地源热泵桩基螺旋埋管换热性能实验研究

实验研究了不同螺旋形式和流速对桩基螺旋埋管换热性能的影响。结果显示,不同埋管方式导致埋管的换热热阻不同,螺距越小,热阻越大,单螺旋埋管的热阻比三螺旋小34.58%,双螺旋的比三螺旋小25.71%;管内流速越大,热阻越小,单螺旋埋管0.8m/s工况时的热阻比0.6,0.4m/s工况分别小3%和9%;当管内为湍流时,流速对单位管长换热量的影响较小。

桩基螺旋埋管换热器的三维数值传热模型

以建筑桩基螺旋埋管换热器为研究对象,提出一种新的螺旋型地埋管换热器单元体离散方法,建立基于瞬态热平衡理论的三维数值传热模型,该模型考虑了管内对流换热、管壁导热、桩基回填料与土壤热物性差异、表面边界条件等对其传热过程的影响。分析讨论模型网格离散参数对计算结果的影响及迭代的收敛性问题,并采用两组热响应实验数据对该模型进行验证,研究表明:模型具有较好的网格离散适应性及迭代收敛性,模型理论计算结果与实验结果较为吻合,模型具有较高的精确度。

有均匀渗流的介质中螺旋埋管的传热分析

以埋设在均匀渗流介质中的螺旋埋管为研究对象,结合地源热泵工程应用背景,将地下螺旋埋管简化为连续的螺旋线热源,通过移动线热源理论与格林函数法,建立二维和三维非稳态的导热与对流联合作用的渗流传热问题的传热模型;求得无限长及有限长螺旋热源形态下渗流问题的温度响应的解析解。通过与纯导热模型的对比可知,地下水渗流会在一定程度上影响地下温度场的分布及传热达到稳态所需的时间。指出渗流速度是体现地下水流动对换热过程影响程度的重要参数,且渗流对整个螺旋管群的换热影响也被分析讨论。

桩基螺旋埋管换热器的沿程换热特性

建立了桩基螺旋埋管换热器的三维数值传热模型,研究了流体沿程换热特性和岩土温度分布特性。结果表明:桩基螺旋埋管换热器沿流动方向有进口、回填料热短路、小温差及出口4个换热阶段,每个换热阶段具有相应的换热特性;进行优化设计时,需控制小温差换热阶段的长度,增加其他换热阶段的长度,以提高螺旋埋管换热器的整体换热能力。

环形均匀分布桩群应用螺旋埋管换热器的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了流体流速、进口水温、螺旋管管径、螺距4个参数对桩基埋管换热器出口水温和传热量的影响及周围区域土壤温度动态分布特征。结果表明:桩基埋管换热器的传热量随着流体流速的增大,先不断增大,当流速过大时,传热量开始减小;进口水温为32.5-35.0℃时,传热量与进水温度近似呈线性关系,提高进口水温,能够增大传热量;螺旋管管径32 mm的桩基埋管换热器的传热量比管径25 mm的大5.8%;500 mm螺距的桩基埋管换热器的传热量较300,400 mm螺距的分别增大1.7倍和1.2倍,换热效果大幅提高。

基于混合热源模型的桩基螺旋埋管换热器的温度场分析

采用数学方法对桩基螺旋埋管换热器的温度场进行了研究。利用叠加原理,建立了基于混合热源模型的桩基螺旋埋管换热器的温度分布解析解。对混合热源模型与纯有限长螺旋线热源模型在桩基典型方向的温度分布进行了比较。结果表明,两种模型在考虑回水立管的水平径向上的温度响应差距最大。初始无量纲温度差值达到0.31,相对误差为41%。随着Fo的增大,绝对误差逐渐增大,相对误差逐渐减小。稳定时,绝对误差达到0.35,相对误差达到11%。在实际桩基埋管换热器的设计计算时,要考虑回水立管带来的热作用影响。

地源热泵桩基螺旋埋管传热性能的数值模拟分析

对地源热泵桩基埋管的传热性能进行了数值研究。以螺旋桩基埋管作为研究对象,采用CFD软件进行模型建立及数值求解,对埋管内水温特性、土壤及桩基内的传热特性进行了分析。结果表明,不同运行模式下,埋管内水温沿埋管长度方向呈线性下降且出口水温均随运行时间而缓慢增长;对于短时间歇运行模式,埋管向桩基的排热量大于土壤排热量,运行时间内,土壤及桩基温升均满足规范要求,不会对其结构特性产生影响。

