圆台型螺旋能量桩换热特性的模拟分析与验证

为了减少地源热泵的热干扰、提高其换热效率,该文提出了一种新型"圆台型螺旋能量桩(truncated cone helix energy pile,Co HEP)"。同时为了更加准确地模拟新型圆台型螺旋能量桩的换热特性,综合考虑初始土壤温度的不均匀性和土壤上表面动态边界条件,建立了三维数值模型,分析了不同锥角下圆台型螺旋能量桩的换热特性。结果表明:圆台型螺旋能量桩沿水流方向可以分成4个换热阶段:入口阶段→热短路阶段→小温差阶段→出口阶段。圆台型螺旋能量桩的底部热干扰现象较为严重,且锥角越大,底部热干扰越明显。相反,由于顶部螺旋半径较大,热干扰效应较弱。圆台型螺旋能量桩的单位管长换热量随着锥角的增加而线性增大,当系统运行时间为12 h时,锥角从0增加到10?再增加到20?,单位管长换热量增长率分别为2.54%和3.53%。新型圆台型螺旋能量桩单位管长换热量大于传统圆柱型螺旋能量桩,20?锥角条件下的单位管长换热量比传统圆柱型螺旋能量桩高了约6.16%。通过对新型圆台型螺旋能量桩的换热特性进行探析,相对于传统圆柱型螺旋能量桩,提升了换热效率,同时为后续的推广应用和工程设计奠定了理论基础。     

热源井抽灌同井连续取/放热特性试验

针对抽灌同井连续运行特性的研究不足,利用单井循环地下换热系统砂箱试验台,以沈阳和上海2地采暖期和空调期的时间尺度为依据,分别开展了连续取热和连续放热2种运行模式下抽灌同井运行特性的试验研究。结果表明,抽灌同井在该试验条件下对取热工况更加敏感,取热比放热更为困难。在连续取热工况下,含水层在受到外界初次干扰的影响更为明显,第2个运行周期的累计取热量降幅为6个运行周期累计取热量降幅的57.1%。在热/冷负荷占优的地区,应根据建筑负荷采取辅助手段及时对含水层进行热量/冷量补给,保证热泵机组高效运行。     

相变混凝土能量桩热-力学特性的数值模拟与试验验证

为了获得热力耦合作用下相变混凝土能量桩的热-力学特性,建立了其三维数值模型,比较了传统和相变混凝土能量桩热-力学特性的差异,分析了埋管管腿间距及桩体长径比对相变混凝土能量桩热-力学特性的影响规律。结果表明,相变材料(Phase Change Material,PCM)的固液相变可使单位桩深换热量提高10.3%,且可降低桩身温度变化幅度,由温度变化所引起的桩身位移、轴力及侧摩阻力变化量也相应减小。随桩基埋管管腿间距增加,能量桩的换热量和土壤热影响范围增大,桩身轴力减小,桩身位移呈现先增大后减小趋势;加大桩体长径比会增加总换热量,但会导致单位桩深换热量降低及桩顶位移的增加,不利于桩基结构的稳定性。试验验证表明:所建能量桩数值模型可用于模拟相变混凝土能量桩的热-力学特性,其桩壁中点温度与桩顶位移的预测最大相对误差分别在5.1%与12%以内,平均相对误差分别为4.2%、9.9%。研究结论对于相变混凝土能量桩的优化设计与运行具有重要指导意义。     

