岩溶地区地源热泵空调系统的实验研究

地源热泵运行中地埋管换热器与岩土层的热交换必然引起地埋管周围温度场的变化。借助岩溶地区地源热泵系统实验平台,开展夏季制冷工况下两种不同运行模式的实验,探讨地埋管周围温度场的变化规律及其对地源热泵性能的影响。实验研究结果表明:1横、竖地埋管管壁温度的变化规律基本上一致,但其管壁温升幅度有所差异,竖埋管管壁的温升幅度(间歇工况3.7℃,连续工况3.2℃)均较横埋管(间歇工况0.9℃,连续工况0.7℃)要大;2横、竖地埋管周围土壤温升幅度跟距离地埋管的远近有关,随着距离的增加,其温升的幅度递减;31.0 m以上地层土壤温度变化受气候环境变化的影响,从而影响了埋深较浅的横埋管。而埋深较大的竖埋管受岩溶地下水渗流的影响;4系统回水温度对热泵机组性能系数COP有显著影响,间歇运行模式下的热泵机组性能系数COP对系统回水温度的变化更加敏感。     

地源热泵夏季运行地温场变化特性试验研究

以同济大学某实验室地埋管地源热泵工程为例,通过对地埋管换热区地温场及地源热泵系统运行参数进行监测,分析研究了地源热泵系统夏季运行地温场的变化特性以及地温场变化对地源热泵系统运行效率的影响.结果表明:夏季累计运行44 d,土壤平均升温幅度为0.64℃;不同深度测点温度变化幅度随深度增加逐渐减小,120 m深度地温几乎无变化;换热区土壤地温恢复速率为0.14℃·100 d~(-1);随着换热区土壤温度的升高,地源侧进出水温差降低幅度为0.87℃,机组性能系数亦随之降低,系统换热效率下降.     

竖直U型地埋管传热性能数值模拟

对土壤源热泵系统在制冷季中垂直U型地埋管的传热性能进行数值模拟,揭示U型管入口水温、入口流速和回填材料导热系数对地埋管传热性能的影响规律.计算结果表明:在30~60°C的入口温度范围内,当雷诺数从3 000提高到11 000时,会使地埋管热流量增大10~23W,但会导致流体进出口温差降低0.2~1.34°C,在工程应用中流体进口流速要控制在一定范围内.水的入口温度和雷诺数分别为45°C和7 000时,回填材料导热系数从0.5 W/m·K增大至2.5 W/m·K,U型地埋管的热流量增大了将近2倍,也就是说在工程应用中,如果在回填土中掺混一定比例的保水材料将会增强埋管换热,并防止埋管长期运行时由于土壤本身保水性差使得土壤板结从而导致埋管失效.模拟结果与实验数据进行对比吻合较好.     

地埋管换热器周围泥岩温度场变化规律研究

为研究双U型地埋管换热器对泥岩温度场的影响,以南宁某地源热泵工程为依托,通过现场原位观测,获得与换热器不同距离处泥岩层随着地源热泵机组运行两年内的温度变化情况。数据显示,泥岩层每年的温度在机组运行期间下降,停运期间回升;长期来看,泥岩层的温度值逐年降低,距离地埋管换热器越远的泥岩层温度恢复能力越强且温度降幅越小。运用ABAQUS进行数值模拟并与实测值对比分析,结果与实测数据显示的温度变化规律一致,模拟机组长期运行后泥岩温度场的变化情况,发现存在半径为7 m的"温度陡变区",且机组运行5 a后土体温度趋于稳定。     

某地地埋管热响应试验研究与传热性能分析

地埋管换热器传热性能及传热过程的研究一直是地源热泵工程应用的理论基础和重点。结合河南某地地源热泵工程,针对不同埋管方式的垂直U型地埋管建立现场热响应试验系统,分析得到场地土壤等效导热系数为1.52 W/（K?m）;双U型地埋管换热器的换热效果比单U形管高30%左右,De32型双U地埋管的延米换热量比De25型高10%左右,地埋管延米换热量随载热流体流速的变化不呈正相关变化,存在最优流速使得换热器换热效果最好;以单位钻孔深度换热量最大作为优化条件提出优化U型地埋管换热器设计的方法,建议设计前试验确定适合管径和流体最优流速。     

基于多极理论传热模型的垂直U型地埋管传热特性研究

地埋管循环介质出口温度不仅仅反映了地埋管的换热能力,同时极大地影响着热泵主机的运行效率,是地埋管换热过程的一个重要能效特性参数,可通过引入能效系数来反映.文基于地埋管轴向流动多极理论传热模型对不同的回填材料物性、支管间距、地埋管埋设深度、土壤物性、管内循环介质流速条件下地埋管传热过程进行动态模拟和分析,得出了各重要特性参数的变化对U型地埋管传热能效的影响规律,可为土壤源热泵地埋管换热器的设计提供参考.     

