地质条件及埋管形式对地埋管换热器换热性能影响研究

利用北京市35个现场换热孔岩土热响应试验数据,分析了地质条件和埋管形式对地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明地质条件对地埋管换热性能具有显著影响:地层初始平均温度每变化1℃,换热能力相差8%左右;基岩地层的地埋管换热能力平均比松散层高35%;换热孔处地下水流速从0.14 m/d增至0.91 m/d, Pe值从18增加至113,由于热对流换热作用加强,延米换热量提升13%。在相同地质条件下,套管式换热器冬季延米取热量比双U型换热器高约40%;换热深度从150 m增加至300 m时,双U型和套管式换热器延米取热量均略有升高。     

地埋管换热性能综合微缩试验研究

为研究不同水文地质条件下地埋管换热器与岩土体换热情况,构建了室内地埋管换热器综合微缩实验台,并开展了干砂、饱和砂（不流动）以及饱和砂（流动）三种情况下的相似试验研究,结果表明:干砂、饱和砂和地下水渗流条件下综合导热系数依次增加;温度场范围依次加大,并且渗流对上、下游温度变化分别有阻碍和促进作用;随着渗流速度的加大,地下水将热量带到下游,温度场在水流方向被拉长。文章从试验数据论证了水流作用对地埋管换热影响,对地埋管设计等地埋管热泵的工程应用具有指导意义。     

地埋管换热性能综合微缩试验研究

为研究不同水文地质条件下地埋管换热器与岩土体换热情况,构建了室内地埋管换热器综合微缩实验台,并开展了干砂、饱和砂（不流动）以及饱和砂（流动）三种情况下的相似试验研究,结果表明:干砂、饱和砂和地下水渗流条件下综合导热系数依次增加;温度场范围依次加大,并且渗流对上、下游温度变化分别有阻碍和促进作用;随着渗流速度的加大,地下水将热量带到下游,温度场在水流方向被拉长。文章从试验数据论证了水流作用对地埋管换热影响,对地埋管设计等地埋管热泵的工程应用具有指导意义。     

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。     

地层初始温度及结构对地埋管换热能力影响分析

不同地质条件下,地埋管的换热能力有所不同,热能采集和扩散能力存在差异。为给地埋管地源热泵系统工程提供科学合理的设计依据,本文利用现场热响应测试数据分析了地层初始温度以及地层结构对地埋管换热能力的影响。结果表明:地埋管换热能力与地层初始温度呈较好的线性相关性,地埋管夏季延米换热量随地层初始温度的升高而减少,冬季延米换热量随地层初始温度的升高而增加;不同地层结构,地埋管换热能力有所不同,在富水性相对较好、岩性颗粒粗、地下水径流速度快的区域,地埋管换热效果要优于富水性相对较差、岩性颗粒细、地下水径流速度慢的区域。     

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。     

地下水人工流场能效增强技术在浅层地热能开发中的应用

中新天津生态城地处天津市滨海地区,区内地下水位高,地下水流动性差,地层上部80~100 m深度内地下水均为咸水,地层天然的热传导能力差,在一个供能期内地埋管向土层中散出的冷量/热量难以在短时间消散,造成冷量/热量在地埋管附近处持续堆积,使地源热泵系统能效降低。地下水人工流场能效增强技术可通过地下水流动将地埋管周围堆积的冷量或热量较为均匀地转移到整个地埋管区域土壤中,使地埋管间的浅层地热能被充分利用,增大换热温差,提高地埋管的换热效率,从而提高地源热泵系统的能效。     

路面下水平地埋管热响应试验与数值模拟研究

近年来,水平式地埋管换热器尤其是路面下水平式地埋管换热器逐步受到国内外学者关注。路面下水平式地埋管换热器利用道路路基施工便利进行安装,可有效节约地埋管换热器前期安装中的钻孔或开挖沟槽费用,且公路作为城镇基础设施,仅中国每年新增公路里程就达100 000 km以上,因此该方案应用潜力较大。为了探究路面下水平地埋管换热器的热扩散半径以及气温对其换热能力的影响,本文采用GeoCube热响应试验测试仪,对路面下埋深0.5 m的水平串联式地埋管换热器进行了两次加热功率分别为4 kW和6 kW的现场常规热响应试验,并基于4 kW热响应试验参数利用COMSOL软件建立了路面下水平串联式地埋管换热器3D数值模型。研究结果表明:气温波动对路面下地埋管换热器换热能力有显著不利影响。在热响应试验中,该影响会随着加热功率的增大而减小。路面下水平串联式地埋管换热器热扩散半径确定为小于0.75 m,建议地埋管安装间距大于1.5 m以防止热干扰。所建数值模型模拟精度良好,可用于路面下水平串联式地埋管换热器换热过程模拟。     

