中深层套管式埋管换热器逆向传热现象的研究

中深层地埋管换热器取热过程中,在浅层埋管区可能存在循环液向岩土传热的逆向传热现象,对其开展研究将为提高中深层地埋管地源热泵工程系统能效提供指导。文章利用数值传热模型分析了取热时间、循环液进口温度与流量以及大地热流等参数对逆向传热深度和埋管取热损耗率的影响,讨论了在逆向传热区设置保温层对换热性能的影响。结果表明:为保持地埋管换热器达到最大取热量,建议进口温度选为10℃,即等于地表环境温度;地埋管总取热量随着大地热流以及循环液流量的增加而增加,对应的逆向传热深度和取热损耗率则逐渐降低;根据模拟结果,给出了适用于工程设计的逆向传热深度拟合计算公式,经验证其具有较高的拟合相关性。

套管式地埋管换热器节能特性的研究与应用

大庆油田进入开发后期存在着一定数量的废弃井,采用套管式地埋管换热器可以获取到废弃井的中深层的地热能。首先对废弃井转换为地热井的可行性进行分析,通过确定中深层地埋管换热方式,建立外入内出型传热计算模型并对废弃井结构改造。再具体分析大庆油田的地层土壤温度分布和确定边界条件,得出符合现实的理论计算公式。进一步分析套管式地埋管换热器取热评价指标与传热影响因素研究,得到流体流量和进口温度对传热影响因素,及循环流体进口温度对运行特性的影响对取热效率的影响规律。最后,通过对两种工况的废弃井现场试验,得到套管式地埋管换热器平均换热量为478.5 kWh。为利用大庆油田1700口废弃井的节能改造找到了一条切实可行的出路。

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。

地下水渗流对中深层套管式地埋管换热器取热性能影响分析

基于OpenGeoSys软件建立了考虑地下水渗流的中深层套管式地埋管换热器三维传热模型,探究了渗流速度、渗流层位置及多渗流层对换热器长期运行出口水温及岩土温度场的影响。结果表明:地下水渗流有利于增强换热器的取热性能,同时加速岩土温度恢复;但常规地下水渗流速度范围内取热性能提升效果不明显;渗流层位置位于换热器底部时,取热性能增强效益明显好于渗流层处于换热器顶部的情况;且渗流层分布情况对换热器取热性能提升效果有限。

中深层套管式地埋管换热器取热性能研究及经济性分析

使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、内管径;其次基于平均能源成本法建立中深层套管式地埋管换热器经济性评价方法.研究结果表明:中深层套管式地埋管换热器的平均能源成本随埋深增加呈先下降后上升趋势,在选定参数条件下,2 500 m埋深的中深层套管式地埋管换热器平均能源成本最低、经济性最优,所使用方法及所得结论可为中深层套管式地埋管优化研究与工程应用提供参考.

中深层套管式地埋管换热器性能的参数分析

中深层地埋管换热器是地源热泵领域以及季节性储热领域的创新性尝试。通过计算模拟深入分析了影响中深层地埋管换热器性能的各种因素,得到了一些指导性的结论:对钻孔深度、地温梯度、岩土热物性等关键要素对中深层套管式地埋管换热器换热量所带来的影响进行了计算,给出的定量图表可供工程技术人员直接查阅;计算证明了套管式地埋管换热器中流体的流动方向(内进外出或外进内出)对换热器性能有重要影响,在季节性蓄热过程中应根据工况相应改变流体的流动方向;增加内管壁面的热阻是改进换热器效能的主要途径之一。

中深层套管式地埋管换热器热-经济性分析及应用

为获得设计参数对中深层套管式地埋管换热器热-经济性的影响规律,本文首先建立了中深层套管式地埋管换热器及岩土层的流动传热模型和供热系统的经济学模型;其次,探究了物性参数(回填材料、内管、外管的导热系数)、结构参数(埋深、内管管径、外管管径)以及运行参数(入口温度、循环流量)对换热器取热性能的影响;再次,分析了供热系统关键参数(埋深、循环流量、井口数)对系统经济效益的影响;最后,对西安某无干扰地热能供热项目进行热-经济性优化。研究结果表明:影响取热性能最重要的因素为埋深,其次为入口温度和循环流量,内管导热系数、外管管径、回填材料导热系数、内管管径和外管导热系数对取热性能影响较小。对于物性参数,增大回填材料导热系数、减小内管导热系数、增大外管导热系数均可以提高换热器取热性能;对于结构参数,增大埋深、减小内管管径和增大外管管径均可以提高换热器取热性能;对于运行参数,减小入口温度和增大循环流量均可以提高换热器取热性能。考虑初投资、运行成本和项目收益,以动态投资回收期评价系统热-经济性,当埋深为3 000 m、循环流量为25 t/h时,系统动态投资回收期缩短至3.7 a。

