任晓红[1]2004年在《U型垂直地下埋管换热器地源热泵全年实验研究与传热模型》文中研究说明地下埋管换热器的地源热泵系统，是一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的空调技术，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一。推广和应用地源热泵的关键技术之一是完善地下埋管换热器的传热模型，使其更好的模拟地下埋管换热器的真实传热过程。本文在总结了国内外研究发展现状和几种典型的垂直埋管换热器传热模型的基础上，针对重庆地区，采用50mU型垂直埋管换热器进行了为期一年的冬夏暖冷联供测试和过渡季地温恢复测试。 本文介绍了地源热泵系统全年冬夏暖冷联供间歇运行测试及过渡季地温恢复测试结果，与原始地温相比地温仅升高了0.07℃。如果只进行冬季供热运行，比较冬-夏地温恢复值和原始地温值，平均降低了0.96℃。结果表明，全年冬夏暖冷联供比单独冬季供热更有利于地温的恢复。本文还介绍了夏季制冷工况时，不同运行时间、不同灌浆材料、不同钻井交替运行对埋管换热的影响，并通过实验研究U型埋管换热器两腿热短路的现象。介绍了线性加权和法确定土壤的初始地温，与实测值相比，绝对误差为0.136℃，相对误差为0.69％。 本文先对单个钻孔进行研究，对钻孔外和钻孔内分别提出了一维(径向)线热源瞬态传热模型和稳态传热模型，并通过脉冲热流的分析，使用迭加原理考虑了变热流的情况，此外还考虑了热泵机组的间歇运行工况。在单个钻孔传热模型的基础上，采用迭加原理建立了多个钻孔的传热模型。使用该模型计算出的结果与实测值相比，平均误差2.48％，最大误差7.87％。表明该模型具有较高的合理性和实用性。 本文分析了引起钻孔壁温度变化的各种因素，还分析了钻孔壁温度随运行时间的变化趋势。介绍了钻孔热阻中，灌浆热阻、埋管管壁热阻和循环流体对流换热热阻分别对埋管换热的影响大小；分析了U型埋管换热器两腿在钻孔中不同位置对埋管换热的影响；分析了层流换热和紊流换热对埋管换热的影响；介绍了采用实验方法来确定钻孔热阻的大小。此外还介绍了钻孔热阻和土壤热阻分别对循环流体温度变化的影响大小。
张春雷[2]2005年在《U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究》文中进行了进一步梳理本文对U型管桩埋换热器进行了传热机理及实验分析,在分析叁种传热模型的基础上,针对地源热泵U型管换热器的传热特性,采用深度方向上的一维传热和水平面上的二维传热来描述U型埋管的叁维非稳态传热,并利用有限元方法,对二维水平面中桩埋换热器的壁面温度与附近土壤温度进行了计算,并与实验值进行了对比。通过模拟计算与对比得到了不同土壤物性、回填物导热系数对桩埋换热器的传热性能及土壤温度场的影响。在理论研究的基础上,结合梅江生态小区综合办公楼地源热泵系统,进行了冬、夏两季供热空调实验研究,得到了地源热泵U型埋管换热器(桩埋管、井埋管)的传热性能参数、U型埋管周围土壤温度场变化规律及地源热泵系统循环性能。研究了地下储冷(热)的可行性及其特点,计算了整个冬季(夏季)从地下吸取(排放)的总热量,比较二者的平衡关系,探究因此导致的地下温度变化规律。研究埋地换热器周围土壤温度场变化规律,定量分析地源热泵全年运行的土壤温度变化情况。针对地源热泵系统与城市热网供暖+集中空调进行了经济性评价,结果表明地源热泵系统具有很大优势,同时进行了动态经济性分析,得到了较高的经济性参数,揭示其良好的应用前景。