桩基螺旋埋管强化换热性能数值模拟研究

桩基螺旋埋管换热器是一种新型地埋管换热器形式,能缓解常规地埋管换热器钻孔初投资较高、土地资源占用量大等问题,但由于桩基螺旋埋管埋深浅、螺距小,长期连续运行导致热堆积问题显著,会影响系统持续换热能力。以某桩基三螺旋埋管土壤源热泵系统为工程案例,提出基于额外冷量利用的桩基三螺旋主辅管联合换热器,并进行全尺寸建模,利用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法对所提出的主辅管联合换热器的夏季换热特性、额外冷量利用率进行研究。模拟结果表明,与常规桩基三螺旋埋管换热器相比,所提联合换热器在主辅管联合运行工况下能够有效利用额外冷量强化主管的换热,计算得到的强化效率最高为26.4%;且能提高地埋管换热器的进出水温差,最高达1.15℃。

设计参数对螺旋埋管换热能力的影响

基于提出的螺旋埋管换热器三维数值传热模型,模拟研究了螺旋埋管的桩径、桩深及螺距3个设计参数对其换热能力的影响。在模拟结果的基础上,拟合得出了不同螺距条件下螺旋埋管换热器单位管长换热量关于桩径和桩深的函数关联式,以期为工程设计提供理论指导。

竖埋螺旋管地热换热器理论模型及实验研究

对竖埋螺旋埋管地热换热器建立了传热模型,分析了流量、土壤传热系数对热输出的影响,并计算了等效传热系数、竖埋螺旋埋管换热器对土壤温度场的影响情况。在理论计算的基础上,对一竖埋螺旋管地源热泵系统进行了实验研究,对比分析了理论计算值和实验测试值,并分析了热泵系统的性能。

螺旋型埋管能源桩桩内温度场分布特征及其影响因素分析

针对能源桩桩内温度场分布特征开展了现场原位试验,实测获得了能源桩换热过程中的桩壁和桩心温度,以此为基础结合数值模拟分析了能源桩的桩内温度场分布特征及其影响因素。分析结果表明:能源桩桩内温度温升规律与地埋管进出口温度变化规律一致,桩内温度场主要受地埋管进出口温度控制;能源桩制热(冷)时,以地埋管为起点,桩内温度远离地埋管呈抛物线下降(上升);影响能源桩桩内温度场分布特征的主要因素为回填材料导热系数和桩径,导热系数越大,相同制热时间时的桩内温度越高,且桩心温度随导热系数的增加近似呈线性上升;桩径越大,相同制热时间时的桩内温度越低,桩内温度随桩径的增加近似呈等比例下降。该研究成果可为能源桩的推广应用提供参考。

大宽度螺旋全埋摊铺施工工艺应用研究

在大功率宽幅摊铺机的基础上,按照沥青路面机械化施工工艺流程,研究了机械化施工工艺中的各个环节,提出了基于大功率宽幅螺旋全埋摊铺机的新机械化施工工艺:对存在一定离析的混合料进行第2次拌和,然后再摊铺.并从级配离析、温度离析和路面密实度三个方面对其实际应用进行了试验研究,证明该工艺是可行的.

水平螺旋地埋管地源热泵的研究

提出了适合工程设计计算的水平螺旋地埋管换热器的传热模型,该模型以无限大介质中的一维非稳态传热为基础,同时考虑单位面积埋管长度的影响及长期平均负荷和短期脉冲负荷的不同作用。讨论了单位面积埋管长度和土壤的热物性对水平螺旋地埋管换热器的影响。结合工程实例,计算了所需的埋管长度和埋管的占地面积,与竖直埋管系统进行了比较。

螺旋型埋管能源桩传热模型的适用性及其试验验证

传热模型的精确性直接关系到能源桩换热效率的计算精度,进而影响能源桩设计。以螺旋型埋管能源桩为研究对象,在信阳地区开展了一项现场原位试验,实测获得了螺旋型埋管能源桩换热过程中的桩周温度场数据,并分别与圆柱面热源模型和线圈热源模型的计算成果进行了对比分析。研究成果显示:有限长热源模型较无限长热源模型具有更高的计算精度,有限长线圈热源模型较有限长圆柱面热源模型具有更高的计算精度,采用有限长线圈热源模型计算的桩壁温度误差<1.5%,桩周温度场计算误差<2.5%,地埋管进出口水温计算误差<2.2%,故将其推荐为螺旋型埋管能源桩桩周温度场的计算模型。最后,探索了不同传热模型针对螺旋型埋管能源桩的适用性,为指导螺旋型埋管能源桩设计提供了科学依据。

