能源桩全生命周期热响应半径简化计算方法

根据工程中群桩埋管换热器状况,采用叠加原理计算群桩埋管的桩壁温度,定义能源桩埋管换热器的热响应半径为周围其他桩引起的过余温度影响系数≤5%时相邻桩中心线之间的垂直距离;在大量计算分析的基础上,采用最小二乘法拟合出单工况荷载作用下能源桩埋管换热器热响应半径计算公式;考虑到实际能源桩工程系统运行时每延米换热功率是关于时间的函数,建立动态负荷作用下能源桩三维传热数值模型,分析不同荷载分布形式、峰值负荷、运行时间以及全生命周期对能源桩热响应半径的影响。研究结果表明:在单桩、单排桩、双排桩和多排桩布置状况下,本文拟合公式的热响应半径计算结果与无限长线热源模型解析解之间的最大相对误差分别为4.62%,4.45%,3.77%和3.32%,说明该方法具有较高的计算精度,符合工程要求;荷载分布形式以及峰值负荷仅影响桩周岩土体中过余温度及其梯度,桩周岩土体热扩散系数及运行时间影响温度传递范围;根据工程中最常见的多排桩布置方式,得到不同桩径和不同岩土体热扩散系数条件下能源桩热响应半径随时间的变化关系,可为工程应用提供参考。     

基于遗传算法的岩土及填料热物性参数评估

岩土及填料的热物性参数可直接影响地埋管换热器的性能设计.针对现场热响应测试中填料热物性参数需要预先测量,而无法通过计算直接评估的难题,在无限长线热源模型及管壁热阻修正复合介质线热源模型的基础上,应用遗传算法对岩土及填料的热物性参数同时进行评估,并结合热响应测试实验,验证了该方法的准确性.钻孔热阻、岩土导热系数和填料导热系数的评估值与实测值的相对误差分别为3.47%,1.42%和4.93%.2种模型计算所得流体平均温度与实测值的均方根误差分别为0.050 5℃和0.172℃.研究结果对地埋管换热器的设计具有重要参考价值.     

套管式地埋管换热器设计计算方法

 以线热源理论为基础建立套管式地埋管换热器换热的简化模型,给出基于热响应试验的套管式换热器设计计算方法。以湖南省韶山市一实际工程为实例对钻孔现场进行测试,采用该方法可计算出其综合导热系数和钻孔内总热阻。同时对该工程的另一钻孔进行双U测试及计算,以此作对比分析。考察两组测试在综合导热系数、钻孔内总热阻、换热温差和换热量上的内在联系。计算结果和测试结果表明,该计算方法在套管式换热器设计上具有适用性,避开了钻孔内层层热阻的复杂计算,简化了计算过程,可为实际工程提供计算参考。     

一种模拟竖直地埋管换热器的热响应因子

为了快速并准确地计算钻孔群地下土壤和钻孔内流体的温度,在现有的模拟竖直埋管长期换热的模型基础上,提出了一种新的计算竖直地埋管钻孔域温度响应的响应因子——单位矩形脉冲热负荷作用下热响应函数(δ-函数).通过将δ-函数与快速傅里叶变换相结合来提高δ-函数的模拟速度,将该响应因子及算法与g-函数进行了精度和计算速度的对比.结果表明:该响应因子及算法不仅与g-函数有相同的计算精度,而且计算速度有显著的提高,当模拟5×8的钻孔群30a的温度响应时计算时间不到90s.     