曾宪斌[3]2007年在《地源热泵垂直U型埋管换热器周围土壤温度场的数值模拟》文中研究表明地源热泵空调系统利用土壤作为冷热源,通过地下埋管中的循环流动介质与土壤进行热量交换,进而由热泵实现对建筑物的供冷或者供暖。与传统空调相比,地源热泵空调系统利用可再生能源,具有节能和环保的特点。对于采用U型埋管换热器的地源热泵来说以其适用范围广、性能稳定、换热效率高等优势越来越得到关注。本文对地源热泵垂直U型埋管换热器系统的研究成果进行了综述,针对现有研究成果主要集中在U型埋管的传热传质模型、换热器的换热性能、强化传热以及热泵系统的动态仿真等方面,而作为能够较直观的反映土壤的热物性和埋管的换热性能的地下埋管换热器周围土壤温度场的研究主要还是集中在理论阶段,没有相关的实验验证,并且对地源热泵系统运行时土壤温度场的模拟大多是基于短时间条件,这就使得研究成果的应用在一定程度上受到了限制。故本文开展了以地下埋管换热器周围的土壤温度场为主要内容的研究,采用理论分析、建立传热模型及借助于MATLAB软件进行数值模拟、实测数据验证等方法对垂直U型埋管换热器周围的土壤温度场进行研究,以求得到两种不同地质条件、不同的钻孔回填材料、热泵系统长期和短期运行、不同埋管管径大小以及变热流工况对埋管换热器周围土壤温度场的影响,并得出热作用半径与单位埋管管长换热量之间的关系。模拟结果表明,在短期(30天)运行条件下,土壤的导热系数大小直接影响热作用半径长度,土壤导热系数为2.035W/m?℃、3.49W/m?℃时热作用半径分别为3.8m和4.2m。导热系数大的细河砂回填材料,埋管管壁土壤最高温度只有42.3℃,而水泥砂浆回填时高达50.9℃,说明导热性能好的回填材料有利于增大管内流体与周围土壤的温差从而增大了土壤与埋管的换热量。对于3个月的长期模拟分析得到热作用半径达4.5m左右。通过505W/m2、550 W/m2和650 W/m2叁种不同热流密度对土壤温度场的影响模拟结果表明,热流密度越大(为650 W/m2)时,热作用半径也越大,但埋管周围土壤与管内流体的温差也越大,因此不利于埋管与土壤的换热。最后总结了有利于埋管换热的设计间距。通过重庆地区的夏季实验测试,分析不同流量工况下单位管长的换热量以及平均传热系数,埋管周围土壤温度场分布,并对模拟结果进行了实测数据验证。
王明国[4]2007年在《地源热泵系统工程案例分析》文中提出随着社会的不断发展进步,人类对能源的需求越来越大,从而导致能源危机。地源热泵系统是一项以节能和环保为特征的,有利于可持续发展的供热和空调的先进技术。本文针对一栋医院建筑采用地源热泵与消防水池或与冷却塔联合运行的两种混合式系统,研究其运行特性及建筑节能的效果。通过地源热泵与消防水池联合运行和地源热泵与冷却塔联合运行这两种方案的对比,分别从技术经济性、系统设计能效比等方面分析了系统的节能效果,得出在本文的研究条件下,地源热泵与冷却塔联合运行的方案有较好的节能效果。本文通过对RC医院地源热泵系统工程实例的负荷特性分析,运用地源热泵系统的设计方法,提出了地下埋管系统的分区调节,满足土壤恢复原始温度的需要,保证土壤作为冷热源的可持续利用。本文接着研究了土壤的温度分布特性,从理论上分析了土壤的传热特征,推算出土壤原始温度的温度分布规律;按照无限大平壁的传热模型进行理论计算,在地面以下10米左右温度基本趋于稳定状态。在RC地区,在夏季,相对与测试井0来说,地下温度的变化范围为[-1.45%,1.2%];在冬季,地下温度的变化范围为[-0.92%,0%];没有超出实测系统的误差范围。实测结果与理论一致:在10米以下的范围内,温度基本保持稳定,夏季大约21.3℃,冬季大约18.5℃。在冬季半负荷情况下,通过对测试井3的测试,该地下换热器的进出水温差平均为0.2~0.3℃;总流量为276m3/h的情况下,平均每个地下U形管单孔供热能力平均值为5W/m,共计191.2kW;而水泵能耗就达30kW,能效很低。