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。

中深层地热地埋管管群换热性能模拟和布置优化

在中深层地热地埋管(DBHE)供热技术应用中,主要使用多个地埋管构成管群为建筑供暖。为了研究中深层同轴地埋管管群换热性能,本文基于西安市西咸新区典型地质分布,构建了中深层同轴地埋管管群数值模型,研究了不同间距、不同分布下各地埋管换热器间热交互作用以及长期取热期水温衰减规律。结果表明,多井集群供暖过程中周围岩土所形成的“冷堆积”现象是导致地埋管集群供暖能力逐年下降的主要原因;当地埋管间距从5m增至25m,平均出口水温和取热功率分别提升3.86%和11.5%;在西咸新区典型地质条件分布下,地埋管间间距应保持在15m以上;本文提出的四种管群分布中,地埋管呈直线分布时各地埋管出口水温和取热功率衰减最小,其中心地埋管出口水温仅衰减5.74%。在工程设计中,中深层地埋管管群应尽可能直线排布,避免重叠排布。

陕北地区中深层同轴地埋管取热性能影响因素分析及优化

中深层同轴地埋管地热供热技术在我国北方城镇供热领域兴起并广泛应用。陕北地区地热资源丰富,但地温梯度略低且岩土热物性参数特性不同,地质参数影响中深层同轴地埋管的取热性能。采用OpenGeoSys开源数值模拟平台建立三维中深层同轴地埋管耦合地层传热计算模型,并基于陕北地区典型地质参数,研究不同设计参数对中深层同轴地埋管取热性能的影响及全生命周期技术经济性,优选出地热工程最佳工艺参数。结果表明,中深层同轴地埋管的外管径与埋深增大均能提升取热能力。相较于外管径,埋深对取热能力的提升效果更为显著,埋深从2 500 m增加到3 500 m,取热量增加了77.3%。依据工程实践,当外管外径×厚度大于177.80 mm×9.19 mm时所对应的平均能源成本因其钻井成本陡增而增大。在给定工况参数下,推荐中深层同轴地埋管的最佳外管外径×厚度为177.80 mm×9.19 mm,埋深为3 200 m,此时平均能源成本为0.524元/(kW·h),经济效益最优。

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℃。

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。

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。

中深层深井换热器实验测试及传热特性模拟研究

中深层地热能现已成为地热能开发利用的重点内容。文章基于实验测试,得到初始土壤温度分布及深井换热器进、出口温度变化情况,分析了中深层地热热泵供暖系统的供热特性。开发了一种二维深井换热器传热模型,考虑了实测地温梯度以及井底流动与传热过程,具有较高的计算精度。依据模型研究了内管管长,循环流量及管内流向对深井换热器传热特性的影响。结果表明:深井换热器内管管长由1890 m增至1950 m时,其取热能力增加2%~7%;循环流量为11.25~56.25 m^(3)/h时,深井换热器取热量随循环流量的增加先升高再降低,同深度处内管与环腔流体温差随循环流量的升高而降低,流体随埋深的温度变化率随循环流量的升高而降低;深井换热器环腔进水内管出水比内管进水环腔出水时取热性能更优但其热短路现象更为严重。

中深层同轴套管式换热器换热性能实验

在河北工程大学中深层地热井安装了埋管深度为2500m的同轴套管式换热系统,采用现场实验的方法进行了换热性能的研究。实验条件为控制地热井入口温度和循环工质流量,实时监测地热井出口温度和循环水流量。通过地热井入口、出口以及循环工质流量得到实验条件下的地热井取热量。

中深层地热用地埋管换热器研究利用进展

提取地热能使用的主要装置是地埋管换热器,本文介绍了地埋管系统的工作机理,综述了目前国内外地埋管换热器特别是中深层地埋管换热器的理论研究现状与实际利用情况,并指出了研究要点和未来发展方向。

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。

中深层地埋管地热热泵供暖关键技术研究与应用

推进北方地区清洁供暖是党和政府及社会各界高度关注的重大民生工程,是蓝天保卫战中最艰巨的任务。本项目响应国家清洁供暖和双碳战略重大需求,攻克了低环境温度条件下高热负荷应用的可再生能源供暖难题,开展了中深层地埋管热泵供暖“理论研究-关键产品-设计施工-标准规范”全链条创新工作。首创超长同轴、密闭金属套管结构换热器,专用高蒸发温度、小热源流量的高效变频离心热泵机组和无毒、长时间流态化孔壁封堵压浆材料,构建了勘察与计算互校的系统化设计方法,独创专用施工工艺,主编系列中深层地埋管热泵供暖工程技术标准,形成了规模化应用技术体系,有力推动了我国北方地区可再生能源供暖的实施,为我国建筑供暖应对气候变化提供了全新解决方案。

