陕北地区中深层同轴地埋管取热性能影响因素分析及优化

中深层同轴地埋管地热供热技术在我国北方城镇供热领域兴起并广泛应用。陕北地区地热资源丰富,但地温梯度略低且岩土热物性参数特性不同,地质参数影响中深层同轴地埋管的取热性能。采用OpenGeoSys开源数值模拟平台建立三维中深层同轴地埋管耦合地层传热计算模型,并基于陕北地区典型地质参数,研究不同设计参数对中深层同轴地埋管取热性能的影响及全生命周期技术经济性,优选出地热工程最佳工艺参数。结果表明,中深层同轴地埋管的外管径与埋深增大均能提升取热能力。相较于外管径,埋深对取热能力的提升效果更为显著,埋深从2 500 m增加到3 500 m,取热量增加了77.3%。依据工程实践,当外管外径×厚度大于177.80 mm×9.19 mm时所对应的平均能源成本因其钻井成本陡增而增大。在给定工况参数下,推荐中深层同轴地埋管的最佳外管外径×厚度为177.80 mm×9.19 mm,埋深为3 200 m,此时平均能源成本为0.524元/(kW·h),经济效益最优。     

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。     

双U型地埋管换热器换热性能试验研究

双U型地埋管换热器(DUBTHE)在实际应用中易出现管路交叉,引起热短路,造成换热性能降低,直接影响浅层地源热泵系统的运行效率。以西安某浅层地源热泵项目为工程背景,基于无限长线热源理论和斜率法,通过现场岩土热响应试验、不同测温法测温试验,研究了岩土初始平均温度、导热系数和体积热容,及管卡间距对DUBTHE换热性能的影响。结果表明：多点式测温线缆测得的岩土初始平均温度为17.08℃,更接近实际地层温度。该地层的岩土综合导热系数和综合体积热容分别为1.65 W/(m·K)、2.81×10⁶ J/(m³·K)。DN25 DUBTHE的夏、冬季单位延米换热量随着管卡间距减小而增加,且增速随管卡间距的减小先增大后减小。当管卡间距分别为1、2、3、4 m时,DN25 DUBTHE的夏季单位延米换热量较无管卡分别提高了21.03%、19.48%、15.16%、3.92%;DN25 DUBTHE的冬季单位延米换热量较无管卡分别提高了20.83%、19.48%、14.94%、3.79%。工程中最优的管卡布置方式为2 m或3 m管卡间距的DN25 DUBTHE。...     

大直径宽通道套管式地埋管换热器热响应测试分析

通过对比试验测试,分析了一种大直径宽通道套管式地埋管换热器的换热性能。试验地点分别选在武汉与北京两地进行。测试结果表明套管式换热器在换热效率上要优于双U式换热器,且在冬季取热工况下尤为明显。得益于套管式换热器本身储水量较大的特点,其在非连续运行工况下会有更优异的表现,具体表现在系统运行初期2h内,取热功率相比平均值高出约29%,系统运行初期9h内,取热功率相比平均值高出约17%。     

西安地区中深层套管式地埋管换热性能数值模拟

本文建立了符合西安地区地热地质的三维地质模型,基于FEFLOW软件模拟了入口流量、入口温度、换热井深度以及出水管管材导热系数4种参数对套管式地埋管换热器换热性能的影响,以换热量为换热性能衡量标准,探究如何合理设置参数来提高换热效率。结果表明：1）增加入口流量会导致出口端温升降低、换热量增大,西安地区入口流量设置在15 m³/h～25 m³/h最为适宜;2）增加换热井深度会使得出口端温升和换热量呈指数增长,井深对换热量的影响主要取决于换热段所处地层温度及换热时长,岩石导热系数贡献较小;3）针对西安地区,入口温度对换热量的影响最为明显,出水管管材导热系数和换热井深度次之,入口流量影响效应相对较弱。本研究对西安地区中深层地埋管换热系统设计施工和地热能勘探开发具有指导和参考意义。     

西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。     

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.     

垂直地埋管现场热响应试验研究

地源热泵技术主要利用浅层地热能为建筑物供暖和制冷,有着节能减排、高效环保等优点。本文阐述了江苏沙家浜温泉国际度假中心垂直地埋管热响应试验所取得的实效。     

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。     

地埋管地源热泵工程运行换热区温度场变化特征分析

地埋管地源热泵工程在发挥供暖、制冷等作用的同时,埋管区地层温度场也发生了复杂的结构性变化,陕西地区对地下岩土体温度场影响机制研究不够深入,对热泵工程可持续利用的调控带来困难。本文依托陕西省浅层地热能开发利用示范研究基地,分析地源热泵系统稳定运行2 a及疫情影响下停止运行1a地埋管换热区的温度监测数据,研究地埋管换热区地层温度的垂向深度及平面展布特征。结果显示：系统稳定运行2 a,换热区各区域地温在时间尺度上受地埋管换热器吸排热量的影响呈波状变化,并且相较于环境温度变化表现出不同的时滞性,距离换热器越远时滞性越强;在地埋管长度以内,随着深度增加,温度波动减小;在水平向,距离地埋管越远温度波动越小,单根换热器对地温的影响半径为3.2～3.9 m;系统稳定运行2 a地埋管换热器吸排热量基本平衡,未造成地质体冷热堆积,停止运行1 a,由于吸排热量不均衡造成了地质体存在冷堆积,调控运行热泵系统可使冷堆积现象消失。该文旨在系统地分析关中盆地地源热泵工程对地温场的影响机制特征,为地源热泵平稳运行提供基础数据支持,为区域地热资源的科学、长期开发提供理论依据。     

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。     

中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析

地热能是一种极具潜力的可再生能源,已引起广泛关注。在深部地热储层中,人工改造后形成的复杂裂缝网络为热提取提供了重要通道,裂缝空间分布将会直接影响热提取率。为探究裂缝不同空间分布对采热性能的影响,以幂律分布的裂缝网络为基础,采用TOUGH2MP-FLAC^3D框架下建立的THM耦合模型,系统研究不同裂缝长度指数(a)、密度(β)的裂缝网络对新型增强型地热系统(CO₂-EGS)采热性能的影响。并以热突破时间、EGS寿命、产热率与总产热能以及产热效率5种评价指标对储层热性能进行详细评估。结果表明,在恒速注入的情况下,裂缝长度指数a越大,长裂缝占比越小,注采井之间形成的贯穿裂缝数量越少,裂缝宽度越大,致使生产温度、产热率降低越快,更早达到热突破,从而缩短EGS寿命,降低总产热能。当a相同时,裂缝密度β越大,裂缝数量越多,生产温度与产热率降低越慢,延长热突破时间与EGS寿命,提高产热量。热突破时间最高可增加15.65 a,EGS寿命增加约10 a,总产热能增加约22.77%。而当长度指数a增长时,热突破时间最多缩短了13.1 a,总产热能降低20.8%。因此,长裂缝占比提高和裂缝密度增加有助于提高注采井之间裂缝的连通性,促进流体对流换热,更好地发挥裂缝在热开采中的作用,提高采热量。研究结果为干热岩造缝增渗改造提供一定的理论指导。

     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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 ℃。