中深层套管式地埋管地源热泵系统能效分析

中深层套管式地埋管地源热泵系统的能效受多种因素影响,为保证其高效运行,对其影响因素进行研究尤为重要。本文建立了中深层套管式地埋管地源热泵系统换热器传热模型,采用工程实测数据验证该模型的准确性。基于该模型,量化了一个供暖期内多种因素对系统能效的影响。结果表明:进口水温和岩土导热系数对系统能效具有重要影响,回填材料导热系数对其影响较小;增大循环流量会提高取热功率,但系统能效也随之降低,当循环流量由8.33 kg/s增大至10.56 kg/s时,取热功率提升4.95%,能效下降1.23%;增大外管管径、岩土和回填材料的导热系数能够提升系统能效,但达到一定数值后,对能效提升效果不显著。本研究对中深层套管式地埋管地源热泵系统长期稳定运行及能效提升具有参考意义。

多孔中深层地埋管换热器取热性能研究

基于移动线源法和叠加原理,建立考虑地下水渗流的多孔中深层地埋管换热器传热模型,研究渗流速度和大地热流对换热器长期运行中循环液温度和钻孔壁温的影响。结果显示:循环液进口温度随着渗流速度的增加而升高。渗流速度较低(<1×10^(-7)m/s)时,渗流速度对循环液进口温度的影响相对较小;渗流速度较高时,即使大地热流较小,循环液进口温度仍能达到低渗流速度时的值。地下水渗流对于减缓换热器周围土壤温度的下降有所帮助,但并不能完全抵消温度的降低。

中深层同轴套管式地埋管换热器取热特性

中深层地热资源丰富,具有清洁环保、稳定可靠等特点,利用中深层地热向地面建筑物供热越来越受到人们重视.文中在考虑岩土层分层的前提下,建立中深层套管式地埋管换热器传热模型,基于有限差分法将其离散求解,并将求解的结果与某实际项目的实测数据进行比对,在此基础上对中深层套管式地埋管换热器的传热特性做了进一步模拟研究.研究结果表明:特定工况下,在系统连续运行整个采暖季后对钻井周围岩土层温度场的影响半径为7.7 m;系统取热量随着套管式换热器外径的增大而增加;当工质循环流量由35 m^(3)/h增加到42 m^(3)/h,管道底部温度仅变化2.2%;延米换热功率不宜大于150 W;当回填材料导热系数由2 W/(m·K)增加到2.5 W/(m·K)时,管底温度上升比例仅为1.9%,即回填材料导热系数达到一定值时再增大导热系数对进出水温度影响不大.

基于正交试验的中深层U型地埋管换热器换热性能影响因素分析

对中深层U型地埋管换热器换热性能影响因素进行了研究,建立了中深层U型地埋管换热器三维全尺寸数值传热模型,通过正交试验极差法,分析了入口温度、岩土热导率、地温梯度、埋深以及支管间距的影响。结果表明,这5项因素对中深层U型地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、支管间距。埋深、地温梯度对换热性能的影响近似于线性;岩土热导率对换热性能的影响则接近于抛物线变化,随岩土热导率的增加,换热性能快速提升;当入口温度从15℃升高至20℃时,平均进出口温差迅速下降,换热量迅速减少,因此建议U型地埋管的入口温度应小于20℃。

非采暖季蓄热对中深层地埋管换热器运行的影响

为了缓解地埋管换热器长期运行导致的取热能力和周围岩土温度场明显下降问题,分析非采暖季蓄热对中深层地埋管换热器运行的影响,探讨蓄热时间、余热介质温度以及循环液质量流量对不同深度地埋管运行的影响。通过建立物理模型和数值模型,采用有限差分法计算中深层地埋管换热器在非采暖季蓄热的效果,对不同蓄热工况下中深层地埋管换热器的取热量进行对比分析。结果显示:增大蓄热时间、余热介质温度和循环液质量流量,取热量均增加;相同条件下单孔中深层地埋管换热器的取热量会随着埋管深度增加呈正比例增大。

中深层地埋管换热器运行模式对岩土热恢复特性的影响

为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比下的中深层岩土温度均呈周期性变化,而且运停比越小,岩土热恢复程度越高;当运停比分别为24∶0,16∶8,12∶12和8∶16时,运行15 a后的中深层岩土温度能分别恢复至初始温度的95.24%,96.62%,97.35%和98.16%;系统运行15 a后,在24∶0,16∶8,12∶12和8∶16运停比下,热影响半径分别为91.36,83.07,75.52,68.65 m;以运停比24∶0所对应的热影响半径为基准,其余3种运停比下的热影响半径分别减少9.07%,17.34%和24.86%。

井群排布形式对中深层地埋管换热器性能的影响

随着中深层地埋管换热器陆续应用于较大规模建筑和区域供热,中深层地埋管换热器井群的排布形式已成为设计过程中一个重要因素。文章通过分析地埋管井孔内外的传热过程,建立了中深层地埋管换热器内、外非稳态传热模型,并依托某工程实测数据验证了所建模型与计算方法的正确性。利用验证后的数学模型研究不同排布形式对中深层地埋管换热器井群换热性能的影响。结果表明,菱形排布下处于井群下游的换热器的换热功率明显高于正方形排布,随着系统运行时间的增加,两者差距增大。因此,菱形排布下的换热器能够避免冷量扩散的影响,可以保持更好的换热性能。