地源热泵埋管换热器换热量影响因素初析

用同一台岩土热物性测试仪,在外界温度相差不明显的条件下,对100 m、120 m单U、双U换热器进行测试。数据表明,不同埋管深度、不同换热器类型的热导率、每延米的排、取热量差异很大。在天津地区换热量的主要因素为水文地质条件,其次影响因素为试验工况、换热孔深度、换热器类型、回填材料及其回填固结时间等。     

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。     

不同土壤类型与含水率对水平埋管换热性能影响数值分析

为揭示地源热泵系统水平埋管换热器在不同土壤类型中的换热性能,基于土壤毛管水理论知识,结合数值模拟的研究手段,探讨了蓄能不同类型土体内(砂土、壤土、黏土)三相组成的差异对水平埋管换热器换热特性的影响规律。结果表明,在通入308.15 K制冷工况下,水平管在壤土中的出水温度降低至303.3 K,进出口水温差为4.9 K,埋管单位延米换热量37.1 W/m,水平管在壤土中的制冷换热效益显著;不同土壤(砂土、壤土、黏土)在经历相同制冷周期下,水平管的换热过程对壤土的温度场分布影响最小,管体在壤土中运行时热堆积风险系数最低。研究表明,水平管与土壤的换热性能同时受土壤比热容与土壤导热系数的影响,提高土壤导热系数比提高土壤比热容获得的效益更加显著。可以通过压实回填、减少土壤孔隙率、提高固相回填材料导热系数、加大布管深度以提高回填材料含水率等方法来强化埋管的换热性能。      

中深层地热井下同轴换热器长期换热性能研究

中深层地热井下同轴换热器具有取热量大、出口水温高的特点,近年来受到供热行业的高度关注。目前的研究主要是对单个供热周期内的中深层地热井下同轴换热器的换热性能进行分析,缺乏对其长期换热性能的相关研究。本文根据中深层地热井下同轴换热器供暖季供热、非供暖季停歇运行的特点,基于能量守恒方程建立换热器的数值换热模型,并采用有限体积法对模型进行离散,通过Matlab平台数值分析其在长期运行过程中换热性能的变化规律。结果表明:换热器的换热性能随着运行年份逐渐下降,且下降程度逐年减小,最终达到准稳态。其中,次年平均换热量的下降比例最大,且换热器埋深越大,换热量的下降比例越小。埋深为2 000、2 500、3 000 m换热器的次年平均换热量的下降比例依次为4.00%,3.78%和3.56%,第30年的平均换热量较第1年分别下降13.7%、13.1%、12.4%。岩体温度逐年下降,其受干扰半径逐年增加。在30 a运行期间,埋深2 000 m的换热器在每年供热季结束时的岩体温度受干扰半径从13 m增加至105 m。此外,换热器深度越大,其周围岩体温度受干扰半径越大。本研究结果阐明了中深层地热井下同轴换热器在长期取热过程中换热性能的变化规律,对换热器长期取热的设计具有指导意义。      

导热与导热-渗流作用下浅层地能热量输运数值模拟

现用于浅层地能热量输运的地下传热模型忽略了地下水迁移对传热的影响。依据TOUGHRE-ACT模拟程序中质量与能量守恒原理,建立了多相流热渗耦合条件下地下热能输运数学模型。在此基础上建立了换热井群模型,模拟了导热及渗流作用下换热井群夏季制冷工况的瞬态温度场。模拟结果显示,地下水渗流流速及方向对热量传输影响较大。渗流流速为0.1 m/s时,温度场的瞬态特征显著;渗流流速达到0.5 m/s以上时,温度场的瞬态特征逐渐消失。渗流流速的方向性使换热井群温度场分布也呈现出显著的方向性,在布置换热井群时应在平行地下水渗流方向上增加井间距,而在垂直于地下水渗流方向上减小井间距。2种传热作用相比:在导热作用下换热井群产生热堆积,温度场整场接近饱和;在渗流作用下各换热井的能效系数在20 d后基本处于稳定状态。     