桩埋管与井埋管实验与数值模拟

建立了一套组合型地下埋管换热器地源热泵实验系统，针对该系统所采用的不同回填材料U型垂直埋管即沙石回填的U型井埋管和混凝土回填的U型桩埋管换热器，分别进行在不同进口温度和流量下的取热和排热实验，分析这两种埋管换热器的换热效果和性能．理论上，采用所建立的内热源埋地换热器理论模型和专业软件，对这两种埋管方式的周围土壤温度场进行数值模拟．经检验，理论计算与实验结果吻合较好．相同实验工况下，得到了U型桩埋管的换热效果和换热稳定性要优于U型井埋管．排热时，U型桩埋管比U型井埋管的单位井深换热量提高62．5％，取热时，提高约16％．     

地下岩土热物性及地下水渗流速度确定

提出了可用于现场测量地下岩土的导热系数、容积比热容等热物性参数以及地下水渗流速度的方法．埋设在地下的地热换热器与周围岩土换热过程可以近似为无限大介质中移动线热源传热问题．该方法克服了其它模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求，相应消除上述参数测量带来的误差．通过测量地下埋管的加热功率、循环水流量、出入口水温随时间变化，确定了某地源热泵空调系统工程地下岩土的热物性参数及地下水渗流速度，检验证实了该方法的实用性和可靠性．     

桩基螺旋埋管强化换热性能数值模拟研究

桩基螺旋埋管换热器是一种新型地埋管换热器形式,能缓解常规地埋管换热器钻孔初投资较高、土地资源占用量大等问题,但由于桩基螺旋埋管埋深浅、螺距小,长期连续运行导致热堆积问题显著,会影响系统持续换热能力。以某桩基三螺旋埋管土壤源热泵系统为工程案例,提出基于额外冷量利用的桩基三螺旋主辅管联合换热器,并进行全尺寸建模,利用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法对所提出的主辅管联合换热器的夏季换热特性、额外冷量利用率进行研究。模拟结果表明,与常规桩基三螺旋埋管换热器相比,所提联合换热器在主辅管联合运行工况下能够有效利用额外冷量强化主管的换热,计算得到的强化效率最高为26.4%;且能提高地埋管换热器的进出水温差,最高达1.15℃。     

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。     

钻孔埋管换热器用于寒区隧道消防管网加热保温的理论研究

为解决寒区隧道消防管冻结失效问题,提出一种基于钻孔埋管换热器的新型加热保温系统;基于非等温管道流模型,联立消防管段加热过程和埋管换热器换热理论,得到系统运行过程中流体温度分布的解析解。以林场隧道工程为背景,对加热段水温、换热器换热效率等的变化规律进行理论分析与数值验证。研究结果表明：进、出口水温先降低后快速上升再缓慢下降,10 h时达到峰值;加热初期,轴向水温分布为“进口温度高、出口温度低、段中温度突变”,之后在4～5℃范围内近似呈均匀分布;随着系统的运行,换热器平均换热效率稳定在约15 W/m。系统连续运行对地温的影响范围不断扩大,钻孔附近地温不断降低。系统间歇运行模式由设定高限和低限控制,在间歇期内,围岩地温可得到一定程度的恢复,且换热器换热效率较连续运行工况下的高。水温、换热器换热效率等的理论计算结果与数值模拟结果吻合度较高,本文所提出的寒区隧道消防管网钻孔埋管换热保温系统可使消防管段水温维持在设定低限温度以上,节能高效,有一定的应用价值。     

现场测定土壤导热系数的影响因素分析

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.利用土壤导热系数的热响应测试原理,分析了现场测定土壤导热系数的影响因素.结果表明:在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口温度及模拟季节都会影响测试结果的准确性.     

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。     

土壤源地源热泵地埋管换热器管群换热分析

基于线热源理论和叠加原理建立了土壤源热泵地埋管换热器管群地下传热基本数学模型,并运用拉普拉斯变换和数值反演技术进行了求解.研究了埋管进口流体温度相同时,地埋管换热器管群连续运行换热能力和出口流体温度变化规律.研究表明,换热初期管群各埋管换热能力和单埋管时相同;随着换热的进行,由于热干扰影响,各埋管的换热能力低于单个钻孔情形,出口流体温度比单个钻孔的出口温度高;埋管间距越大,管群埋管之间的热干扰越小.     