不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

相比传统钻孔埋管换热器地热采集技术,不断优化的能源桩技术在建筑节能工程应用中更具高效及经济优势.根据深层埋管型能源桩、桩内埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器3种不同地埋管换热器的结构特点,通过现场试验及数值模拟分析3者换热特性.结果表明,相同埋深下,深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器;相同桩长下,深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩;桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果,深层埋管型能源桩的井-桩段换热比达到1.95;深井的设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰,还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.研究表明,通过优化换热器施工工艺,降低换热管间的热干扰效应,可有效提高换热器整体换热效果.

关于开发利用中深层地热取热不取水技术的思考

本次研究主要以中深层地埋管换热系统、异井抽灌换热系统和同井抽灌换热系统为基础,提出中深层地埋管“d”型井换热系统、异井抽灌换热系统双层热储开发模式和同井抽灌换热系统双层热储开发模式,并对三种换热系统的经济可行性进行对比分析。结果表明:异井抽灌系统经济性最好,同井抽灌系统次之,中深层地埋管换热系统最差;取热不取水系统不同于抽采取热系统,其不但会降低地层温度,存在井距、开采强度及冷堆积问题,而且在径流条件好的地区还可能存在冷迁移问题;为降低系统全寿命周期成本、提高系统能效和系统可持续性,可考虑系统分层取热模式。

不同排列方式下多孔套管式换热器传热分析

中深层套管式换热器由于占地面积小、取热量高等优点被广泛使用。描述了中深层套管式换热器的结构特点与工作原理,建立了单孔、双孔及四孔地埋管换热器的传热模型,揭示了多孔地埋管传热研究中叠加降维方法的应用,基于相应的工程项目分析了模拟数据的变化情况。当多孔地埋管以对称方式分布时,对比了单孔、双孔和四孔之间取热量的变化,并分析比较了各自的钻孔间距、大地热流、循环液流量、岩土导热系数、回填材料导热系数及内管导热系数对套管式换热器名义取热量的影响和不同间距对进出口温度的影响。此外,对比了四孔非对称分布时不同排列方式对名义取热量的影响以及进出口水温的变化。其研究结果为多孔中深层地埋管换热器的工程项目提供理论依据和技术指导,进一步促进中深层地热能的推广应用。

不同运行模式下中深层地埋管换热器取热特性

建立中深层套管式地埋管换热器数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解。对不同运停比下地埋管换热器连续运行15个供暖期的出水温度、热损失率进行模拟分析。随着运行时间的延长,4种运停比(8∶16、12∶12、16∶8、24∶0)供暖期结束时地埋管换热器的出水温度均逐年降低,前期温降速率比较大,后期比较平稳。相同供暖期,供暖期结束时地埋管换热器的出水温度由高到低对应的运停比顺序为:8∶16、12∶12、16∶8、24∶0,以第1个供暖期结束时地埋管换热器的出水温度为基准,第15个供暖期结束时地埋管换热器的出水温度分别下降2.18%、3.61%、5.23%、9.23%。由模拟结果可知,第15个供暖期末,运停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0对应的地埋管底部的循环水温度分别为39.70、33.97、36.71、28.93℃。降低运停比有利于岩土热恢复,提高热泵机组的制热性能。运停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0对应的地埋管换热器热损失率分别为48.86%、50.07%、51.09%、52.40%。降低运停比有利于减小热损失率。

中深层套管式地埋管换热器换热性能模拟研究

建立套管式地埋管换热器数值模型,采用FLUENT对制热工况下套管式地埋管换热器的换热性能进行模拟,研究运停比、岩土热导率、地温梯度等因素对单位钻孔深度换热量的影响。岩土热导率为2.5 W/(m·K),地温梯度为0.03℃/m条件下:不同运停比的单位钻孔深度换热量均随时间推移而下降。相同供暖期,单位钻孔深度换热量由大到小对应的运停比顺序为8∶16、12∶12、16∶8、24∶0。地温梯度为0.03℃/m,运停比为24∶0条件下:不同岩土热导率的单位钻孔深度换热量均随时间的推移而下降。相同供暖期,单位钻孔深度换热量随岩土热导率的增大而增大。岩土热导率为2.5 W/(m·K),运停比为24∶0条件下:不同地温梯度的单位钻孔深度换热量均随时间的推移而下降。相同供暖期,单位钻孔深度换热量随地温梯度的增大而增大。间歇运行可使岩土得到有效热恢复,增大地埋管换热器的换热能力。