基于叠加理论的柱热源模型岩土体热响应试验测试研究

岩土体热物性参数是计算浅层地热能资源量和进行地热能利用规划设计需要的重要参数,为获取岩土体热物性参数,本文基于叠加理论的柱热源模型,分析了换热孔内外相应的传热数学模型及数据拟合计算方法,以江苏省宿迁沭阳城区HRK1号孔为例,采用了恒定热流法试验测试,取得了现场热响应试验测试数据,采用基于叠加理论的柱热源数学模型对数据进行了拟合分析,分析结果表明,当埋管深度98.7 m,初始温度19.80℃,实际平均加热功率为3829 W,平均流量为1.30m^(3)/h(流速为0.68 m/s)时,岩土综合导热系数为2.32 W/(m·K),体积比热容为1.42×10^(3)J/(kg·K),换热孔内总热阻为0.125(m·K)/W。结果表明,基于叠加理论建立的柱热源模型处理现场热响应试验测试数据是可行的,可用于现场热物性测试数据的处理分析。

地下土壤导热系数简化柱热源模型确定方法

在总结土壤热物性参数的各种测试方法和计算模型的基础上,提出简化柱热源模型,对G函数进行简化。计算结果与以往柱热源模型计算结果非常吻合,表明提出的简化柱热源模型及算法是可行和有效的,并且使计算过程简化,便于工程应用。

堤坝渗漏圆柱状热源模型及试验研究

集中渗漏的地下水在流动过程中与岩土体发生热交换,从而改变附近的地温状况。结合集中渗漏通道自身特点假定渗漏通道为圆柱状,对形成集中渗漏通道后的岩土体温度场和渗流场特征进行分析,建立圆柱状渗漏通道热源模型,分别描述渗漏通道内外的传热过程。根据渗漏通道内的水流导热微分方程进行推导,确定通道为有限长和无限长2种情况下的沿程温度分布公式,由实测的温度变化通过反演可求出渗漏流速。通过室内试验模拟地下水渗漏通道的传热问题,得到不同热源强度、边界条件、渗漏水流速等相关因素影响下温度场的分布情况,并计算出不同工况下的流速,与实测数据相比误差较小,由此验证所建立的热源模型和提出的计算方法是可行的。

套管式地埋管换热器传热模型研究

传热模型是套管式地埋管换热器设计和模拟的重要依据,现有套管式地埋管换热器传热模型存在精度低或计算时间较长的问题。提出了一种新的套管式地埋管换热器传热模型:采用热阻热容模型分析钻孔内的二维(径向和轴向)传热,采用无限柱热源模型分析钻孔外的一维(径向)传热。将该模型应用于一个分布式热响应测试,并将模拟结果与实验数据及其他模型结果进行了对比。结果显示,该模型的计算结果与实验结果吻合较好,所计算的短时间内的流体温度分布及进出口流体温度具有较高的精度。

基于地埋管换热器热响应测试的土壤热物性参数估算方法

根据实测地埋管换热器进出水温度和流量,分别用线热源解析模型、柱热源解析模型和一维数值模型估算土壤的导热系数、孔内热阻和单位体积热容。介绍了二三参数估算法,三参数估算法可同时估算导热系数、孔内热阻和单位体积热容,但计算时间太长,对计算机的内存要求也较高;二参数估算法对导热系数和孔内热阻进行寻优搜索,单位体积热容利用关联式计算,结果合理,计算时间较短。基于二参数估算法结果显示,一维数值模型的结果更接近实际值。

某地源热泵场地浅层土壤分层热物性响应实验

浅层土壤导热系数的确定一直是地源热泵系统设计研究中的一个重点。为了获得更精确的土壤热物性,引入分布式光纤测温系统,并在原有柱热源测试模型方法的基础上提出分层热物性测试法并对测试数据进行分析。测试数据包括竖直方向上浅层土壤初始温度分布,稳定功率加热过程中竖直方向地埋管内流体温度随时间变化分布。结果表明:通过分层土壤热物性测试可以更直观地观察地下土壤温度分布,了解土壤中地下水分布情况。并得出竖直方向上不同深度土壤的导热系数、土壤密度与比热容乘积以及回填料热阻分布情况。

地源热泵土壤热物性测试实验研究

通过对同一测试孔分别进行实验室法、线热源测试模型方法以及在原有柱热源测试模型方法的基础上提出分层热物性测试法进行土壤热物性测试,并对测试数据进行分析。结果表明,实验室法求得的平均导热系数比线热源换热模型法测试求得的平均导热系数低32.723%,比分层柱热源换热模型求得的平均导热系数低40.268%,分层柱热源换热模型求得土壤热物性计算更详细、客观。

基于解析法的地下岩土热物性现场测试方法的探讨

本文在总结各种岩土热物性确定方法的基础上,详细分析了基于解析法的地下岩土热物性现场测试方法的测试装置与过程、理论基础及其算法,包括基于线热源模型的数据拟合法及基于线热源与柱热源模型的参数估计法。通过实例计算对3种方法的计算精度进行了分析与比较,探讨了测试时间对计算结果的影响,所得结论对土壤源热泵应用设计中地下岩土热物性的实际测试具有指导意义。

Constructal optimization of cylindrical heat sources with forced convection based on entransy dissipation rate minimization

Based on constructal theory and entransy theory,the optimal designs of constant-and variable-cross-sectional cylindrical heat sources are carried out by taking dimensionless equivalent resistance minimization as optimization objective.The effects of the cylindrical height,the cylindrical shape and the ratio of thermal conductivity of the fin to that of the heat source are analyzed.The results show that when the volume of the heat source is fixed,there exists an optimal ratio of the center-to-centre distance of the fin and the heat source to the cylinder radius which leads to the minimum dimensionless equivalent thermal resistance.With the increase in the height of the cylindrical heat source and the ratio of thermal conductivity,the minimum dimensionless equivalent thermal resistance decreases gradually.For the heat source model with inverted variable-cross-sectional cylinder,there exist an optimal ratio of the center-to-centre distance of the fin and the heat source to the cylinder radius and an optimal radius ratio of the smaller and bigger circles of the cylindrical fin which lead to a double minimum dimensionless equivalent thermal resistance.Therefore,the heat transfer performance of the cylindrical heat source is improved by adopting the cylindrical model with variable-cross-section.The optimal constructs of the cylindrical heat source based on the minimizations of dimensionless maximum thermal resistance and dimensionless equivalent thermal resistance are different.When the thermal security is ensured,the optimal construct of the cylindrical heat source based on minimum equivalent thermal resistance can provide a new alternative scheme for the practical design of heat source.The results obtained herein enrich the work of constructal theory and entransy theory in the optimal design field of the heat sources,and they can provide some guidelines for the designs of practical heat source systems.