套管式地埋管换热器换热性能实验研究

以深度为60 m的镀锌钢管套管式地埋管换热器地源热泵系统和热电阻测温系统为实验平台,对土壤温度、套管式地埋管换热器换热性能及换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明,南宁市地下5-60 m的土壤温度为23.2-23.7℃;Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的合理流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4 W/m;不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响很小;内进外出流动模式换热器的换热性能优于外进内出模式;间歇运行有利于土壤温度的恢复。

套管式地埋管换热器传热特性数值模拟

基于有限元分析方法,建立套管式地埋管三维非稳态传热模型,利用自行搭建的套管式地埋管传热实验台实验验证了所建数理模型。数值模拟研究了回填材料、流体进出口方式、不同管径组合等工况下的套管式地埋管换热器传热特性。研究结果表明:实验与模拟结果的相对误差在10%以内,证明了所建立数理模型的合理性;导热系数和热扩散率大的回填材料能获得较高的单位井深换热量和较低的出口水温,热短路现象明显;相比外进内出的流动方式,内进外出的方式能获得更低的出口水温,但后者热短路现象更为严重;在套管换热器外管管径不变的条件下,增大内管管径可缓解热短路现象,提高换热器传热性能。

中深层套管换热器取热影响因素研究现状

随着日常生活中人们对用热量需求的增大,人们开始探索更加有效的提取地热的方法。虽然浅层地源热泵系统相比于传统的空气源热泵系统节能环保、能效高且节省空间,但为了使得地源侧达到全年的热量平衡,需要冬取夏灌,管群较为庞大,尤其是冬季用热负荷较大的寒冷地区这一问题更加突出。中深层地源热泵深度较深,单井换热效率高,能有效解决上述冷热不平衡的问题,因此中深层地源热泵近年来得到广泛重视。对近年来中深层套管换热器中有关循环工质、钻孔构造尺寸和外部影响因素的研究进行综述,总结了现阶段中深层套管换热器换热因素研究的不足之处,对未来中深层套管换热器的研究进行了展望。

中浅层同轴套管式换热器的传热能力分析

随着我国“双碳”战略目标的实施,地热能作为可持续开发利用的清洁能源也备受推崇。目前关于地热能开发利用的研究主要集中于浅层地热能和中深层地热能,对于中浅层地热能(200~500 m)研究较少,而利用中浅层地热能进行供暖与制冷也缺乏相关的工程案例和理论研究支持。本文基于河北省邯郸市某建筑物空调冷热源项目中施工的300 m地热井,开展了中浅层同轴套管式换热器的传热实验与理论分析研究。首先,对换热器的结构形式、施工工艺、换热特性等进行研究,根据建立的换热器开展了5种不同工况的现场传热测试,获取了相关的热物性参数;其次,通过分析中浅层地热能的特点,研究换热器换热内外不同的传热规律和循环方向,基于已有的浅层地埋管和中深层同轴管传热模型,创新性建立了针对中浅层套管式换热器冬夏两季的传热模型,通过相应的控制方程对传热模型进行模拟分析,并将模拟数据与实验数据进行了对比,校核了传热模型的准确性;最后,根据建立的传热模型对换热器进行了全年的模拟计算,获取了冬夏两季不同流量的进出口温差及换热量,岩土体温度横向、纵向的变化等参数,为进一步改进中浅层同轴套管式换热器结构以及室外埋管系统的设计与优化提供理论依据和技术指导。

中深层地埋管换热器传热过程对周围岩土体的热影响

利用传热数值计算模型,分析了不同取热工况下地埋管周围岩土体的温度响应及变化情况。给出了热影响半径的定义,研究了不同运行时间和取热负荷下单个钻孔和多个钻孔埋管对周围岩土体产生的热影响半径。结果表明,当钻孔深度为2000m时,1750m处的热影响半径最大;当采用3×3的钻孔布置形式时,建议钻孔间距大于100m,名义取热量损失率小于5%。

中深层地埋管换热器取热稳定性及热影响半径

为研究中深层地埋管换热器的取热稳定性及其热影响半径,建立了非稳态数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,通过示范工程现场实测数据验证数值求解结果的正确性。在此基础上,研究长期运行下中深层套管式地埋管换热器的出水温度以及岩土的温度变化,并对影响中深层套管式地埋管换热器热扰的参数进行了敏感性分析。结果表明:经过15 a运行,中深层套管式地埋管换热器的出水温度较为稳定,从第11 a开始出水温度基本处于准稳态阶段,其周围核心取热区域的岩土最大温降比例仅为6.5%;随岩土热扩散率的增加,中深层地埋管换热器的热影响半径在前期增加速率较快,而后期较慢,当热扩散率a由1.43×10^(-6) m^(2)/s增加到2.01×10^(-6) m^(2)/s时,热影响半径r由82.69 m增加到99.23 m,增加率为20%,两者之间的关系呈指数规律变化,并且满足关系式r=-151.99×exp[-a/(5.14×10^(-7))]+98.14,其中R^(2)=0.97。本研究对中深层地埋管换热器的设计具有一定的参考意义。