度、地下水渗流速度和土壤骨架导热系数k s的影响。本文的研究结论对考虑土壤渗流的地下换热器的设计具有一定的指导意义。

竖进平出型地埋管群换热器结构与控制优化

【目的】为提高浅层地热能利用效率,亟须对影响地源热泵系统性能的地埋管换热器结构和控制开展优化设计。【方法】建立了一种竖进平出型地埋管群换热器模型,研究其换热系统性能,探究其最佳结构及运行方式。【结果】管群布置横纵比越低,单位面积换热量越大,横纵比超过0.15后对系统影响较小;换热器间距越小,土壤利用率越高,但热短路损失越大;双列双出型埋管每延米换热量相较于双列单出型结构提升7%以上;负荷较大工况下叉排布置结构的换热效果更好;整个夏季优化结构的平均出口温度下降2.28℃,换热器周围土壤温度下降1℃以上;实际运行过程中应优先考虑采用流速随负荷变化控制模式。【结论】研究结果可为地源热泵换热器的设计、制造提供理论依据。

基于水循环热平衡的地埋管强化换热性能研究

为提升浅层地热能地下换热器的换热效率,设计螺旋管式、蛇形管式和直管式3种水循环热平衡地埋管强化换热结构,并以螺旋式水循环强化结构为例研究水循环系统参数(螺旋管内径、螺旋半径、螺旋节距和水循环流速)、运行模式、负荷以及土壤性质对系统换热性能的影响。研究结果表明:相较于初始地埋管换热器,螺旋管式、蛇形管式和直管式水循环热平衡地埋管换热器的制冷性能分别提升28.3%、25.3%和10.7%,制热性能分别提升27.3%、21.8%和10.9%,且运行稳定性更好;水循环系统螺旋管内径对系统换热影响较小,系统换热量随螺旋半径增大而增大,随节距增大而减小;间歇运行能有效提高水循环热平衡地埋管的强化换热效果;高负荷情况下所设计强化结构的换热效果更好,具有较好的经济性;土壤性质对系统的换热性能影响较大,土壤导热系数越大的系统强化换热效果越好。

考虑能源地下车站负荷特征的地埋管换热量计算

为提高地下地铁车站的负荷计算精度,解决能源地下车站的地埋管换热量设计问题,以大连地铁4号线地下地铁车站为研究对象,采用3种负荷计算(DeST模拟、规范算法、逐时算法)方法计算地下车站全年负荷,并分析讨论地下车站设备管理用房区的全年负荷特征,进一步确定能源地下车站地埋管换热量。结果表明:地铁车站能源需求具有明显的逐时波动性和环境参数相关性,通过逐时负荷计算方法获得的全年总负荷较规范算法和DeST模拟结果的精确度可提高约1倍;不同功能用房负荷差异较大,办公用房的供热需求大于制冷需求,设备用房和变电所用房全年无需供热,且变电所用房的冷负荷远大于设备用房;逐时算法得到的换热量可准确反映全年换热需求,其地埋管换热量的不均衡率高达7.14。

地源热泵系统能效提升途径

浅层地热可被用于路面融雪除冰,建筑供热、制冷等。闭环垂直地埋管是浅层地热资源利用最常见形式,其在终端负荷作用下与岩土体进行热量交换。单根地埋管获取地热资源能力有限,多根埋管组合形式(地埋管群)被广泛应用于地源热泵系统。然而,地下温度场受管群与岩土换热性能影响,在设计、运行等不合理条件下可导致岩土体温度场不平衡,进而造成地源热泵系统能效降低,甚至失效。因此,管群设计、运行等方案优化是解决地温场不平衡问题的必要途径。基于国内外相关研究成果,梳理管群优化设计方法、储能和去能方法、辅助热源和冷源方法、运行控制策略。其中,管群优化设计方法主要聚焦管群间距设计、排布方式等;储能和去能方法主要介绍利用太阳能、工业废热等外部热源和冷源对地下岩土体进行加热和降温等的最新研究成果;辅助热源和冷源部分重点介绍太阳能、冷却塔等在地源热泵系统中的应用;运行控制策略主要分析地源热泵系统运行控制方案,包括峰点冷热负荷运行、间歇性运行、分区运行、系统控制策略等方案。总结了管群优化设计方法、运行控制策略等,剖析了各方案的优点与不足,可为管群岩土体温度场不平衡解决方案与地源热泵系统能效提升途径提供参考。

城市轨道交通车站套管式地下换热器换热性能影响参数分析

套管式地下换热器的换热性能是限制地源热泵技术在城市轨道交通车站环控系统推广应用的难点之一。通过与室内模型试验结果进行对比,验证了套管式地下换热器换热过程数值计算模型结果的准确性;选取多个影响参数,采用该数值计算模型,计算得到了各参数值对套管式地下换热器换热性能的影响。设计了正交试验,分析了各影响参数的显著性水平。结果表明:提高回填材料导热系数和进水温度,增加地下换热器直径,均可提高单位井深换热量;提高土体初始温度、增加地下换热器地埋管长度,单位井深换热量呈下降趋势。土体初始温度和进水温度对单位井深换热量的影响最为显著,回填材料导热系数和地下换热器直径对单位井深换热量影响较为显著,地下换热器地埋管长度对单位井深换热量的影响较小。

