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。

寒区土壤源热泵换热埋管的水热力耦合分析

为解决寒区土壤源热泵地下埋管冻胀安全性问题,根据传热学、渗流和冻土力学理论建立寒区土壤源热泵水热力耦合的数学力学模型及其控制方程。利用FEPG有限元自动生成软件,对大庆油田某土壤源热泵地下埋管所在土体内温度场分布、冻胀位移及应力作用进行仿真计算,并对不同深度、不同回填区土壤导热系数、不同管脚间距情况进行了对比分析。结果表明,土壤源热泵运行初期,土壤未冻结,埋管的位移量很小。土壤温度达到相变温度后,土体冻结体积增大,埋管发生挤压变形。当土壤温度超过冻结相变区(-0.75℃,-0.30℃)时,埋管不会发生连续不断的变形。

基于p阶线性模型的地埋管换热器流体温度分布研究

利用自主研发的分层热响应测试系统,获取沿深度方向上(竖向)管内流体温度实测数据,对比p阶线性分布模型计算结果和实测数据,研究两种典型工况条件下分层岩土介质中管内流体竖向分布规律和最佳p值。结果表明:恒热流工况时,p=-5阶线性分布模型能够准确预测管内流体温度分布;恒温工况时,最佳p值随流量的变化而变化,其关系为:|p|=7.361ln V+6.684。

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。

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。

基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型研究

文章综合考虑了土壤分层与地下水渗流等情况,结合实测数据,通过地埋管外壁温度计算得出地埋管内部流体温度与不同分层土壤的热物性参数,根据土壤当量物性进行分层,据此建立地埋管换热模型。经过对比验证实验发现,分层换热模型比常规均质模型更接近实测值,误差更小;基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型模拟出水温度与实测值平均绝对误差为0.21℃,模拟进、出口换热温差与实测值平均绝对误差为0.14℃,具有较高的准确度,可为工程设计提供依据并作为后续地埋管换热优化研究的基础。

水平多层spiral型地埋管数值模拟研究及换热特性分析

本文基于COMSOL软件建立了水平spiral型多层地埋管群传热三维数值模拟模型,并对其换热性能和温度场进行分析研究。结果表明:对比水平spiral多层并联管群来说,远离注入端的地埋管管内温度相对较低。地埋管群周围地层温度有所升高,远离注入端的地层温度变化相对较小。地埋管群的换热量随循环流体的流速增加而增加,但增幅降低。在进行换热器设计时,应合理控制循环水的流速。3层螺旋地埋管群的换热量略高,但层间干扰明显,建议选用2层并联螺旋管群。

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。

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℃。

基于Fluent的地下水渗流对套管式地埋管换热器性能的影响

为了探究渗流对套管式土壤源热泵运行时周围土壤的温度波动及其换热的影响,采用数值模拟方法建立了套管式地埋管换热器的渗流三维模型。结果显示:渗流会影响土壤温度场,能够将地埋管换热产生的冷量向下游传递,从而明显降低土壤中冷量的集中程度。通过优化渗流速度可以进一步提高出口温度,增强整体的换热能力。研究表明,渗流可以解决土壤冷堆积问题,提高套管式地埋管换热器的出口水温,并提高其换热效率。

考虑岩土分层的不同管材地埋管换热器换热性能研究

以竖直U型地源热泵地埋管换热器为研究对象,考虑岩土分层,设计一种复合管材,模拟分析传统PE管材、复合管材的换热性能,并根据区段能效系数设计复合管材、复合管材+PE管材布置形式,进一步探究两种布置形式的换热性能、经济性。结果表明:地埋管换热器使用复合管材能显著提高换热性能,特别是在进水管段及出水管段下部使用复合管材换热能力明显增强,在出水管段中、上部使用复合管材对提升换热性能不明显;复合管材+PE管材与复合管材布置形式换热性能相差甚小,但复合管材+PE管材布置形式管间热短路影响更小、更经济。

