套管式地埋管换热器热短路及换热性能

套管式地埋管换热器是深层地源热泵系统常用的换热装置。基于流体流动换热方程,建立套管式地埋管换热器与周围岩体之间的传热模型。以第一个供暖季为例,分析内管导热系数和循环水流量对换热性能的影响,并引入换热器效能对热短路现象进行评估,研究结果显示:内管导热系数越大,热短路现象越显著;热短路使内外管中循环水温差降低,管内出现热堆积,导致换热器换热功率降低;套管式地埋管换热器的换热功率随循环水流量的增大逐渐增大;内外管之间存在热短路时,出口水温随循环水流量的增大先升高后降低,随着流量增大,换热器效能增大。研究成果可为深层地源热泵系统中地埋管换热器的设计提供借鉴。      

增强地源热泵竖直埋管地下换热器换热性能的研究

地下换热器换热性能直接影响到地源热泵系统的初投资和运行成本.地下换热器可分为单U型、双U型和1 2型三类.采用非稳态法对膨润土、水泥 砂两类回填材料进行了室内实验;在相同的边界条件下,采用扶正器和定位器施工可以保证下管,并能降低钻孔内热阻.因地制宜地选择埋管形式,采用稳定、高效的回填材料和减小热短路是提高地下换热器换热性能的必要途径.     

U形垂直埋管换热器换热性能试验研究

在地源热泵系统中,埋管换热器的换热性能与很多因素有关.本文通过地源热泵试验台,参照国外地下埋管换热器岩土温度场的求解方法,采用线热源理论及热阻原理,将U形垂直埋管换热器等效转化为单管换热器,对相关影响因素进行了分析与实验研究.实验结果表明,循环流体的流速对换热器换热效果影响较大,流速维持在2.5m 3/h左右内比较合理,管道材料的热物性对换热影响不大,但在回填材料中加入砂砾可以显著提高换热量,在北方寒冷地区应尽量避免系统的长时间连续运行.     

地源热泵系统中水泥基灌浆材料性能优化

分别考察了水灰比、砂灰比、粗钢渣代砂率、钢渣粉代水泥率和泥浆掺入率对灌浆材料的工作性能、导热性能和固结强度的影响.研究结果表明:在未加废钢渣(包括粗钢渣和钢渣粉)前提下,若水灰比为0.55 ～0.6、砂灰比为2～2.2时,灌浆材料的综合性能最好;若单独用粗钢渣替代砂,单独用微米级钢渣粉替代水泥,并且粗钢渣代砂率和钢渣粉代水泥率分别控制在40％和20％以内时,便能保证灌浆材料良好的综合性能;增大泥浆掺入率可提高灌浆材料的工作性能,但会降低其导热性能和固结强度,因此泥浆掺入率需控制在10％以内才能保证灌浆材料有足够的导热性能和固结强度.结果表明,工业废弃物的再利用,可为地源热泵工程节约24.84％的原材料成本.     

北京平原区地源热泵换热能力现场测试研究

岩土体不仅决定地温场的展布形态,而且也是浅层地温能资源评价和工程设计的关键因素,掌握区域岩土体的热物性及换热性能,是保障热泵高效稳定运行的关键。根据北京地区在施地源热泵工程对现场换热能力测试结果,系统地研究了地层结构及岩性、水文地质条件、回填材料等因素对综合热导率的影响。研究结果表明:在相同条件下选择适当回填材料有利于提高系统换热性能,膨润土和水泥基作为回填材料,比中细砂作为回填材料的换热性能分别提高了17.6%和19.7%;岩土体和地下水是热能赋存和传播的物质基础,地下水与地层结构决定着地温场分布形态和换热效率,地埋管换热器的换热能力与土壤颗粒、地下水位、地下水渗流存在直接关系,土壤颗粒越大,地下水位埋深越浅,渗流越快,对地埋管换热器换热能力具有明显的强化作用。     

地下水渗流对地埋管换热影响研究

为研究地下水渗流对地埋管换热的影响,搭建地埋管换热研究试验台,模拟不同地下水流速(0 m/a、100 m/a、200 m/a)条件下的地埋管换热器,通过试验数据分析得出:随着地下水流速的加大,将更多的热量带到下游,地埋管换热器的换热量和综合导热系数逐渐增加,对上、下游温度变化作用更明显,水流方向的热影响半径依次变大。地埋管换热器工程建设中应注重前期水文地质条件的勘察,对整个地源热泵系统工程能长期稳定运行起到关键作用。     