山东省鲁北地区浅层地热能资源评价

鲁北地区于2001年已陆续开始应用热泵技术开发浅层地热能,但区内的浅层地热能资源评价工作却严重滞后,制约了区内浅层地热能资源的开发和合理利用。为促进鲁北地区浅层地热能的开发利用,省政府拿出专项资金,开展了鲁北地区浅层地热能的资源评价工作,前期在调查区域内开发利用现状和摸清地质条件的基础上,采用层次分析法,分别对地下水换热方式和地埋管换热方式进行了开发利用适宜性分区,采用热储体积法对该区的浅层地热容量进行了计算,得出鲁北地区浅层地热容量为29．386×10^15 kJ/℃;并根据适宜性分区结果,分别对地下水式和地埋管式地源热泵适宜区、较适宜区可利用换热量也进行了计算,得出地下水式地源热泵200 m以浅可利用换热量为0．8489×10^10kW·h,地埋管式地源热泵200m以浅可利用换热量为6．5261×10^12kW·h。     

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。      

人工地下水流场提高地埋管换热性能分析与模拟:以福建某地区为例

我国南部的气候冬暖夏热,地埋管式群管换热器夏季和冬季所释放或吸收的热量无法达到均衡,运行期间造成的累热效应对地温场的影响不容忽视。针对这个问题,在得出地埋管系统最优设计参数的基础上,提出在换热管附近施加人工流场的优化方案。结合实际工况,利用数值法对优化前后地埋管周围地温场的变化特征进行了水热耦合模拟,对累热效应的影响程度和人工流场的优化效果进行了验证。结果显示,优化前,地埋管运行20a后岩土体的平均温度相对初始地温上升了22.05%,地埋管对地温的影响范围有扩大趋势,受地下水流向的作用存在热迁移现象;优化后,地埋管附近平均地温的上升幅度较优化前降低了46%,温度羽也被人工流场束缚于抽水井附近相对较小的区域,没有引起大面积的地温抬升现象。因此这种设置人工流场以缓解累热效应的方法可在适宜地区进行推广。     

合肥市浅层地温能初步评价

依托中国地质调查局地质调查工作项目全国地热资源调查评价子项目合肥市浅层地温能调查评价,对合肥市浅层地温能进行初步评价,结果显示合肥市地质结构以及地质环境条件较为简单,除局部突起的裸露基岩外其他地区均适宜于地埋管换热;合肥地处新生代“红层”盆地区,地下水资源贫乏,浅层地温能的开发不适宜选择地下水换热。合肥市区均适宜选择地埋管换热方式,综合效率较适宜的埋置深度为100~150 m,口径130 mm左右,地埋管的间距4~5m为宜。     

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明：增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身...     

岩溶构造对地埋管群换热效率影响数值模拟研究

地埋管是岩体热泵系统与地层直接交换冷热量的部分。岩溶地区含水构造复杂多样,对地埋管群换热储热有明显影响。对27根垂直地埋管群在无岩溶构造、岩溶裂隙构造、岩溶管道构造以及混合岩溶构造4种地质构造类型中的换热过程进行了模拟,并对比了岩体内温度场、埋管出口水温、热泵机组制冷系数(COP)以及单位井深换热量等参数的变化。结果表明:在制冷工况下,不同模型温度场中,岩体中存在岩溶裂隙构造或岩溶管道构造时,地下水流动对岩体热堆积有明显缓解作用;岩溶导水构造与地埋管的距离也是重要影响因素。模型运行到第1个制冷周期末期时,含岩溶裂隙构造岩体和含岩溶管道构造岩体的进出口水温差比混合岩溶构造岩体的分别升高了0.87、4.00 K;无岩溶构造岩体进出口水温差比混合岩溶构造岩体的下降了1.16 K。无岩溶构造岩体、岩溶裂隙构造岩体、岩溶管道构造岩体和混合岩溶构造岩体的COP分别为7.2、7.4、7.8和7.3;单位井深换热量分别为64.1、90.3、130.7和79.1 W/m。研究结果表明,岩溶导水构造明显增强了地埋管群的换热效率,不同的地质构造类型对地埋管换热效率的影响也不一样。