槽式太阳能聚光集热器传热特性分析

为了研究槽式太阳能集热器的传热特性及为槽式太阳能集热器的设计提供理论依据,该文分析了槽式太阳能集热器的传热特点,建立了槽式太阳能集热器传热过程一维数学模型:利用该数学模型,计算分析了槽式太阳能集热器的传热特性。选取了2014年9月21日、10月25日的太阳直接辐照数据进行计算分析,10月25日太阳直接辐照数据均值比9月21日高37.5894 W/m~2,9月21日集热器吸收的太阳辐射热能计算均值比10月25日高196.644.W/m:接受管内外壁导热量随内外壁面温差升高而增加,接受管外径与内径的比值大于1.05时导热热阻增加到0.0004679 K/(W·m);接受管和玻璃管之问传热主要是辐射换热,辐射换热量随玻璃管内壁面温度升高而增加:对流换热量数值上可以忽略不计,且与接受管和玻璃管之间的环形空间残存气体类型有关,环形空间为氢气的对流换热量大于空气,空气大于氩气:玻璃管对外界的传热主要是辐射换热和对流换热,环境温度每下降lO℃,玻璃管对环境的辐射放热量增加约105 W/m:玻璃外管壁温度为50℃时,风速为6 m/s比0.5 m/s时的对流换热量增加约116W/m,玻璃外管壁温为80℃时,该值增加约为340 W/m;集热器的瞬时热效率随传热工质温度的升高而下降,随太阳直接辐照增加而升高;利用该文建立的数学模型计算的瞬时效率与美国可再生能源实验室的试验数据最大偏差约为3%。     

土壤蓄热-放热过程中地埋管周围土壤温度特性模拟

为探索内蒙中部地区地源热泵蓄热-放热过程中地埋管周围土壤温度变化特性,以垂直U型地埋管周围土壤为研究对象,基于有限元分析法建立了二维非稳态传热物理数学模型。在与试验结果进行验证的基础上,对土壤蓄热、放热和蓄热-放热耦合过程进行模拟研究。分析了热作用半径、单位管长换热量和土壤温度随热泵运行时间及运行模式的变化规律;单一条件下的蓄热、放热以及蓄热-放热耦合模式下土壤热平衡问题,探讨了流体入口流速、温度、土壤类型和热泵运行模式等因素对土壤温度场的影响。研究结果表明:热作用半径随蓄热时间的增加而增大且逐渐趋于平缓,热泵运行25和28 d后,热作用半径分别为3.3和3.4 m;流体入口温度对热作用半径及单位管长换热量影响较大但流体流速影响较小,流体入口温度和速度分别为40、60℃和0.6、1.2 m/s时,对应热作用半径分别为3.7、4.5和3.5、3.6 m。合理的间歇运行模式对换热量及埋管周围土壤温度的恢复均有改善;土壤导热系数越大土壤温度恢复时间与效果越佳,土壤导热系数为3.1 W/(m?K)时恢复后温度为9.3℃(土壤初温9.5℃)。此外,蓄热-放热耦合模式下换热量不等对土壤热平衡具有较大影响。试验验证表明,所建模型具有一定的准确性其相对最大误差为5.35%。     

单井循环地下水源热泵换热特性CFD模拟与验证

针对单井循环地下换热系统CFD模拟研究的不足,建立了该系统多区域耦合的CFD模型用于研究其地下水流动和换热特性。结果表明,循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井CFD模型的抽水温度和含水层特征点温度模拟结果均与试验测试结果吻合较好,3种热源井25 min的累计取热量相对误差分别为12.1%、3.0%和8.2%。所建立的3种热源井CFD模型可以用于分析和预测实际单井循环地下换热系统中热源井特性、含水层流场和温度场的变化情况,并能提供较为准确的模拟数据。     

逆流式气-气换热器的设计与性能试验

介绍了一种逆流式气-气换热器的结构、设计及工作过程,并利用数值计算与现场试验的方法对该换热器进行了性能测试。该气-气换热器采用聚丙烯（PP）塑料材料作为换热片,流体方向为逆流式换热。数值方法计算结果表明,换热器换热量与风量呈正相关关系,换热效率随热端风量的增大而提高：热端风量为4 475 m3/h时,换热效率为0.55～0.75;热端风量为7 800 m3/h时,换热效率为0.6～0.8。性能测试的结果表明,该换热器的实际换热效率与数值计算的换热效率基本吻合：热端风量为4 475 m3/h时,实测值为0.45～0.7;热端风量为7 800 m3/h时,实测值为0.65～0.9。因此,该PP逆流式气-气换热器具有很好的换热性能。     