地下群井改变径流条件下的三维实验模拟研究

为研究改变地下径流条件时对U型地埋管换热器周围温度场恢复的影响,对北京某区实验基地U型地埋管进行夏季换热实验。通过抽水实验改变地下径流条件,取得了地源热泵系统的运行参数以及周边温度场变化趋势,通过COMSOL软件模拟三维U型地埋管在多场耦合作用下的换热过程,改变径流条件得到了换热孔周围0.5 m、1 m地温场恢复曲线,得到U形管口出口温度等。地下水径流能引起地埋管周围温度场的变形,地埋管周围温度场的迁移变化方向同地下径流速度场方向一致。对比实验值得出:运行稳定后地埋管的出口温度模拟值与实际值工况接近,地埋管在10 m、120 m处的温度模拟值与实验值吻合好,地埋管深5 m、48 m、89 m处周围0.5 m、1m的温度恢复比原始地温高1℃左右,与实际监测结果相同,证明了数值模拟的正确性。在此基础上预测了加大径流条件下的地温场恢复情况,并分析了原因。此三维模型可研究不同土壤分层构造、地下水不同流速、人为改变地下流场条等复杂三维多场耦合问题,可初步预测实际工程中,换热群井运行过程中地下温度场的变化。为进一步研究土壤分层和地下水分层流动下,地埋管群井周围温度场变化奠定了基础。     

竖直埋管地源热泵技术

竖直埋管地源热泵技术的重点和核心是地下埋管换热器。地下埋管换热器的设计包括：换热器形式和回路形式的选择，地下换热器尺寸设计，水平间距及热短路，管材的选用和换热能力等。地下埋管换热器的施工主要包括：钻孔，下管，注浆、回填和换热器的安装。     

上海地源热泵系统对地质环境的热影响分析

根据地源热泵工程试验场两年监测数据,分析了地下换热区地温场分布特征以及地源热泵系统短期运行对地质环境的热影响效应。换热区地温场分布主要受气温、建筑冷热负荷、原始地温、岩土导热系数、与换热孔距离等因素影响。在吸排热比基本平衡的条件下,地源热泵系统对地质环境的热影响较小。选择合理的埋管间距,充分利用地源热泵的热回收功能,采用冷却塔—地埋管、地表水—地埋管等复合系统,有助于消除吸排热比不平衡现象。     

天津市浅层地热能存在的热堆积问题及解决方法探讨

通过对天津市浅层地热能地质环境动态监测系统获得的地埋管换热器周围温度场动态变化数据的归纳分析,得出以下结论:大部分地源热泵工程能满足建筑供暖制冷需求,地埋管换热器周围土壤在运行一个制冷供暖周期后能恢复到原始地温,不会对地质环境产生影响;一小部分地源热泵不能满足建筑制冷供暖需求,地埋管出水温度不能达到设计要求,换热器周围土壤温度出现持续的升高,在下一个制冷供暖周期不能恢复到原始地温,存在热堆积问题。在分析存在问题的基础上,提出以下可行解决方法:增加换热孔间距、调整换热孔群布置方式、地埋管与抽水井耦合开发利用、复合式供暖制冷系统以及深浅间隔布置的换热孔设计方式。     

砂土混合材料导热性能的试验研究

基于平板探针原理,研究了砂和膨润土及其与水泥混合材料的导热性能,对其中各种物质组成情况、时间以及不同温度对导热性能的影响进行了详细分析,得到了导热系数随各种影响因素而变化的曲线。试验结果表明：膨润土单独与水的混合材料导热性能比较差,应与水泥、砂混合。混合材料的导热系数随水灰比（w/c）的减小而增加;加入大颗粒的骨料对于提高导热系数是有效的,即在混合材料中增加含砂量可以使导热系数往往呈增长趋势。     

多孔矿物介质对有机相变材料导热性能的影响

通过对制备的基于膨胀多孔石墨和硅藻土两种多孔矿物介质与硬脂酸丁酯有机相变材料的相变蓄热复合材料,采用调制差示扫描量热方法(MDSC)测试复合材料的导热系数,并借助层状复合材料热传导模型分析多孔矿物介质内部结构特征对复合材料的导热性能的影响,其结果表明,采用膨胀多孔石墨制备的相变蓄热复合材料具有明显的层状结构,其压制方向的导热系数更接近层状复合材料热传导模型c轴方向导热系数预测结果;采用硅藻土制备的相变蓄热复合材料的导热系数符合层状复合材料热传导模型的a-b平面方向导热系数预测结果,说明该复合材料内部结构具有非常好的连通性。多孔矿物介质对相变材料导热系数的增强效果不仅受多孔矿物介质导热系数的影响,还会受到复合材料内部结构特征的明显影响,在热传导方向上形成连通性结构有利于增强效果,而形成与热传导方向垂直的层状结构则不利于导热系数的增强,即使多孔矿物介质具有很高的导热系数。     

砂?重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式,回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象,探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律;并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验,揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制;最后,通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明:重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著,掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好,最高可使导热系数提高52.09%;水的含量对导热系数影响也很显著,样品饱水后导热系数明显增加,相比干燥样品提高了4~5倍;重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起,包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹,而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充;数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。      