深部矿井水平方螺旋形埋管充填体换热器及其耦合热泵系统性能研究

深部矿井蕴藏着大量地热资源,功能性充填体技术将深部采矿和深部地热开采相结合,实现矿产和地热资源开发共赢,是延长深部矿山寿命的重要举措.本文在分析了国内外充填矿井通过埋管提取地热资源现状基础上,提出了一种水平方螺旋形埋管充填体换热器(Square-spiral-type backfill heat exchangers,S-S BHE).考虑到地下水渗流对矿井埋管充填体换热器(Backfill heat exchangers,BHE)取热影响显著但前期研究相对不足,利用COMSOL软件建立了三维非稳态BHE热渗耦合模型并验证了其可靠性.在此基础上,建立了埋管充填体换热器耦合热泵(Backfill heat exchangers coupled heat pump,BHECHP)数学模型及四个综合评价指标.首先,在相同几何条件和物理条件下,对比分析了S-S BHE与两种典型蛇形BHE的性能,结果表明:S-S BHE的综合评价指标均优于蛇形BHE,且在较高渗流条件下优势更加显著.其次,研究了管内流速、管间距、渗流速度和入口水温对S-S BHE及其耦合热泵特性的影响规律,研究发现:管内流速和渗流速度对综合评价指标的影响最为显著,管内流速越高,单位管长平均换热功率越高,但制热季节能效明显降低.分析认为管内流速存在0.4~0.6 m·s^(–1)的最优区间,此时管内循环水流动处于从过渡区向旺盛湍流转变.渗流速度在小于10^(–6)m·s^(–1)时的影响可以忽略不计,在10^(–6)~10^(–5)m·s^(–1)的常见渗流范围内,综合评价指标均呈线性递增的趋势.最后,对方螺旋形埋管充填体换热器耦合热泵(Square-spiral-type backfill heat exchangers coupled heat pump,S-S BHECHP)进行了生态评价.通过与传统供暖方式对比发现:采用S-S BHECHP的供暖方式具有显著的节能降碳效果,一次能源消费和碳排放量比蓄热式电锅炉、燃煤锅炉和空气源热泵相应降低了83.39%、61.57%和56.84%.本研究结果展示了方螺旋形BHE和BHECHP的优良性能,为蓄热储能式功能性充填在深部矿井的应用与探索提供了理论指导.

桩基并联双螺旋型埋管换热器传热特性的数值仿真

摸清桩基并联双螺旋型埋管换热器的传热特性是进行合理设计、确保其高效运行的前提。建立了包含回水立管在内的桩基并联双螺旋型埋管换热器三维动态传热的仿真模型,利用其对现场实验的仿真复现及实心圆柱源热源模型解析解的对比验证了模拟结果的正确性。对桩身和土壤温度的模拟结果进行了分析,给出了沿管程、桩基内部以及周围土壤的温度分布。对连续和3种间歇运行模式下桩基并联双螺旋型埋管换热器的运行情况进行了仿真,揭示了其出口水温和单位管长放热量等性能参数的动态变化规律以及桩壁和周围土壤温度沿桩深和桩径方向的分布特征,提出了桩壁温度恢复百分比指标,定量评价了其在间歇运行模式下的温度恢复程度。表明了运停比越小,桩壁温度恢复程度越显著,但随着间歇运行周期的增加,每一间歇期的温度恢复程度呈现下降趋势。

土壤源热泵水平螺旋地埋管换热器换热性能研究

通过建立水平螺旋地埋管与回填材料以及土壤的三维换热数学模型,对水平螺旋地埋管换热器的换热性能进行研究。对影响水平螺旋地埋管与土壤之间换热性能的因素进行分析,包括水的流速、进口水温、螺旋环径、相邻环中心间距、回填材料等。研究结果表明这些影响因素对换热性能(单位管长换热量和单位土壤长度换热量)有着不同程度的影响。

双螺旋形埋管能量桩传热性能分析

为研究双螺旋形埋管能量桩传热效率的最佳性能和结构配置,基于三维仿真数值模拟的方法,构建了三维流-固耦合数值模型。在夏、冬季工况下,研究了桩长、螺旋直径和螺距对换热性能的影响,以识别出双螺旋形能量桩具有最佳换热效率的结构配置;通过控制换热液流速、切换运行模式,开展了能量桩在不同流速和运行模式下的传热性能对比分析。结果表明:桩长较长、螺旋直径较大和螺距较小的双螺旋形能量桩具有更高的传热效率,能够有效优化结构配置。在双螺旋形能量桩中,最佳入口换热液流速为低速,最佳运行模式为间歇运行模式。

双螺旋旋耕埋草刀辊转矩检测系统设计与试验

为研究双螺旋旋耕埋草刀辊工作性能,基于虚拟仪器技术开展了埋草刀辊主轴转矩转速检测系统研究。利用JN338A型旋转式扭矩传感器和Nl PCI—6024E同步采集卡,在LabVIEW 8.6环境下设计了一套旋耕埋草刀辊主轴转矩转速检测系统。为研究刀辊运动参数与工作转矩间的规律,运用该检测系统进行了室内土槽试验研究。分析结果表明,刀辊工作时的前进速度和耕作深度对工作扭矩有显著影响。

潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究

本文根据地源热泵实验研究的新方向——热渗耦合理论,在相似理论的基础上搭建了可以模拟潮汐涨落的地源热泵砂箱实验台。实验结果表明,潮汐的涨落对地埋管换热器与土壤间的热量传递产生一定程度的周期性影响,对围温度场的亦有周期性的影响。潮汐影响有利于地下埋管换热器周围土壤温度场的恢复,提高土壤源热泵系统的运行性能。