桩基螺旋型地埋管换热器换热性能的数值模拟与验证

为了探讨不同因素对桩基螺旋型地埋管换热性能的影响,建立了桩基螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了桩基直径、桩基深度、螺旋管组数、土壤类型对桩基螺旋型地埋管换热量及土壤温度分布的影响,结果表明:增加桩基直径有利于改善桩基的蓄热能力、提高螺旋型埋管的换热性能,但是单位管长换热量会减小,因此,桩基直径不可无限制增加;桩基深度的增加有利于提高桩基螺旋型埋管换热器的换热量,而且对单位长度桩基的换热量影响很小,因此,可以通过增加桩基深度来提高换热量;同样条件下,黏土、砂土、砂岩中砂岩最有利于桩基换热器换热,土壤温度上升速率和幅度最低,而黏土换热效果最差,土壤温度上升速率最快;此外,螺旋管组数越多,换热器换热量越大,但是单位管长换热量会大幅下降。试验验证表明:所建桩基螺旋埋管模型预测出的换热量与土壤温度值与对应试验值吻合较好,其最大相对误差分别在9.7%与9.2%以内。     

矩形微通道热沉内变物性工质的流动与换热特性

为了研究不同雷诺数下,工质的热物理性质对矩形微通道热沉内工质流动与换热的影响,该文建立了三维共轭传热模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明：当雷诺数为16时,与常物性工质相比,变物性工质具有较佳的换热性能以及更低的摩阻系数,此时基于工质常物性的数值假设会与实际情况偏离,而当雷诺数增加至333时,常物性工质与变物性工质的流动和换热性能具有较好的吻合,这在一定程度上解释了现有研究成果中矩形微通道热沉内工质流动与换热特性方面的试验结果与数值模拟之间存在偏差的现象。该研究为进一步改进数值模型精度提供了参考。     

动力电池冷热双向循环热管理系统性能分析

基于工质相变换热和无泵循环思路,提出了一种动力电池冷热双向热管理系统。以某款三元锂电池为研究对象,试验测试了冷热双向循环热管理系统的散热和加热工况。结果表明:该系统能实现电池箱低温工况加热与高温工况散热的运行切换管理。散热工况下,换热板采用4根竖管比单根蛇形管的散热能力强;冷凝器侧强制风冷散热与自然对流散热相比,能将系统一换热功率提高10%～44.2%,系统二换热功率提高20%～48.6%;电池箱温度为60℃时,自然对流散热系统换热板的最大温差小于2℃,强制对流散热系统换热板的最大温差小于1℃;在电池初始温度25℃时,1C、2C、3C放电倍率下,放电结束强制对流散热在能将8块电池的平均温度分别降低2.1、3.9、4.7℃。加热工况下,多组试验电池箱的升温效果一致性较好。考虑车辆行驶中换热板倾斜的影响,受制于工质的流量分配,散热工况时温度均匀性优于加热工况。     

竖直埋管换热器热响应半径计算方法

随着能源压力的日益增大,世界各国都十分重视可再生能源的利用与开发,地源热泵技术作为一种清洁、高效的可再生能源,近年得到了较快的发展。该文利用无限长线热源传热计算模型,讨论了介质内过余温度场的分布特性。结果表明：介质内温度响应在孔壁处最大,随离孔壁距离的增加呈指数衰减,随时间的增加而增大;热传播区域随时间的增加而增大,随介质的热扩散系数的增加而增大。针对工程中群埋管换热器情况,利用叠加原理计算群埋管的孔壁温度,定义换热器的热响应半径为其他钻孔引起的过余温度影响系数≤5％时相邻钻孔中心线之间的垂直距离。在大量计算分析基础上,提出了竖直埋管换热器热响应半径计算方法。计算结果表明该文方法具有较好的计算精度,竖直埋管换热器的热响应半径随岩土热扩散系数增大而增大,随持续运行时间增加而增大,随钻孔排数增加而增大,随着钻孔孔径增大而增大;钻孔布置方式不同对钻孔热响应半径的影响较明显,相同布置方式下钻孔直径对其热响应半径的影响较小。针对工程中常见的115和135 mm 2种孔径,绘制了不同岩土介质下钻孔单排、双排和三排以上布置时热响应半径-运行时间的关系曲线。工程算例表明该文方法简单方便,为工程设计提供了便利。     

