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。     

考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。     

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%。     

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。     

回填土质材料对地下换热器冻胀特性的影响研究

以地源热泵技术在寒区设施农业中的应用为背景,开展地下换热器低温冻胀特性研究。通过岩土埋管冻胀试验,基于冻结半径追踪和管体应变测量,开展冻结区发展规律以及埋管变形收缩特性的研究,对比砂土基和黏土基回填料对冻胀的影响,并进一步考察换热管容积与流阻变化。结果表明,冻结区在进出水2管中心连线方向发展速度大于其垂直方向,受冻胀影响,U型换热管产生椭圆化变形与收缩,砂土基回填比黏土基回填具有更大的冻结范围,但前者换热管变形和收缩程度却小于后者。换热管在100 h内持续由0降至-10℃后,测得管容积减小率为0.4%,流阻增大率为6.5%,由此可知,埋管冻胀的变形与收缩成为循环流量减小和系统效率下降的原因之一。     

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。     

越冬期埋土防寒层厚度对贺兰山东麓葡萄园土壤温度的影响

2019/2020年和2020/2021年冬季于贺兰山东麓葡萄园开展不同埋土防寒层厚度试验,结合不同深度土壤温度监测结果,研究越冬期葡萄园埋土防寒层覆盖下根区土壤温度变化规律,明确不同埋土防寒层厚度对根区土壤温度和葡萄越冬冻害的影响,为葡萄越冬冻害监测、评估及葡萄园冬季埋土管理提供参考。结果表明：（1）酿酒葡萄越冬期（12月−翌年2月）土壤温度呈先下降后上升的趋势;土壤温度随土层深度的增加而增加,波动随深度增加而缩小,埋土防寒层的覆盖,进一步减少了土壤温度的波动。（2）土壤温度随着埋土防寒层厚度的增加而增加,与不埋土处理（H0）相比,埋土防寒层厚度60cm（H60）处理, 20cm日最低土壤温度冬季可提高0.2～2.7℃,冬季平均可提高1.1℃;40cm土壤温度冬季可提高0.1～1.3℃,冬季平均可提高0.6℃。（3）0cm、20cm、40cm土壤温度日较差随着埋土防寒层厚度增加而减小,且极值出现时间依次滞后,60cm土壤温度几乎恒定。（4）20cm土壤温度,根干（C0）处显著高于距根干50cm（C50）、距根干100cm（ C100）和距根干150cm（C150）(P<0.05),距离根干越远土壤温度越低。土壤温度最低日,埋土防寒层厚度30cm、40cm、50cm三个处理根干（C0）处20cm土层温度较C50、C100和C150分别提高1.7～2.2℃、1.7～3.3℃、2.4～3.4℃。可见,根系受冻风险随土壤深度增加而降低,增加埋土防寒层厚度可提高土壤温度,减少土壤温度的波动,最低温度出现的时间随着埋土防寒层厚度增加而出现滞后。越冬冻害发生程度随埋土厚度增加而减少,其中副根受冻率高于主根。     

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。     

越冬期日光温室土壤和空气的热量传导特征

为探求越冬期日光温室内部土壤温度的变化规律以及土壤表面及内部热量传递的日变化规律,以山西省吕梁市离石区日光温室为研究对象,采用整个越冬期对日光温室大棚内土壤温度、空气温度等的跟踪观测数据,用传热学的理论和方法,研究了土壤温度的变化情况以及土壤表面及内部的热流状况。结果表明:(1)室内土壤温度进行着以日为单位的周期性变化,室内表层土壤温度高于深层,室内分层地温对气温变化的响应存在滞后效应,随着土壤深度的增加,温度波的振幅越来越小,由表层到深层温度波振幅分别为5.24、2.83、1.79、0.93、0.76和0.17℃。0.4 m以下的地温基本处于稳定的状态;(2)揭示了土壤热量传递的零通量面的存在,土壤热量以零通量面为界限,分别向上向下传递,零通量面的位置并不是固定的,随时间、随季节都在进行着变化,零通量面的最低位置出现在距地表0.25 m的土壤处,出现的时间为一月中旬早晨8:00左右;(3)计算了土壤通过对流和辐射两种方式的传热量,白天,土壤吸收热量,对流传热和辐射换热对土壤表面吸收热量均有贡献,土壤具有良好的贮热性能,夜间土壤释放热量,主要依靠辐射换热的方式,起到了维持室内温度的作用。     

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。     

模式搜索算法在地埋管换热器热阻确定中的应用

为了准确确定土壤源热泵系统地埋管换热器的热物性参数和热阻,该文以地埋管换热器线热源模型为基础,结合土壤的热响应试验,提出了一种应用模式搜索算法确定土壤综合导热系数和地埋管换热器热阻的方法。搜索算法实施时,热阻作为一个待定参数,不必考虑换热器的各项物理参数,降低了运算工作量。试验实测结果表明,应用模式搜索算法后该文试验条件下确定的土壤综合导热系数的相对误差为1.42%,热阻的相对误差为1.73%;通过与其他方法比较,模式搜索算法确定的参数的相对误差较小,算法精度较高,可靠性较高;该研究结果为土壤源热泵系统的设计与应用提供参考。     

土壤源热泵非稳态热流热响应试验中岩土热物性参数的确定

在土壤源热泵系统现场热响应试验时,复杂的现场状况会影响热响应试验中恒加热功率的实现,结合测试现场的实际状况,该文提出了非稳态热流工况下确定岩土热物性参数的方法。通过建立非稳态热流热响应试验系统模型,实施系统优化,使地埋管换热器进出水平均温度计算值和实测值的平方和最小,确定最优的岩土导热系数和容积比热容2个参数。对比同一测试地点的恒热流和非稳态热流热响应试验确定的2个热物性参数的结果,非稳态热流工况系统优化方法确定的岩土导热系数的相对误差为1.2%,容积比热容的相对误差为0.7%。同时,在非稳态热流工况下,利用系统优化方法确定热物性参数可适当缩短热响应试验的测试时间,降低了测试成本,为土壤源热泵系统热响应试验的实施和岩土热物性参数的确定提供了重要参考。     

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。     

基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性

为建立井群换热快速求解模型并研究其热干扰特性,提出了一种基于解析-数值计算的混合解模型,以16井群为研究对象,通过试验和数值模拟的方法研究了井群热干扰特性。研究结果表明:随着换热的进行井群中各井间产生热干扰并逐渐增强,同一运行时刻中井受热干扰程度最大、边井次之、角井则最小;由于井间热干扰的影响,角井换热能力最大、井壁温度最低,边井换热能力和井壁温度居中,中井换热能力最小、井壁温度最高,则运行90 d时角井换热量比边井大6.5%,边井换热量比中井大7.1%;角井对井群换热量的贡献率随换热时间延长逐渐增加,中井对井群换热量的贡献率则逐渐减少,而边井对井群换热量的贡献率基本不变。     

土壤源热泵系统运行特性的快速预测方法

土壤源热泵系统的逐时运行特性预测对于系统设计和运行策略评估是十分重要的。该文在分析地埋管换热器传热基本原理的基础上,通过与动态负荷作用下"负荷叠加"的G函数法的对比,提出了一种热泵系统运行特性的快速预测方法。在进行年逐时运行特性预测时,通过与采用有限长线热源模型加准三维钻孔热阻模型换热器的某热泵系统算例计算结果的比较,该文预测方法对应的主要性能指标相对误差均低于1%,计算耗时仅为原方法的1/1000。该方法对于土壤源热泵系统的设计和应用具有十分重要的意义。