在冬季全负荷情况下,通过对测试井3的测试,地下29m深度处,地下土壤平均温度为18.10℃,比低负荷状态下的地温也要略低,主要是由于整个土壤受到建筑热负荷的增加,而向土壤吸收热量增大的缘故。地下换热器的总流量为228m3/h,进出水温差平均为0.5℃;平均每个地下U形管单孔供热能力平均值为7W/m,共计133.84kW;而水泵能耗30kW,能效仍然很低。在过渡季节,空调基本不使用,对地下土壤是一个很好的恢复期,有利于土壤的可持续利用。在夏季运行状态下,当系统总流量达到454m3/h,进水温度值平均温度为31.45℃,出水温度为28.94℃,总换热量为1329.46kW,地下U形管换热器换热能力平均值达到67.65 W/m。本文然后通过建立了U形管换热器的叁维瞬态传热模型,分别模拟了U形单管和孔群在夏季制冷和冬季供热两种情况下,U形管换热器进、出水的温度变化,土壤的温度变化,及U形管换热器对土壤的作用深度和作用半径的变化规律。有利于对地源热泵系统的换热特性进一步的研究,确定地源热泵系统孔群中管子的间距以及管子的埋深。对连接整个地源热泵空调系统的消防水池也进行了数值模拟,分析了水池在冬季蓄热、夏季蓄冷的过程中,消防水池中水体的温度分布情况,提出了消防水池更好的分隔方案及优化设计方案;同时通过测试验证了水池的温度分布。最后通过RC医院地源热泵系统工程实例对系统运行机制进行分析,系统在分区调节、间歇运行下具有较好的效果。分析系统出现的问题,提出更加合适的方案,把实际工程案例与《地源热泵系统工程技术规范》相结合,吸取经验教训,提出一些理解和建议。
施恂根[5]2008年在《垂直U型埋管换热器动态换热分析》文中研究指明地源热泵是一种可再生能源利用技术,近年来为我国研究热点。其中的关键是地下换热器的设计与安装,因此地下换热器一直是研究的重点。主要研究内容如下:(1)采用地下土壤原始温度场的模型,计算成都市地区不同深度的土壤温度变化,并分析了地表温度变化对土壤温度分布的影响。(2)对地源热泵地下换热模型进行了归纳总结,并建立了竖直双U型管地下换热器周围土壤温度场物理模型和数学模型。(3)采用ANSYS有限元APDL语言进行编程,并对竖直双U型管地下换热器周围温度场进行模拟,通过模拟分析得到了土壤热物性、管外温度、土壤类型以及回填料等因素对土壤温度场的影响。(4)采用ANSYS有限元APDL语言进行编程,并对群井地下换热器周围土壤温度场在全年内进行连续模拟,得出了全年每个月的温度场的变化。(5)采用VB语言编程,开发了竖直地下换热器设计程序,可计算得出单U型管和双U型管单位井的换热量以及井的深度。本文所提供理论模型、有限元数值计算的方法以及竖直地下换热器的设计计算程序,将为地源热泵工程的实际应用和进一步研究提供理论依据和参考价值。
孟祥来[6]2012年在《东华大学图书馆地源热泵运行性能及土壤热扩散研究》文中认为目前对于地源热泵系统运行性能及土壤温度场监测方面的工程实例仍然偏少,尤其是完整的实际运行数据。因此,结合实际工程研究地源热泵运行性能及埋管周围土壤温度场对于地源热泵系统的推广有着指导意义。本课题以上海市东华大学图书馆地源热泵系统工程为研究对象,针对目前地源热泵工程应用中存在的问题,采用实际运行实验测试及数值模拟及理论分析的方法进行研究。首先介绍了图书馆地源热泵空调系统的概况,包括设备配置、数据采集系统、自动控制系统等。其次,通过实验分析了地源热泵投入运行第二年冬夏两季的运行特性,重点研究了图书馆间歇模式下机组及系统能效系数的变化情况及系统全年运行节能性；并对管群周围土壤得失热量的负荷特征进行分析,认为图书馆的包括寒暑假作息制度在内的独特间歇运行模式,使得土壤恢复良好,无“热堆积”现象。