埋管换热器对地表温度影响的模拟分析

为探讨地源热泵系统垂直埋管换热器运行对地表温度的影响,采用数值模拟的方法,基于一定的覆土厚度,结合不同工况下的埋管负荷,建立了地下土壤、钻孔、覆土与外界环境之间的传热模型,对埋管运行期覆土层温度场的变化进行了分析,并对地表温度随覆土厚度的变化规律进行了研究。结果表明,在地埋管的连续换热作用下,埋管周围土壤温度显著变化,且越接近钻孔中心,温度变化幅度越大;钻孔顶部覆土层温度局部变化,随着覆土厚度增加,温差递减;地表温度变化范围及上升幅度与埋管换热量成正比,与覆土厚度成反比;增加覆土层厚度能有效减缓地埋管换热对地表温度造成的热影响,有利于管群区域的红外伪装。     

某示范地源热泵系统夏季运行特性测试与分析

为了探讨系统变工况运行与优化匹配对地源热泵系统性能及运行效益的影响,对苏中地区某办公建筑进行了相关测试.结果显示:地埋管变流量运行后系统节省运行功耗20kW,节能率为5.71%,表明变流量运行可降低系统的输送成本,提高系统运行效率;在间歇运行时间比为4∶1的条件下,深度为35m和55m处土壤最大温度恢复率为44.4%,且系统比连续运行时可节省电力消耗50kW,节能率为15.87%;间歇运行期间,土壤最大恢复温度为1.8℃,表明间歇运行有利于改善土壤的散热条件,降低土壤温度的增加幅度.此外,通过系统优化匹配运行,有利于机组选择适宜地埋管分区和节省实际运行费用.     

太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证

为了探讨利用太阳能-地源热泵系统中现有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型.基于对模型的数值求解,探讨了间歇蓄热运行模式及地下水渗流对U形埋管土壤蓄热特性的影响,结果显示:间歇蓄热方式有利于土壤温度的恢复,从而可提高蓄热效率;同时,地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果,但不利于用埋管作为蓄热装置.实验验证表明,埋管日平均出口温度及日蓄热的计算值与实验值随时间的变化规律一致,其平均相对误差为5.6％.所建模型为U形埋管土壤蓄热及其传热特性的研究提供了理论基础.     

土壤源热泵双U型与单U型埋管换热器运行性能比较

本文利用有限差分法分别建立了土壤源热泵单U型和双U型埋管换热器三维非稳态模型,重点研究比较了二者在运行过程中换热性能以及土壤温度的变化情况。结果表明:双U型埋管换热器的换热性能要远远优于单U型埋管换热器,同时,二者在运行过程中的热扩散半径相差很小,采用双U型管换热器的土壤耦合热泵系统并不需要更大的占地面积。     

土壤源热泵埋管换热器形式及传热模型的分析

阐述了土壤源热泵系统的工作原理,介绍了埋地换热器常见的形式,简要分析其研究现状,给出了几种典型的传热模型,并进行了分析．     

水化热对地源热泵地埋管夏季换热效果的影响

通过数值模拟与现场实测地温的变化,研究了水泥水化热对地埋管周围地温的影响;通过理论分析、现场实测地埋管换热能力以及数值模拟研究了地埋管周围地温变化对地埋管夏季工况换热效果的影响.对上海自然博物馆地埋管系统的研究表明:在地源热泵投入使用时,地下室底板以下约10m处的地温受水泥水化热影响最大,距离地下连续墙2.85m处地温的平均升高为2.2℃;地埋管夏季工况的换热量随初始地温的升高而线性减小,地埋管周围地温每升高1℃,将使地埋管夏季工况的换热量减小5%以上;地源热泵系统由夏季工况作为首次投入使用时应对距离地下连续墙13m以内地埋管采取相应措施,以保证换热系统高效运行.     

热传导方程热核的一些性质

考虑热传导方程的热核性质,给出了周期热核的泊松和表示及与黎曼函数的关系,证明了周期热核的复解析性质,指出了热核与拉普拉斯方程基本解的关系.     

