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。     

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。      

地埋管换热器钻孔长度计算方法研究

地埋管换热器钻孔长度计算是土壤源热泵系统设计的核心。为规范地埋管换热器钻孔长度计算,从《地源热泵系统工程技术规范》基本要求出发,以合肥市某土壤源热泵工程为例,进行了地埋管换热器钻孔长度计算和校核模拟计算。研究表明,热干扰对地埋管换热器钻孔长度有较大的影响,不考虑热干扰影响的钻孔长度计算结果偏小;由于热堆积的影响,地埋管换热器流体平均出口温度呈现逐年上升趋势。校核模拟计算结果表明地埋管换热器钻孔计算长度能够满足规范的要求。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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。     

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...     

跨季节蓄热型地源热泵热传递规律研究

基于有限元分析法,建立了准三维非稳态传热模型。在试验验证的基础上,分析了跨季节蓄热型地源热泵蓄热过程中土壤温度、单位井深换热量、热作用半径随热泵运行时间的变化规律,讨论了土壤结构、入口水温、入口质量流量、热泵运行模式等对土壤传热规律的影响,并研究了土壤热平衡问题。结果表明:同一半径不同深度处,土壤温度增长幅度随土壤热扩散率的增加而增大;土壤热作用半径随热泵运行时间及入口水温的升高而增加,并逐渐趋于稳定;间歇运行模式下,地埋管附近土壤温度及换热量均呈波动式变化,且当径向距离大于0.3 m时,与连续模式一致;在满足换热量的情况下,流体质量流量不宜过大;系统运行一个周期（360 d）后土壤温度基本可以恢复,且流体入口温度不宜低于40 ℃。     

季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析

埋地管道是减少寒冷地区冬季冻害的常用铺设方式,深入认识埋地管道的水温变化规律可以为减小管道埋设深度、降低管道冻害提供理论依据,对当前季节冻土区农牧民集中式供水工程的推进具有指导意义. 采用仿三维数值方法建立了管道水温的计算模型,讨论了含水量、地表温度、管道埋深等6个主要因素对埋地管道最不利水温的影响. 分析结果表明,无论上述因素如何变化,管道最不利水温均随输送距离的增加而下降. 首先,随着含水量的增加、地表温度的升高以及管道埋深的加深,管道的降温速率不断减小并具有先快后慢的特点;其次,随着管径的减小、流速的降低,管道降温速率增大,且降温速率和流速之间具有近似的倒数关系. 另外,随着入口温度的升高,管道降温速率将呈指数形式不断增加.     

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。     

地埋管热泵换热系统热影响半径分析

地埋管热泵换热系统是一种在开发利用浅层地热能过程中应用非常广泛的热交换系统。本文依托山东省国土资源厅实施的聊城市浅层地温能调查评价项目,对聊城市某小区内的地埋管热泵换热系统安装温度自动采集监测装置,2016年采集一个完整制冷期的地温变化数据,通过监测地埋管热泵系统换热孔和周边一定距离内监测孔内温度变化,绘制换热孔和监测孔一定时间范围内温度随时间和距离的关系变化曲线,分析换热孔在吸收热量后温度通过土壤介质的传播速率和最大影响半径,从而为实际地埋管热泵换热系统工程设计提供了依据。     

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。     

Coupled heat and mass transfer in unsaturated soil—a potential-based solution

An analysis of coupled heat and moisture movement in unsaturated soil in terms of the fundamental potentials for flow is examined. The approach adopted is based on the assumption that the total potential for liquid flow consists of two components, the elevation and the capillary potential. The fundamental potentials employed in the work are, therefore, temperature and capillary potential. The full theoretical formulation of the problem is presented, together with full details of the solution algorithm employed. Spatial discretization is achieved via the use of the finite element method, with the time-varying behaviour described by a finite difference technique. Soil parameter variations as functions of both temperature and moisture content are included in a one-dimensional approach. The work is applied to a practical engineering problem, namely heat and mass transfer in the upper layers of a soil stratum. This problem is of importance to the utilities, since many services are buried in this zone. Material parameters obtained from an associated programme of experimental work are employed. Moisture content and temperature profiles indicating the extent and rate of penetration of drying and heating fronts are produced.     

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。      

An identification technique for evaluation of phenomenological coefficients in coupled flow in unsaturated soils

To determine moisture movement and heat transfer through an unsaturated soil under temperature and volumetric water content gradients, it is necessary to have knowledge of phenomenological coefficients of the soil. However, in unsaturated flow, i.e. flow through unsaturated soil, these phenomenological coefficients are not constants, but vary with volumetric water content as well as temperature. In this paper, an identification technique is proposed for evaluation of the phenomenological coefficients. The phenomeno-logical coefficients are first assumed to be certain kinds of functions of volumetric water content and temperature. The choice of the functional forms is based on an understanding of the physical situation, and previous knowledge of water flow in the isothermal case. The constant parameters associated with the functional forms are evaluated through the use of the identification technique. Once these phenomenological coefficients are obtained as certain functions of the volumetric water content and the temperature for a specified soil, analysis of coupled moisture flow and heat transfer in the unsaturated soil can proceed.