最后,为进一步分析动态负荷下的地埋管换热情况以及埋管换热量对于土壤温度场的影响,利用CFD软件建立了与实验一致的单U型管叁维非稳态换热模型；模拟并用实验数据验证了模型的准确性,继而分析了管内流体不同流速及回填土材料对于埋管换热性能的影响；通过对回填土区域沿深度方向热通量的分析,提出采用“钻孔壁热流密度法”分析管群周围土壤温度场情况,建立了叁维管群换热模型,模拟得出管群周围土壤的叁维热扩散情况,表明本工程埋管间距合理,间歇运行使得土壤恢复较好,并且由于沿埋管深度方向传热量较少,认为在做模拟分析土壤温度场时可采用二维模型,节省工作量。
张玲[7]2006年在《土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究》文中指出目前全世界都在致力于低能耗、无污染、可再生及新能源工程技术的研究与应用。在世界各国能耗总量中建筑业占重要地位，建筑能耗中又以供热和空调能耗为主，如何降低供热和空调能耗是当前研究的一个重点。热泵通过输入少量的能量，大量利用自然资源(如空气、水、土壤、太阳能)和余热资源(如废热)中的热量，可以实现低品位热能向高品位热能的转化，给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境污染的途径，因此热泵技术得到了广泛应用。热泵一般分为叁种类型：(1)空气源热泵；(2)水源热泵；(3)地源热泵。空气源热泵在我国冬季气候相对较温和的地区，已经得到广泛的应用。但在冬季寒冷地区，空气源热泵的制热效率大大下降，加上室外侧换热器的结霜等问题，其应用受到限制；水源热泵的应用受当地水资源的限制；而地源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源的高效节能与环保的热泵空调系统。与空气源热泵相比，它并未得到广泛应用，主要是它的成本太高，而且缺少准确可靠的计算模型。本文综述了土壤源热泵(地源热泵一种)的类型和各类土壤源热泵系统的优缺点。由于垂直埋管土壤源热泵系统具有占地面积小，不污染地下水的优点，是一种值得发展的热泵系统。但该系统初投资较高，一般需要采用合理的模型给予设计计算。然而由于现有的土壤传热模型忽略了水分迁移对传热的影响，使得埋地换热器的设计与实际需要产生偏差，致使土壤源热泵系统投资增加或使用效果不佳，限制了它的应用。本文在原有的垂直埋管土壤源热泵一维线源模型基础上，对土壤的传热传湿过程进行了进一步的研究，发展了传热传湿数学模型，并对模型中的水通量方程进行改进，对模型中土壤的各参数(土壤热导率、土壤初始温度及含水率等)进行了理论与实验分析，使之更加符合工程实际。土壤热导率是土壤的一个重要热特性，本文利用“线源模型”理论搭建了测量热导率的实验装置，自制了探针，并用它测定了不同质量含水率下土壤和沙的的导热系数，进而得到土壤和沙的容重、导热系数、导温系数与质量含水率的关系。自行搭建了一维土柱、沙柱传热传湿实验台，测试了不同土壤、沙水分含量和土壤中存在温差时，温度对土壤水分持有的影响程度，及土壤、沙中热量和水分迁移的相互作用。搭建了U型竖埋土壤源热泵系统工程应用实验台，测试了实验地区土壤年温度变化规律、冬夏季热泵机组运行时大地的温度场、冬夏季机组室外侧换热器进出口水温、并确定了埋管换热器的传热系数。编制热湿传递计算程序，确定了不同含水率下单位井深土壤的换热能力和埋管周围温度场、埋管周围含水率的变化规律。最后，论文对进一步的研究工作提出了一些初步建议，同时展望了地源热泵系统的应用前景。