一种新的地埋管换热器钻孔长度计算方法

基于叠加原理,提出了一种新的地埋管换热器钻孔长度计算方法,新方法考虑了地埋管换热器各钻孔地下换热热干扰的影响,以流体平均温度的作为计算参考温度。研究结果表明,由于受到热干扰的影响,地埋管换热器钻孔计算长度比不考虑热干扰情形要大;与传统"最不利钻孔法"相比,"流体平均温度法"计算的钻孔长度要小,且钻孔间距越小,钻孔长度相差越大。新方法能降低地埋管地源热泵项目钻孔成本,有助于地埋管地源热泵技术的规模化推广和应用。     

现场热响应试验测试数据对比及应用分析

勘查评价浅层地热能地质条件及换热能力是高效开发浅层地热能资源的关键基础,对高效、可持续利用浅层地热能起着举足轻重的作用。不同区域地质条件千差万别导致地下换热效果不同,目前现场热响应试验,是地埋管地源热泵系统区域调查评价和应用项目场地勘查中,采用的重要勘查手段。通过现场热响应试验获得地温场初始地温、岩土体的热物性参数,计算得出每个地埋孔的换热能力即换热功率,可为评价地埋管地源热泵系统适宜区域的浅层地热换热功率提供依据,指导地埋管地源热泵系统地下换热系统设计。本文主要对地层初始地温、不同测试功能测试所得数据,进行了对比及应用分析,对指导现场热响应试验的科学合理应用,具有重要的参考意义。     

地源热泵系统中钻孔回填材料研究进展

当今社会快速发展,能源需求与环境问题逐渐加剧,利用地源热泵系统采取浅层地温这一清洁能源,可以实现节能减排与充分利用资源的目标。而在地源热泵技术中影响地温能开采效率的重要因素即为回填材料的研发与应用。该文对地源热泵技术中回填材料的力学性能、导热性能和施工性能及其当前存在的问题及发展趋势进行综述,指出了当前回填材料的导热性能的研发虽能使其达到较高的导热效率,但其往往会影响材料的力学强度等物理特性,增加其施工难度,而相变材料可能是解决回填材料性能缺陷的关键。此外,随着科技的发展,将数值模拟与试验相结合,可以对理论创新与工程效益起到很大的提升作用。     

挤密条件下U型地埋管换热器换热效率的理论分析及数值模拟

土层的导热系数是影响地源热泵地埋管换热器换热效率的重要因素之一,与土样的密度密切相关。为了提高地源热泵换热器换热效率,本文基于柱热源理论,建立了挤密钻进条件下换热器的传热理论模型,对换热器的换热效率进行了计算,并利用Ansys有限元软件对土层挤密条件下换热器的换热效果进行了数值分析。结果表明,与传统方法相比,土层挤密可有效降低钻孔周围的热阻,U型管换热器的换热效率可提高17%~20%。     

BTR-4000型地层热物性原位测试仪及其应用

地层热物性原位测试仪主要包括液路循环系统、数据采集和控制系统及电气控制系统等。利用测试仪对某热交换井进行现场测试,得到换热器进、出口循环水温度随时间逐渐趋于稳定,及换热器与周围土壤的换热量随时间基本保持恒定的相关曲线。采用线源和柱源传热模型,结合参数估计法,计算出平均热物性参数分别为：土壤热传导系数λ=2.428 W/(m·K),钻孔热阻R=0.102 (m²·K)/W,及λ=2.164 W/(m·K),R=0.086 (m²·K)/W。通过保证测试时间和准确的土壤比热容等参数,可得到准确的热物性参数,计算结果为地源热泵系统的准确设计提供了依据。     

严寒地区地源热泵地埋管周围土壤冻结影响因素的实验研究

为了研究影响地埋管周围土壤冻结的因素,文章建立了模拟严寒地区热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置。实验研究了进口流体温度、土壤体积含水率和土壤初始温度对地埋管周围土壤冻结的影响。结果表明:进口流体温度变化改善了埋管周围的温度场,有利于埋管换热器换热;随着土壤初始温度升高,减小了土壤物性参数的变化,增加了地埋管换热器的换热量;土壤体积含水率的增加,强化了周围土壤与地埋管换热器的换热作用,有利于提高地埋管的出口流体温度和取热值。     

潍坊市浅层地热能利用的岩土原位热传导试验

鉴于地下岩土的复杂性和多样性,在确定地下岩土热物性参数时宜尽量采用现场测试的方法.现场原位热传导试验是实施地源热泵工程的关键环节,是合理开发浅层地热能的基础.本文介绍了现场原位热传导试验的原理和方法,并以潍坊城区的实际工程为例,获得了当地土壤原始温度、导热系数及地下换热量参考值,可为设计人员结合建筑结构、空调负荷特点等优化她源热泵工程提供基础数据.