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。     

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。     

地埋管换热系统地温监测技术探析

分布串列式地层温度测量与数字传输系统改进海洋层温测量传感的核心技术,克服了传统的测试引线多、不易调试、成本高、无法真实反映土壤地层温度的诸多弊端,综合考虑了测温精度、仪器稳定性、安装的可行性、价格及其他因素。且通过试验证实:置于换热PE管内、管外所测的地层温度相差一般在0.05℃～0.1℃,均能较好地反应地层温度的真实变化特征,实际应用时可采用具有更多优点的将测线从PE管内下入方式。这种地温监测技术方法已在多个换热系统工程中应用,其精度和稳定性均能满足浅层地热能开发利用时地埋管群区域地下温度场动态监测的需求。     

地埋管换热孔换热系数及其在工程设计中的应用研究

浅层地温能是一种清洁,环保可再生的自然资源,通过热泵系统消耗少量电能即可用于建筑物供暖制冷,在节能减排中发挥着越来越重要的作用。针对目前地埋管换热系统单位延米抉热功率在设计中应用混乱的问题,本文从公式推导及现场试验数据分析出发,研究了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366--2005）和国土资源部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》（DZ0225--2009）中关于现场热响应试验的方法及理论计算的关系,导出单孔的换热系数是单位热阻的倒数,它可以代表埋管的换热能力。提出其与直接测出单位廷米换热功率的区别,从而指导工程方案制定。     

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。     

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。...     

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。     

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.     

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。     

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。     

复杂地质条件下的地埋管换热孔成孔工艺措施

根据统计,贵州省土壤源热泵的利用情况远落后于其它省份,原因是由于贵州省特殊的地质条件造成地埋管换热孔施工难度及工程成本的大幅度增加造成的,故解决上述问题是在贵州省推广土壤源热泵系统的先决条件。本文针对贵州地区喀斯特地貌等复杂地质条件,特别是针对地下岩溶发育明显的石灰岩地区以及破碎、裂隙发育明显的白云岩地区,根据贵州当地的成功案例,提出了在岩溶发育明显的地区采用清水正循环回转钻进方式结合混合速凝剂的水泥浆回灌封孔固化后复钻的成孔处理工艺,以及在破碎、裂隙发育明显的地区采用添加火碱、纤维素、堵漏剂的混合泥浆作为护壁材料的正循环回转钻进方式,结合局部泥浆无法成功护壁的同时添加聚丙烯酰胺的成孔处理工艺。     

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。      

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.     

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。      

山区公路工程建设对地下水渗流的影响

分别就公路路堤、路堑、半挖半填等路基结构和隧道结构对周围岩土体的渗透性、渗流路径、地下水位等方面的影响进行了分析,以对公路工程建设对地下水环境的影响和与水文地质有关的灾害和损害的分析评价有所帮助。     

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。     

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。