地源热泵地埋管换热器换热量的测试

分析了在设计阶段和实际运行阶段地源热泵地埋管换热器换热量的测试原理、换热量计算方法,测试注意事项、系统误差控制方法,并且对实际工程运行阶段地源热泵地埋管换热器换热量进行测量、数据分析。最后,通过试验表明,地埋管挟热器换热量的测试方法是正确可行的。     

回路型脉动热管的运行与传热

为深入了解脉动热管的运行和传热的机理与规律，研究了铜—水回路型脉动热管(Looped PHP)在空气冷却条件下，充液率、管径、加热段冷却段长度比等因素对传热性能的影响。结果发现，充液率在35%附近时传热功率达到最大值；相同的对流换热条件下，小管径热管的热阻更小，运行和传热性能更好；脉动热管本身的热阻与外部换热条件有很大的相关性。另外，通过分析脉动热管壁面温度波动的特征，揭示了波动的成因及其所反映的内部流动和传热状况。     

管式换热器传热系数的研究

研究影响传热系数的因素,包括换热器几何结构和列管换热器的不同管程流动分布的影响,以便在设计过程中合理调整结构参数,使换热器提高传热性能.通过对换热器结构、流动状态、管程流动分布变化的实验,处理并分析实验数据,得出在套管换热器内,插入强化丝不仅可以增加空气侧对流传热系数,而且对蒸汽侧对流传热系数也有提高作用,空气流速越快,效果越明显;列管换热器中,单管流动总传热系数最大,随着流通管数的增加,流速降低,传热系数降低.插入强化丝导致流动阻力增大、速率减小、边界层变厚、热阻增加、强化效果不理想.     

套管式和双U型换热器换热性能对比

地埋管换热器广泛应用于各种建筑供暖系统中,提高地埋管换热器的传热效率一直是研究人员关注的热点问题。本文分别在第四系和基岩地层开展了套管式和双 U 型地埋管换热器岩土热响应对比试验。结果表明,套管式换热器增加了循环流体进口流量以及外管壁与岩土体之间的接触面积和热传导能力,换热性能要优于双U型换热器。第四系松散沉积物中,套管式换热器夏季延米换热量约是双Ｕ型的1.76倍。基岩地层条件下,套管式换热器夏季延米换热量约是双Ｕ型的1.37~1.41倍。基岩地层热导率高于第四系松散沉积物,套管式和双U型换热器的换热性能均比第四系地埋管换热器强。研究工作将为地埋管地源热泵系统中套管式换热器的设计及应用提供参考。     

铜-水振荡热管的传热特性

测定了风冷垂直放置的蛇形弯曲封闭循环铜一水热管在不同充注率、加热功率下的热阻．根据实验现象及对热阻的比较，分析不同情况下振荡热管的传热特性，并用完全联接的多层前向神经网络和具有动量项的误差反向传递学习算法建立了振荡热管传热性能的人工神经网络理论模型．由于热管在不同充注率时传热机理不同，用统一的神经网络模型难以精确描述，因此建议分段建立理论模型．     

脉动热管的传热极限特性

以蒸馏水和丙酮为工质,对多种工况下脉动热管的传热极限进行了实验研究．在分析脉动热管加热段和冷却段温度变化的基础上,归纳出了整体干涸型和局部干涠型2种传热极限的表现形式;分析了其产生机理：干涸导致传热极限的产生,再湿润引起传热极限表现形式不同．研究还发现,传热极限随着倾角、充液率的增加而增大;在倾角为0°时,热管工质为水时的传热极限低于工质为丙酮时的传热极限,在60°时,前者的传热极限却高于后者．     

空气源热泵-地埋管换热系统蓄热性能研究

对于热负荷占优的寒冷地区,土壤源热泵系统长期运行使得土壤温度逐年降低,非采暖季利用空气源热泵为地埋管换热系统进行蓄热可有效地解决土壤热平衡问题。以实际工程为支撑,对空气源热泵-地埋管换热系统进行蓄热性能测试,结果表明：系统平均制热量可达到空气源热泵额定制热量的2.17倍,系统平均能效比为7.2,地埋管循环介质平均温差为4.5 ℃,系统运行稳定。基于TRNSYS软件对蓄热过程进行模拟,结合实验数据验证模型正确性,结果表明：经蓄热后土壤温度从初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃。蓄热期间,采用多目标优化法得到空气源热泵蓄热系统全天运行时最优工况：循环水泵总流量为100 m3/h、空气源热泵总额定制热量为723.7 kW,在此工况下土壤目标温升为3.0 ℃时,系统能耗为474 820.0 kWh,增加的蓄热运行费用为3.96元/m2。与传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热方式相比,空气源热泵蓄热系统的能源与环境效益显著。