刘晓海[8]2007年在《双U型埋管地源热泵土壤温度场的研究与热泵系统的经济性分析》文中指出土壤源热泵作为一种节能、环保的新型能源利用技术,通过消耗较少的一次能源,可获得大量的可再生能源,在我国能源供应日渐紧张的形势下,日益得到人们的重视和推广。本文结合天津建委节能示范楼土壤源热泵工程,通过整个采暖季的地温测试,研究了双U型垂直埋管换热器周围土壤温度的变化情况,分析表明,双U型埋管换热器对周围土壤温度的影响范围在1.5～2.5米之间,即双U型垂直埋管换热器周围土壤温度的热作用半径1.5～2.5米左右,随着单位井深换热量的增加,热作用半径将会有一定的增大。研究土壤蓄热的特点,结合实验,研究整个冬季(夏季)机组向土壤吸取(排放)的总热量,分析二者之间的平衡关系,探询因此导致的地温变化规律,结果表明,热泵系统经过一年的运行后,地温将上升2.3℃,同时提出了相应的解决方案,如“地下埋管+冷却塔”、“地下埋管+生活热水供应系统”(适用于排热量大于吸热量情况),或“地下埋管+辅助热源”方式(适用于吸热量大于排热量情况)。以天津建委节能示范楼为例,采用BIN法和费用年值法对土壤源热泵、电制冷+热网换热、直燃机叁种不同的冷热源方案进行经济性分析,结果表明,土壤源热泵由于打井费用较高,初投资相对较大,但年运行费用和费用年值在叁种方案中是最低的,比其他两种方案多出的初投资可在2～3年之内收回。
王松松[9]2011年在《地源热泵地下传热强化与控制模式的研究》文中研究说明地源热泵是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵节能技术。其利用土壤作为冷热源,通过地埋管换热器与土壤进行热量交换,进而由热泵对建筑物进行供冷和供暖,它实现的只是一种单纯的能量“搬运”过程,并具有可再生、适用范围广、经济环保等优点。地下埋管换热器的传热性能是影响地源热泵系统能效的一个重要因素。本文通过改变回填材料减小钻孔内热阻和控制热泵运行模式延迟土壤温升来强化埋管换热器的传热,提高系统运行效率。地埋管换热器周围土壤温度场的分布,因其能直观的反映埋管换热器的换热特性,对研究地埋管传热过程有重要的意义。本文以单U型地埋管换热器周围土壤温度场为主要研究内容,建立了U型埋管换热器周围温度场的二维非稳态传热模型,利用有限容积法对数学模型进行离散,并采用MATLAB计算软件对其进行数值模拟。将模拟值与实验进行比较,结果表明：夏季工况下换热器周围土壤温度场的分布情况,模拟结果与实验数据吻合,也验证了所建模型的正确性。利用相似理论搭建模型试验台,通过对地下埋管换热器换热性能的实验测试,分析了回填材料导热系数、热泵系统不同运行模式以及不同进口温度对地下埋管换热器周围土壤温度场及换热性能的影响。结果表明：在同等运行条件下,选用导热性能好的回填材料能有效降低钻孔壁与地埋管之间的热阻,从而提高地埋管的换热能力。以单位井深换热量为评价标准,利用实验所测的数据定量比较了地源热泵机组间歇运行工况与连续运行工况的不同。实测结果表明：开停比为1：1和2：1间歇运行模式下的换热量比连续运行模式下分别高7%和18.8%,因此,通过合理地控制开停比能够使土壤温度得到较好的恢复,提高了地热能的利用率,有利于地下换热器的长期、有效运行。在相同流量的条件下,分别采用22℃、30℃和35℃的进水温度进行实验测试,当流体进水温度由22℃增加到35℃时,换热量由56.6W/m增加到66.4W/m,增幅为17.4%,这主要因为进水温度与U型埋管周围土壤的可利用温差较大,换热得以加强。因此,在夏季工况下采用较高的进水温度能有效的增大埋管换热器的换热量。本文研究目的旨在探讨地埋管换热器换热性能的影响因素及其强化换热措施,并为地源热泵系统的推广应用提供理论依据。