中深层地埋管换热器性能研究——基于某体育训练基地场馆供暖工况

为研究同轴式地埋管换热器和U形地埋管换热器这2种中深层地埋管换热器换热性能,利用Fluent结合某体育训练基地场馆实际情况建立数值模型。模拟研究10年运行时间内,间歇运行模式、岩土导热系数和地温梯度等因素对这2种地埋管换热器换热量的影响。结果表明:前5年这2种地埋管换热器换热能力衰减较大,均下降6.6%左右,随后逐渐平稳;岩土物性参数一致时,2种换热器10年内换热能力衰减相差不大。4种间歇运行工况下,U形地埋管换热器换热性能均略优于同轴式地埋管换热器;在高岩土导热系数和高地温梯度时,运行10年后U形地埋管换热器换热性能优于同轴式地埋管换热器。

地源热泵竖埋管换热器热工参数反演方法研究

基于线热源模型,研究地源热泵竖埋管换热器钻孔热阻、岩土导热系数及体积比热等热工参数的4种反演方法,基于实测数据进行反演计算。结果表明:只利用埋管进出口水温数据,采用寻优方法可得3个参数,但钻孔热阻及体积比热可能偏离物理实际。只利用水温、补充钻孔热阻或体积比热的反演方法得到的结果都有一定的不确定性。利用水温及壁温计算钻孔热阻、利用壁温反演岩土导热系数及体积比热,所得结果更符合物理实际。建议热响应测试同时记录水温及壁温,孔壁温度可在埋管上部、中部以及底部设置测点。

地埋管换热器动态热负荷下地层温度场的解析解

垂直地埋管换热器(borehole heat exchanger,BHE)是利用浅层地热能的主要换热装置,如何确定合理的地埋管间距对地源热泵系统(ground source heat pump system,GSHPs)的传热性能与经济性影响很大。以往工程应用中未考虑地埋管热负荷的动态变化,常采用最大延米热/冷负荷(即最不利情况下)的影响半径作为设计依据,使设计参数趋于保守,很难实现地源热泵系统的技术和经济优化,而考虑负荷变化的数值模拟方法耗时复杂,不便于工程应用。文章提出了一种在地埋管实际热冷负荷动态变化条件下,计算地埋管换热器影响半径的简单数学方法。该法首先推导了地埋管换热器在周期性热流边界条件下,井筒周围地层温度场的解析解,在此基础上将地面建筑物全年周期下的实际波动热冷负荷进行傅里叶级数近似展开,最后通过线性叠加每个周期函数对应的解析解,得到建筑物实际动态热冷负荷下的地层温度动态分布。提出的解析解实时耦合了地面建筑动态热冷负荷,计算结果接近实际应用,具有计算精度高、简单方便快捷的优点,便于在工程实际中推广应用。

深部矿井埋管充填体换热器蓄/释热过程中的热干扰问题

矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/释热性能而不容忽视。利用COMSOL仿真软件建立并验证了典型蛇形埋管充填体换热器的三维非稳态传热模型,通过管间热干扰系数(I_(tub))和层间热干扰系数(I_(lay))量化研究了管间距、管径、充填体导热系数和比热容对埋管充填体换热器的单层蛇形管管间和多层蛇形管层间热干扰影响,通过引入相对灵敏度参数讨论分析了管间和层间热干扰对研究参数的敏感度。结果分析表明,I_(tub)随蓄/释热时间呈先下降后上升的变化趋势,整体变化不大(0.92~1.00),说明单层蛇形管管间热干扰影响较小。I_(lay)呈单调显著递减,在蓄/释热阶段末分别低于0.25和0.49,说明多层蛇形埋管层间热干扰随着蓄/释热的进行严重恶化。通过灵敏度分析发现,I_(lay)对研究参数的敏感度明显高于I_(tub)。I_(lay)对充填体比热容、管间距、充填体导热系数和管内径的敏感度依次降低,其中充填体比热容和管间距为正面影响,另外2个为负面影响。I_(tub)在蓄/释热的大部分时间段对管间距最敏感。本研究量化了关键参数对埋管充填体换热器热干扰的影响,为优化蛇形埋管布置及充填材料制备以降低热干扰影响提供了依据。