日光温室燃池-地中热交换系统加热效果的初步研究

为保证日光温室作物在寒冷季节正常生长,在日光温室中设置了燃池-地中热交换系统,该系统将燃池和地中热交换系统结合起来,以达到提高温室内土壤温度和气温的目的。初步研究表明,在地面以下0.35 m沿温室长度方向3个测点土壤平均温度分别为15.5℃、15.6℃、15.5℃,土壤温度分布均匀,较参考点平均温度分别提高1.9℃、2.0℃、1.9℃;沿温室跨度方向3个测点土壤平均温度分别为15.2℃、15.6℃、14.7℃,分别较对应参考点平均温度提高2.7℃、2.0℃、3.7℃;温室内平均气温为21.4℃,较参考点平均气温提高2.6℃,室内外温差达到34.0℃。使用燃池-地中热交换加热系统,对提高温室内土壤温度、气温均具有较好的效果。

连栋温室地中热交换系统贮热加温的试验

为解决连栋温室冬季能耗大、费用高的问题，进行了采用地中热交换系统部分代替燃煤的贮热加温试验。测定了空气和管道周围土壤贮、放热前后的温度等参数变化，系统在夜间加温能力可达加温热流量６０Ｗ／ｍ２，可有效保证夜间室内气温高于室外１１℃以上。

温室地下蓄热系统换热特性研究

针对现行温室地下埋管式换热系统结构的缺点 ,为充分利用地下蓄热 ,提高地温和夜间环境温度 ,设计了一种新型温室地下蓄热系统。测定了系统蓄热与放热时进出口空气温度、湿度与换热管道出口处空气的流速。试验结果表明 ,温室地下蓄热系统蓄热和放热时进口空气与出口空气的温度差、焓差较大 ,其差值随系统运行时间降低 ,白天蓄热量与夜间释放热量大于系统消耗的电能 ,蓄热时运行时间不宜大于 4.5h。

不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响

在天津市一生态居住小区综合办公楼建立了闭环大地耦合地源热泵系统(GCHP),对该系统所采用的不同回填材料U型垂直埋管-U型桩埋管和U型井埋管换热器分别进行取热和放热的实验研究,对比分析了这两种埋管方式换热器的换热效果与性能及影响因素。并对这两种埋管方式在短期连续放热运行条件下对周围土壤温度场的影响进行测试分析,得出了这两种埋管换热器的热作用半径。

U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟

在所建立的内热源型埋地换热器模型基础上,采用专业多孔介质计算软件Autough2对模型进行模拟计算。在对单根换热器不同土壤物性对土壤温度影响模拟结果基础上,着重对U型垂直埋管换热器管群模拟只有取热或只有排热单季运行工况下的土壤温度变化,和既有取热又有排热的双季运行工况下的土壤温度变化,分析各自对地源热泵应用效果的影响。

跨季节蓄热地源热泵地下蓄热特性的理论研究

研究了跨季节蓄热地源热泵系统(GCHPSS)土壤蓄热体温度场的变化规律,编写VB程序对地下埋管土壤蓄热进行了模拟计算。结果表明:当单U型竖直埋管蓄热时,土壤日蓄热量、热作用半径和平均蓄热率在初始阶段急剧变化,然后缓慢减小并最后趋于稳定,蓄热量也趋于平衡。当管群蓄热时,蓄热系统运行1个循环周期(1a)后,土壤的温度场基本上可以恢复平衡,恢复后较蓄热开始时升高0.5～1.0℃。通过对不同地区3种典型土壤的蓄热进行比较,得出粘土是一种性能良好的长期储能介质。同时,地下埋管土壤蓄热特性的实验研究为GCHPSS系统的推广应用提供设计依据。

地源热泵U型埋管换热影响因素的数值模拟与分析

用GAMB IT软件建立了单U形管换热器与周围土壤换热的物理模型并进行了网格划分,用FLUENT进行了数值计算,分析土壤的导热性能、回填材料的导热性能、换热器进口水温及流速大小、钻井深度、管腿中心距和换热器管材等因素对换热器性能的影响,得出了一些对工程实践有用的结论。

盐穴地下储油库热质交换及蠕变

为了确保盐穴储油库的密闭性和安全性,建立了油、卤水和围岩的热交换模型以及由于温度变化而引起的溶腔压力变化模型,同时建立了岩盐蠕变和渗透模型.通过TDMA算法对模型进行了求解,结果表明,油在7a的放置过程中,温度升高了8.635℃,压力升高了8.97MPa,即温度升高1℃压力约升高1MPa.另外,盐穴的蠕变量随着放置时间的增加而减小.岩盐的渗透率很小,油的渗透量可以忽略.温度变化对溶腔压力有重要的影响,油和卤水的热膨胀系数与可压缩系数的比值决定了温度变化对压力的影响程度.在实际注油时,要准确测量油和卤水的可压缩系数和热膨胀系数,以便对溶腔内液体的温度和压力做出正确的预测和判断.

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。

太阳能-土壤源热泵耦合系统及其地埋管系统

建立了太阳能-土壤源热泵耦合型热水系统实验平台,研究了在秋冬季不同运行条件下该系统的运行特性,分析了地下埋管系统中钻孔回填材料、U型管工作模式、套管内循环液流动模式、套管外管与内管的导热系数比等对系统制热效果的影响。研究表明,太阳能土壤源热泵系统在国内亚热带地区可以获得良好的应用,并给出了埋地换热器的合理形式。

地道通风系统的数值模拟与分析

提出准三维土壤—空气传热传质模型,对地道通风系统内空气与土壤之间的热物理过程进行数值模拟。模型忽略土壤在地道方向的传热,并解决了出现凝结水时的模拟问题,同时利用实测数据对模型进行验证,模拟结果与实测数据基本符合。利用已验证的模型,该文对影响地道通风效果的长度、埋深、风速等参数进行了深入的模拟分析。以北京地区,文章指出地道埋深以3～4米较为适宜,而地道内风速不宜太大。