深层埋管换热技术研究热点与发展趋势分析

为动态分析深层埋管换热领域研究热点与前沿发展趋势,运用可视化知识图谱分析软件,将近23年CNKI和WOS数据库中与深层埋管研究相关的学术性文献作为数据源,分别从发文量、国际核心机构和关键词等进行文献计量与内容分析,解析该领域的研究热点和前沿分析。研究结果表明:2000年以来深层埋管研究领域的文献发文量逐步上升,核心作者及机构之间的合作仅为单线或团队内部之间,跨机构之间较少;研究热点和趋势具有阶段性特征,不同阶段的研究重点不同。随着地热能+、“双碳”目标和“十四五”可再生能源发展规划等一系列战略决策及清洁能源高效利用理念的提出,深层埋管换热领域的研究热点更聚焦于交叉学科的渗透和技术方法的创新,国内深层埋管换热技术未来的发展趋势表现为开采技术突破、换热器类型及材质方面的创新与探索、研究方法优化和外扩中深层地热、综合效益评价等新的研究方向,国外则侧重于换热性能、热泵系统、深层埋管换热器和数值模拟等方向。相关数据可为深层埋管换热技术相关学者的研究工作提供借鉴。

地下水渗流对深层埋管式能源桩传热特性的影响

地下水渗流对能源地下结构的传热具有增益效果,通过构建深层埋管式能源桩单桩三维热渗耦合物理模型,分析了制冷、制热2种工况下渗流速度与渗流层位置对深层埋管式能源桩换热效率的影响。模拟结果发现,无渗流作用时深层埋管式能源桩在制冷、制热2种工况下的运行过程中均存在严重的冷热堆积现象。渗流作用则可在一定程度上消除冷热堆积,提升制冷、制热效率,该作用会随着渗流速度的增快而逐渐增强,且存在一定的热迁移现象。受地热梯度的影响,处于不同渗流层位置的深层埋管式能源桩换热效率的提高幅度不同。相比于浅层,更深层的渗流作用对制热效率的提高幅度更大,但对制冷效率的提高幅度却更小。

深层埋管换热岩土温度响应及影响半径

为了分析深层埋管换热时的岩土温度响应及换热影响半径,研究结合西安某个实际深层埋管供暖工程,基于钻井测井温度、岩土岩性解释以及现场实验建立了埋管换热的全尺寸数值模型。通过对埋管在5 a,即5个供暖期和4个恢复期换热的数值分析,给出了埋管周围岩土温度波动(ΔT)在不同深度上随运行时间的变化情况。在此基础上,考虑到理论研究及工程应用,选择了3种不同的ΔT限值来确定埋管的换热影响半径,同时分析了影响半径的影响因素。结果表明,在ΔT限值足够小至接近0时,埋管换热的影响半径主要受埋管周围岩土自身参数的影响;当ΔT限值增大时,影响半径主要受ΔT限值的影响。

深层埋管式能源桩换热性能影响因素分析

提出一种新型的能源桩换热管型式,即深层埋管式能源桩。利用Comsol Multiphysics建立三维方法模拟桩体−土体传热,一维方法模拟管内水动态传热传质的数值模型,考虑了土体温度随深度的变化,模拟出口水温随时间的变化规律并计算换热量,比较深层埋管式与传统的1-U型、1-W型能源桩的换热量,分析了桩径、桩体导热系数、桩体密度、桩体比热容等不同参数对新型深层埋管式能源桩换热量的影响。模拟结果表明:以运行50 h为例,深层埋管式的总体换热量比1-U型、1-W型分别高122%、54%;而对于单位管长换热量,深层埋管式比1-U型、1-W型分别高9%、50%,桩径从0.5 m增加到1 m,换热量增加14.3%;桩体导热系数从1.2 W/(m·K)增大至2.5 W/(m·K),换热量增加9.6%;桩体密度从1800 kg/m^3增大到2600 kg/m^3,换热量增大0.8%;桩体比热容从637 J/(kg·K)增大到1037 J/(kg·K),换热量增大1.1%。因此深层埋管式的热性能优于传统1-U型和1-W型,在满足能源桩力学性能的前提下,为了提高深层埋管式能源桩换热性能,可以适当增大桩径。对于桩体材料的选择,应该选择导热系数较高的材料。密度和比热容对换热量的提升影响不大。

中深层地埋管热泵供热系统运行特性实测研究

通过大量工程实测研究,总结了中深层地埋管热泵供热技术的运行特性。中深层地埋管具有出水温度高、取热功率大、长期运行稳定的特点,为热泵系统提供了高品位的低温热源,以提升其运行性能;同时中深层地埋管自身存在间歇蓄热特性,能很好地满足建筑供热需求变化与柔性用能;无级变频热泵机组更适合与中深层地埋管匹配运行,节能减排效果显著;热源侧水系统具有小流量、大扬程,且阻力随着流量变化而大幅度变化的特性。研究结果可为提升该技术的供热性能提供关键指导。

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。

关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2000 m增至2500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%~12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%~53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具有大厚度新近系张家坡组(N2z)和新近系蓝田-灞河组(N2l+b)的地质条件,西安市鄠邑区、高陵区以及咸阳市兴平市等地区地埋管的出口水温、取热功率较高,更适宜开展中深层地热能供暖利用。研究成果有望为关中地区中深层地热能高效利用提供参考。

