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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

地源热泵换热孔灌浆材料导热性能实验研究

地下换热器是地源热泵系统的技术关键,地下换热器换热能力的大小直接影响地源热泵系统的效能,而换热孔灌浆材料导热性能的优良决定着换热器的换热效果。本文在线源理论和热阻网络分析法的基础上建立了钻孔内部换热的传热模型,并在该模型的基础上,研制了一套实验装置,模拟现场条件进行灌浆材料导热性能的实验研究。实验结果表明:水泥基灌浆材料较膨润土基灌浆材料具有更高的热传导系数,且热传导系数都具有随石英砂含量增大而增大的趋势;对水泥基灌浆材料,热传导系数随砂灰比和水灰比的变化而变化。     

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。     

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。      

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。      

热交换桩的作用机制及其应用

将常规桩与地源热泵技术结合起来形成了一种新型基桩--热交换桩。首先介绍了热交换桩的概念和工作机制,并对其进行了总结和分类。桩体中埋设换热器并与地表管路连接,通过换热器中的交换液体与桩体、桩周土-地基土及地下水系统进行热交换,形成封闭的地源热泵的地热交换器,使得热交换桩具有常规基桩和地源热泵预成孔直接埋设换热器的双重作用。最后分析了热交换桩目前国内外的应用现状,指出了实际应用关键技术问题及其研究的方向。分析后可以看出,热交换桩是一种经济、环保、节能的新技术,值得推广使用。     

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%。     

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。     

地源热泵土壤源换热器的施工技术

地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）作为最有发展潜力的热泵技术在各级政府的积极推窑下发壁迅速，但由于地源换热器施工安装成本高，技术的发展遇到了很大的阻力。探讨了土壤源换热器施工技术和土壤源换热器的热平衡问题，力图提高土源换热器施工技术，降低地源热泵成本，促进该技术的推广应用。     

采用不同方式的地埋管换热器热响应测试 ——-以中新天津生态城公屋展示中心项目为例

利用两种热响应测试方式( 恒热流法和恒温法) 进行地埋管地源热泵换热试验,测试该地的土壤热物性参数。在概述了两种浅层岩土体热物性原位测试仪的原理、特点、测试方法及数据处理方法的基础上,分析比较了两种方法测量的参数,准确地计算出施工现场土壤的热物性参数。两种测试仪测量的热物性参数基本一致,同时热工况或冷工况试验所取得的参数差别不大。在20℃ ～ 30℃排热工况条件下,换热器为120 m 双U 类型时,排热量在25 ～ 60 W/m,在8 ℃取热工况条件下,取热量约30 W/m。热导率约1. 5 W/m·℃,热扩散率约为0. 46 × 10 － 6 m3 /s。     

Research on single hole heat transfer power of ground source heat pump system

In this paper, the single hole heat transfer power of the ground source heat pump system in Hengshui is compared with data gained from thermal response test. The results show that maximum monitoring data of heat transfer power per meter in summer is 97.1% of the test data, and the average value accounts for 81.8%. The per meter heat power data through on-site thermal response test can provide references for designing engineering project and optimizing ground source heat pump system as these data do not vary greatly from the actual monitoring data.     

Numerical simulation of vertical ground heat exchangers: Intermittent operation in unsaturated soil conditions

The effect of varying the thermal properties of inhomogeneous unsaturated soil on the intermittent operation of a vertical ground heat exchanger (GHE) was simulated by a conjugate heat transfer simulation using a transient conductive heat transfer model. A three-phase soil model was used to introduce soil properties that vary with depth. The performance during the first few hours was significantly different from that of an analytical infinite line source model that assumes steady-state borehole conditions, although relatively good agreement was obtained thereafter. Unsaturated soil conditions afforded a 40% lower mean heat exchange rate than saturated conditions. This demonstrates the importance of considering unsaturated conditions in the design and performance evaluation of GHEs.     

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。