都匀市地埋管换热系统开发利用适宜性分区及开发潜力估算

地热能是一种重要的清洁能源,其开发利用在“双碳”战略中具有重要意义。基于都匀市复杂的地质条件,研究选取地下水位埋深、地下水量、岩土导热系数、比热容和岩石可钻性5个评价指标,利用层次分析法求取各指标权重,再利用ArcGIS加权叠加法分析研究区地埋管换热系统开发利用适宜性并初步估算地热能开发潜力。结果显示,都匀市适宜开发利用区域面积为1,722.37km^(2),占总面积的75%,较适宜开发利用区域面积为563.35km^(2),占总面积的25%,无不适宜区。经估算,区域200 m以浅地热能热容量为1.28×10^(15)k J/℃,冬季总换热功率为3.95×10^(8)kW,可供暖面积为7.90×10^(9)m^(2),夏季总换热功率为3.77×10^(8)kW,可制冷面积为5.38×10^(9)m^(2),年折算标准煤量1.20亿吨,开发利用潜力大。

地下隐蔽工程地源热泵地埋管管群优化研究

地下建筑地源热泵系统向地下释放的热量常大于所提取的热量,容易造成地埋管区域的热量累积,影响其正常使用。因此,提高地埋管换热器效率,减弱冷热量失衡影响,是地下隐蔽工程应用地源热泵系统亟需解决的问题。文章基于换热器温差场均匀性原则,采用全局优化遗传算法,优化了地埋管换热器管群布置。结果表明:与传统等间距方案相比,优化布置后,16、25个钻孔方案的平均无因次温变热阻分别降低了13.8%和53.3%,平均换热效率分别提高了3.76%和5.74%,即钻孔数量越多,换热效率提升越明显。

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。

钻孔埋管换热器用于寒区隧道消防管网加热保温的理论研究

为解决寒区隧道消防管冻结失效问题,提出一种基于钻孔埋管换热器的新型加热保温系统;基于非等温管道流模型,联立消防管段加热过程和埋管换热器换热理论,得到系统运行过程中流体温度分布的解析解。以林场隧道工程为背景,对加热段水温、换热器换热效率等的变化规律进行理论分析与数值验证。研究结果表明:进、出口水温先降低后快速上升再缓慢下降,10 h时达到峰值;加热初期,轴向水温分布为“进口温度高、出口温度低、段中温度突变”,之后在4~5℃范围内近似呈均匀分布;随着系统的运行,换热器平均换热效率稳定在约15 W/m。系统连续运行对地温的影响范围不断扩大,钻孔附近地温不断降低。系统间歇运行模式由设定高限和低限控制,在间歇期内,围岩地温可得到一定程度的恢复,且换热器换热效率较连续运行工况下的高。水温、换热器换热效率等的理论计算结果与数值模拟结果吻合度较高,本文所提出的寒区隧道消防管网钻孔埋管换热保温系统可使消防管段水温维持在设定低限温度以上,节能高效,有一定的应用价值。

镀锌钢管套管式地埋管换热器换热影响因素研究

以武汉地区为例,使用TRNSYS软件中PID控制器使镀锌钢管套管式地埋管换热器系统在运行过程中进出水平均温度维持在冬季7.5℃、夏季32.5℃的设定温度,模拟研究钻孔深度、钻孔间距及内管流体流速对套管式埋管换热器换热量的影响。得到钻孔深度从80 m变化至120 m时,换热器的冬季延米平均换热量变化较小;夏季延米平均换热量呈上升趋势,最高可上升6.6%。当钻孔间距从3 m增加至6 m,冬、夏季平均延米换热量分别升高2.5%和1.6%。管内流速从0.03 m/s变化至0.7 m/s时,换热量逐渐上升并趋于平缓。将镀锌钢管套管式换热器与两种常规埋管换热器(单U-PE管和双U-PE管)对比,得到镀锌钢管套管式换热器换热效果最好,其冬季延米平均换热量分别高出常规换热器32.6%和28.5%;夏季延米平均换热量高出常规换热器29.6%和25.7%。