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。

中深层地埋管热泵系统运行性能测试平台及方法研究

中深层地埋管热泵供热系统的运行性能受地热地质条件影响显著。本文针对新建项目缺乏地热地质资料的情况,提出了该技术的现场测试平台及方法,在建设初期即可明确实际应用效果。将该方法应用于我国寒冷地区某新建项目,实测结果表明,1根埋深2750 m的中深层地埋管连续运行尖峰取热能力达到450 kW,热泵机组尖峰供热能力达到600 kW。对中深层地埋管取热特性、热泵系统运行特性开展了变工况测试研究,可为项目规划设计及技术的推广应用提供数据支撑。

某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析

中深层地热“取热不取水”技术是中深层地埋管地源热泵系统的核心,是影响整个系统设计与性能的主要因素。为了更全面地认识中深层地埋管地源热泵系统性能,本文对位于陕西省某矿区的孔深为3183 m的中深层地埋管地源热泵系统进行了测试,测试参数包括地下岩土层初始平均温度、地热井取热能力、热泵系统运行工况参数及系统冬季性能系数,获得了部分数据,并对结果进行了分析。通过分析可知,该地热井井底初始温度为107℃,不同深度地下温度的平均温度约70℃;单位管长换热量为217.4 W/m,在供水温度为70℃,采用散热片为末端,供暖部分负荷率约为25%时,系统性能系数为1.99。本文研究可为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。

地质参数对深层地埋管取热能力的影响

建立深层地埋管的取热模型,模拟计算地质参数对深层地埋管供暖效果的影响,并通过有关实际工程数据进行对比验证。通过分析发现,地埋管的取热能力随着大地热流的增加呈现线性提高的趋势,且当各层岩土导热系数和比热容都随着埋管深度增加时,地埋管的取热能力最好。结果可为新建深层地埋管换热器工程的前期地质勘探工作提供一定理论参考。

西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。

中深层地埋管地热供热系统长期取热性能评价与经济性分析

使用开源数值模拟软件OpenGeoSys建立了中深层地埋管换热器三维数值模型,探究了不同钻井深度下的中深层地埋管换热器长期取热性能并进行了系统经济性分析。结果表明:随着中深层套管式地埋管换热器钻井深度的增加,其取热能力明显提升,但与此同时初投资与运行成本也将增加;综合考虑系统初投资及耦合热泵和循环水泵运行成本,在给定参数条件下,钻井深度为2600 m的中深层地埋管地热供热系统具有最低的平均能源成本,系统投资回收期为10 a左右。

渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析

渭河盆地地热资源丰富,开发利用历史悠久,以洗浴、供热为主,但原有开发模式属掠夺式开发利用,对资源损害较大,近年来中深层地埋管供热技术的研究使用,开创了一种新型利用模式,也激发了渭河盆地地热资源开发利用的新高潮。本文通过分析渭河盆地地热资源特征及中深层地热资源开发利用现状,结合高校、科研、企事业单位在中深层地埋管供热技术的研究,结合工作实际,对中深层地埋管供热技术进行了初步探析,大致了解了中深层地埋管供热技术的研究现状,分析出其中存在的地埋管传热机理复杂、持续换热稳定性低、换热效率较低等问题,提出下一步的研究方向。

非供暖季中深层热储自然恢复与蓄热对比分析

中深层岩土热储恢复对地埋管的取热效率至关重要,非供暖季结束时中深层热储温度场呈现不同的衰减程度。主要研究对比分析中深层地埋管运行1个供暖季后在非供暖季埋管周围热储自然恢复与有人为干预的蓄热恢复两种不同恢复情况温度场的变化,利用ANSYS Fluent建立传热模型,基于有限体积法进行求解,并与项目实测数据进行对比验证。通过对比分析两种不同恢复模式在非供暖季结束时热储的温度值,结果表明:非供暖季中深层热储通过自然恢复结束时,热储温度热恢复率最低点为96.81%;进行人为干预的蓄热恢复在非供暖季结束时,热储温度的最高恢复率可以达到158.09%。对比两种不同的热恢复模式在非供暖季结束时温差最大达到10.09℃,温差随深度及径向距离的增加而减小。

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%。

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。

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%。

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。

地下水渗流对中深层地埋管取热性能的影响规律

中深层地热能是我国重点发展的可再生能源,中深层地下水渗流会对埋管取热性能和取热可持续性产生重要影响,但其影响规律在长时间、多周期情况下尚不明确。为此,基于自主开发的埋管与地层双向耦合传热解析模型,通过一原位试验井参数,研究了埋管在单个取热期、多取热周期情况下的性能,并通过变化率、降低程度等重要参数定量评估了地下水渗流的影响。研究结果表明:①单个取热期中,地下水渗流对埋管出口温度和取热功率的增幅作用在取热初始时刻很小,随着运行时间累积而增长;②单个取热期中,当试验井中达西速度大于3×10^(-7) m/s时,含水层中的局部降低程度才低于无含水层,此时增强了局部取热可持续性;③多周期取热时,在各个达西速度下,取热期瞬态阶段的取热性能随运行年限的降低程度要高于取热期稳定阶段;④多周期取热中达西速度在4×10^(-7) m/s以上时局部降低程度近似为0,此时每年取热期的取热性能维持不变。结论认为,建立的中深层地埋管与地层双向耦合传热解析模型,分析了埋管取热性能随地下水渗流速度的变化规律,为我国中深层地热能的开发利用奠定了基础。