李永[10]2007年在《太阳能—土壤复合式地源热泵运行特性研究》文中认为本文以太阳能—土壤复合式地源热泵为研究对象,从土壤源热泵应用中存在埋管面积不够的角度出发,提出了太阳能集热器和蓄热水箱与地下埋管换热器相结合的太阳能—土壤复合式地源热泵系统。开展了复合式地源热泵运行特性的研究。主要研究内容包括:1.分析了太阳能热源和土壤热源的特点,对邯郸地区晴天时朝南放置的任意倾角倾斜面上太阳辐射量进行了逐时理论计算,得到了在邯郸地区采暖季可获得最大太阳辐射量的集热器倾角。以周期性温度作用下的地下土壤温度分布方程为基础,对不同深度处地下土壤温度场的变化规律进行了理论计算和分析。2.根据所拟合的实验用压缩机的输气系数和压缩机总效率表达式,联立蒸发器、冷凝器和太阳能集热器模型,在此基础上开展复合式地源热泵运行特性理论研究。讨论了压缩机耗功量随蒸发温度、蒸发器进水温度和压缩比的变化情况及机组COPh、蒸发器吸热量和冷凝器排热量随蒸发温度的变化情况。指出在埋管面积受限的场合,为避免埋管长度不够而造成机组出力不足使室内温度达不到设计要求时,如果有较丰富的太阳能资源可资利用,可以采用将太阳能集热器和地下埋管换热器相结合的太阳能—土壤复合式地源热泵系统。3.进行了太阳能—土壤复合式地源热泵的实验研究。首先进行土壤源热泵冬季供暖的实验研究。其次针对土壤源热泵在实际应用中存在埋管面积不够的情况,在减少一半埋管长度的情况下,实验验证了土壤源热泵在冬季供暖运行中存在的各种问题。最后,将埋地盘管和太阳能集热器与蓄热水箱结合起来,进行复合式地源热泵系统冬季供暖实验研究,证明了其可行性并分析了系统各参数的变化规律。4.以变热流条件下的圆柱源理论为基础,并引入“形状因子”的概念,通过地下埋管换热器的出口水温关联热泵机组、埋管换热器和太阳能集热器的运行特性,建立起耦合地面热泵机组、地下埋管换热器和太阳能集热器特性的R134a复合式地源热泵运行特性模拟模型;对模拟结果的验证表明,所建模型模拟结果与实验结果吻合度较高,可以有效的模拟复合式地源热泵的冬季运行特性,此模型在复合式地源热泵系统的方案设计以及全年能耗分析等方面具有指导意义;利用所建模拟模型开展复合式地源热泵的运行特性模拟,对集热器面积改变时系统的各参数变化情况进行分析和研究。
参考文献：
[1]. U型垂直地下埋管换热器地源热泵全年实验研究与传热模型[D]. 任晓红. 重庆大学. 2004
[2]. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D]. 张春雷. 天津大学. 2005
[3]. 地源热泵垂直U型埋管换热器周围土壤温度场的数值模拟[D]. 曾宪斌. 重庆大学. 2007
[4]. 地源热泵系统工程案例分析[D]. 王明国. 重庆大学. 2007
[5]. 垂直U型埋管换热器动态换热分析[D]. 施恂根. 西华大学. 2008
[6]. 东华大学图书馆地源热泵运行性能及土壤热扩散研究[D]. 孟祥来. 东华大学. 2012
[7]. 土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究[D]. 张玲. 浙江大学. 2006
[8]. 双U型埋管地源热泵土壤温度场的研究与热泵系统的经济性分析[D]. 刘晓海. 天津大学. 2007
[9]. 地源热泵地下传热强化与控制模式的研究[D]. 王松松. 扬州大学. 2011
[10]. 太阳能—土壤复合式地源热泵运行特性研究[D]. 李永. 河北工程大学. 2007
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