太阳能地下混凝土储热桩蓄热过程中的数值模拟

建立了太阳能地下混凝土桩蓄热过程的数学模型,采用了有限单元法对地下垂直埋管周围混凝土桩的非稳态温度场进行数值模拟,给出了不同边界条件下数值计算格式,分析了换热器周围混凝土温度变化的规律,为U型垂直管埋深及混凝土桩的配合比,在确定方法上提供了参考依据。     

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。     

分布式温度感测技术在金坛地区地层导热性能评价中的应用

为了确定常州市金坛地区地下热物性系数,为浅层地热能的开发提供理论依据,基于线热源理论将分布式温度感测技术(distributed temperature sensing,DTS)与现场热响应技术(thermal response test,TRT)相结合,利用分布式热响应试验(dis-tributed thermal response test,DTRT)及主动加热光纤的热响应试验(active heating optical fiber thermal response test,ATRT),对该地区不同深度地层的导热系数进行了监测计算和分析评价,并比较了不同技术的监测结果.试验结果表明:基于DTS技术的DTRT相比于传统TRT,可以实现各土层导热系数的分布式测试;ATRT计算得出的各层导热系数分布趋势与DTRT趋势大体相同,证明了将ATRT应用到导热系数的测试中的可行性.并且,相比TRT和DTRT,ATRT耗时更短耗能更低的优势,这也使得ATRT技术在地温场监测中具有较大的潜力.     

寒区隧道地源热泵加热系统埋管间距优化分析

为预防寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速公路林场隧道中,用于对隧道洞口段衬砌和排水系统加热.采用有限元计算方法,首先通过对初始温度场的计算反演出岩体各项热物性参数,再以试验所得热交换管实际换热量作为模型中管壁的内边界条件进行热交换管的岩土热响应分析.计算结果显示,隧道内热交换管管壁温度及管间温度与现场试验结果能够很好地吻合,满足工程精度要求.利用验证后的有限元计算模型对热交换管间距进行优化,得到埋管最优间距为0.5～0.8m.     

不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能模拟分析

文章对单U型地埋管换热器建立二维传热模型,并通过二维截面推移得到其三维模型.运用Ansys热分析软件,分析了某地区在不同空调负荷特性下的单U型地埋管换热器换热性能.模拟结果表明,单U型地埋管换热器在连续负荷作用下,每延米换热量从运行初期的约130 W下降到末期的34 W左右,在连续运行约200 h后基本保持不变;在间歇...     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.     

PLC在地源热泵热响应测试系统中的应用

热响应测试系统是一种用于现场确定地埋管换热器周围岩土导热系数的仪器。本文将PLC应用到测试仪中,并设计和实现了数据采集、监控和分析系统,最终快捷地测算出土壤导热系数。该测试仪的结构紧凑,可视化程度高,操作方便,测试精度高。     

河北地区地埋管地源热泵适宜性分区研究

地埋管地源热泵以浅层地热能资源作为供冷冷源和供热热源,是建筑节能领域内最高效的技术之一。近年来地埋管地源热泵技术在河北省发展尤为迅速,但也出现了诸多问题。地埋管地源热泵的适宜性研究得到越来越多人的重视。本文通过对河北地区(主要是京津以南河北地区)地质构造以及水文条件的勘察了解,运用河北省地源热泵检测中心与河北省科学院能源研究所联合开发的的岩土热响应测试仪,对该地区做了大量的热响应试验测试,积累了丰富的数据资料。利用二维线热源传热模型采用"恒功率"和"恒温法"对测试项目的岩土导热系数和单位埋深的换热量做了相应的求解计算,结合地质构造从经济性和换热效率两方面综合考虑对地埋管地源热泵在河北地区的适宜性进行了一定的划分,得到并不是所有的地方都适合做地埋管地源热泵项目。研究旨在为河北地区地热能的开发与利用起到一定的推动作用,为河北省地埋管地源热泵热泵的设计、施工等方面提供一定的参考。