中深层地热井换热特性多因素影响规律研究

积极推进中深层地热能供暖技术,是践行国家碳达峰碳中和“双碳”目标的重要举措。中深层同轴套管式换热系统可避免对地下水资源和环境造成损害,且影响要素之间存在着复杂的非线性相互作用。基于中深层同轴套管式换热器的理论分析和数学描述,建立地热井分层换热模型,并验证其可靠性;以陕西关中盆地某中深层地热井为依托,采用数值模拟方法对各项因素影响下的地热井换热性能及连续运行过程的取热能力进行系统分析。结果表明:采用均质模型、分层模型计算地热井出水温度与实测值最大相对误差分别为14.08%、11.50%,平均误差分别为7.29%、6.93%,分层模型较均质模型具有较高的计算精度;影响因素中地热井深度、地温梯度及地层导热系数对取热功率影响最为显著,在一定程度上取热功率与地温梯度、进水温度、内管导热系数基本呈线性关系,且固井材料导热系数对传热过程具有热阻效应;中深层地热井取热量随运行年限的增加而降低,前5个供暖季取热量降幅较大,之后取热量降幅减缓,经过50个供暖季,年平均取热功率下降15.59%,将地温下降值超过1℃视为地温场受到影响,地温场平均受影响半径约为65 m,此外,由于地层的差异性,地热井周围地层温度下降及恢复等值线在地层交界面处出现了“阶梯式”变化,岩石导热系数较大的地层在地层交界面附近造成的温度扰动距离更远。研究成果可应用于中深层地热井取热换热能力的评估,同时为中深层同轴套管式换热系统的设计提供借鉴。

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。

地热井同轴高效取换热双层保温管柱工具的研究

同轴取换热双层保温管柱是一种能100%实现地热井闭环“取热不取水”效果的地热井开发工具,由外管、保温内管和底部密封开关器组成。与BLD系列地热井用高效保温钢管、耐高温高压复合保温管、钢套钢直埋保温管、高温蒸汽真空保温管等工具相比,具有低导热系数、高取热效率、密封性能好、可重复利用的特点,实现经济效益、社会效益和环境效益的统一,可有效助力京津冀地区地热资源开发,为我国实现碳中和、碳达峰战略目标做出贡献。

竖直双U型埋管地热换热器支管间热短路分析

采用地热换热器准三维传热模型和数值计算的方法,对竖直双U型埋管地热换热器支管间的热短路进行了分析,讨论了管间距和回灌材料的导热系数对热短路的影响,并提出了减少热短路的措施。

基于CFD技术的双U型地埋管换热器传热热阻

以地热埋管换热器为研究对象,对换热器各环节热阻进行了数值模拟.模拟利用Fluent软件,建立双U型埋管换热器二维模型,并对钻孔内外各传热过程进行数值模拟.将模拟结果与理论计算结果进行了比较,并讨论管间距半宽、PE管外径以及钻孔半径的变化对PE管内热阻、钻孔内热阻和钻孔外热阻的理论公式计算精度的影响.结果表明:对于PE管内热阻和钻孔外热阻而言,其模拟值和理论公式计算值非常相近,而钻孔内热阻的理论计算公式精度较差,其计算值和模拟值之间存在较大偏差;且管间距半宽和钻孔半径对理论值与模拟值的相对误差几乎无影响,而钻孔内热阻的理论值与模拟值之间的相对误差会随着PE管外径的增大而变大.

并联和串联连接的竖直双U型埋管地热换热器热短路的分析

利用地热换热器准三维传热模型,采用数值计算的方法对并联和串联布置竖直双U型埋管地热换热器支管间的热短路进行了分析;讨论了不同支管间距、不同回灌材料导热系数、不同深度,不同管内流量情况下的热短路。结果表明:并联连接的要比串联连接的热短路影响小。

中浅层同轴套管式换热器的传热能力分析

随着我国“双碳”战略目标的实施,地热能作为可持续开发利用的清洁能源也备受推崇。目前关于地热能开发利用的研究主要集中于浅层地热能和中深层地热能,对于中浅层地热能(200~500 m)研究较少,而利用中浅层地热能进行供暖与制冷也缺乏相关的工程案例和理论研究支持。本文基于河北省邯郸市某建筑物空调冷热源项目中施工的300 m地热井,开展了中浅层同轴套管式换热器的传热实验与理论分析研究。首先,对换热器的结构形式、施工工艺、换热特性等进行研究,根据建立的换热器开展了5种不同工况的现场传热测试,获取了相关的热物性参数;其次,通过分析中浅层地热能的特点,研究换热器换热内外不同的传热规律和循环方向,基于已有的浅层地埋管和中深层同轴管传热模型,创新性建立了针对中浅层套管式换热器冬夏两季的传热模型,通过相应的控制方程对传热模型进行模拟分析,并将模拟数据与实验数据进行了对比,校核了传热模型的准确性;最后,根据建立的传热模型对换热器进行了全年的模拟计算,获取了冬夏两季不同流量的进出口温差及换热量,岩土体温度横向、纵向的变化等参数,为进一步改进中浅层同轴套管式换热器结构以及室外埋管系统的设计与优化提供理论依据和技术指导。

三种垂直埋管土壤热交换器冬季供暖的实验对比研究

本文提供了测量垂直埋管土壤热交换器换热量相对精确数据的实验过程,并对高密度聚乙烯单U型管、高密度聚乙烯+不锈钢单U型管、高密度聚乙烯双U型管三种管型布置进行了实验对比研究。对在北京南部自主建立的地源热泵实验系统的垂直土壤热交换器的换热量、土壤热交换器的进出口水温、三种管型布置供水温度的下降速率进行了实验和分析,相信本文结果对于地源热泵理论研究及工程设计具有一定的参考价值。

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。

地埋管地源热泵技术在贵州岩溶地区的应用研究

地埋管热泵技术是采集地表以下200 m深度内的浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术,而该技术在贵州碳酸盐岩分布区的应用和推广之所以受到制约,其主要原因是岩溶地层中建造垂直换热孔的难度大、成本较高。通过贵州省有色科技大楼附楼采用垂直地埋管式与基础桩螺旋盘管式有效组合的换热系统,在岩溶一般至中等发育的碳酸盐岩地层中开发利用浅层地热能的成功经验的介绍,为地埋管热泵技术在贵州岩溶地区的应用和推广提供参考。

贵阳某地埋管地源热泵系统项目工程分析

我国地源热泵技术虽然起步较晚,但是近几年地源热泵技术正以突飞猛进的态势发展。目前,该技术被广泛应用在建筑采暖、空调和热水供应等多项领域。对地源热泵系统做了简要的论述,根据场地区域地质条件,结合项目建筑物周围面积较小,布置单一的双U竖直埋管面积不够的情况,制定了双U竖直埋管换热器与桩基螺旋盘管换热器相结合的地埋管地源热泵系统方案,取得良好效果,为地埋管地源热泵技术在该地区的应用发展提供参考。