基于效能-传热单元数法的地板传热结构设计

针对当前常用的线算图表在辐射地板传热结构工程设计中存在的问题,通过分析地板传热过程,将多层地板结构当量为单层均匀地板结构,求得了地板各传热环节的热阻及地板结构总热阻,并提出了地板传热效能值,进而从换热器的角度提出了用于地板传热结构设计的效能-传热单元数方法,并和 ASHRAE 手册设计方法进行比较。最后,在北京相应建筑地板辐射系统设计的工程案例中,通过该文提出的效能-传热单元数设计方法进行了地板热工设计,根据房间的热负荷和系统能提供的供水温度,计算所需的地板结构总热阻,进而确定了地板的埋层结构和对应的管间距,经试验测试,房间的温度较好地满足了设计要求。最终结果表明效能-传热单元数设计方法可较好适应多变工程设计条件,既可以根据供水温度确定对应的地板结构,也可以根据地板结构确定所需的供水温度,还可以校核一定供水温度和地板结构下的地板表面温度,可方便进行地板传热结构的设计,为地板辐射系统工程设计提供了一个新的思路。     

热源井填砾抽灌同井流/热贯通及温度锋面运移数值模拟

针对填砾抽灌同井流贯通、热贯通及温度锋面运移研究的不足,该文在已验证的数值模型中建立监测点、线、面和体对以上问题进行量化分析,并将热源井回水经过回填砾石直接流入抽水管的流量占总回水流量的百分比定义为流贯通强度。研究结果表明,填砾抽灌同井回水进入含水层后的流速可以用某一方向的分速度代替;该模型中的流贯通强度为1.2%,热贯通发生与完全形成的时间分别为模型运行2.5和12 min,抽水温度变化较剧烈的时刻与热贯通形成发展的时刻基本一致。在地下水渗流速度大于1×10~(-3)m/s的区域,速度锋面运移较温度锋面运移快;反之,温度锋面运移快于速度锋面运移。通过对填砾抽灌同井流贯通、热贯通及温度锋面运移的量化分析,为进一步探索填砾抽灌同井最优运行策略和更高换热效率提供了理论基础。     

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明：同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。     

地下换热管土结构冻胀变形模拟

以地源热泵技术在农业节能领域中的应用为研究背景,针对地下换热管土结构冻胀变形问题开展数值模拟研究,基于孔隙增长率函数、冻土本构方程、含水量方程和相变传热理论建立数值模型,并结合试验验证该模型的有效性。利用模型对冻胀过程中岩土应力和管体变形特性进行分析,并考察管体降温速率（0.1、0.2、0.3℃/h）对上述2方面的影响。结果表明,岩土冻胀应力和管体变形程度均随冻结范围增大而增大,当冻结直径达到365 mm时,进水管流通面积减小约3.5%,出水管流通面积减小可超过4%,可见出水管的变形更为明显;冻结范围基本一致的情况下,换热管体缓慢降温可导致较大的岩土冻胀应力和出水管变形。     

热渗耦合的分层土壤中管群换热器热性能分析

准确获取管群换热器在复杂土壤中的传热情况,有利于合理设计地源热泵系统。该研究建立了考虑地下水渗流的三维管群分层数值模型,通过引入区域热效率(E)和动态性能损失(Dynamic Performance Loss,DPL)2个指标,评估不同因素对渗流作用下管群在分层岩土中传热的影响。结果表明:当渗流速度为100m/a且渗流层厚度较大时,管群在分层岩土中的传热可以简化为在均质岩土中的传热;通过调整不同导热系数的土壤层的位置和厚度,管群区域热效率的变化可以忽略不计;变等效入口流速和变入口温度的变化对管群区域热效率的影响可以忽略。在渗流速度为100 m/a、连续运行2 000 h、管间距为3 m的叉排管群,下游DPL仅比管间距为6 m的顺排管群高1.27个百分点。因此,当渗流速度为100 m/a且渗流层厚度较大时,建议顺排和叉排的管间距分别为4和3 m。此外,渗流速度越大,管群的区域热效率越大,DPL越低,且趋于稳定的速度越快。研究结果可为合理设计热渗耦合分层土壤中的地埋管管群以及有效缓解土壤热堆积提供参考依据。