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浙江大学学报（工学版） 2013年第12期47卷 2153-2159页

作者：王美燕张正威浙江农林大学风景园林与建筑学院浙江杭州311300

为了在设计过程中合理布置换热器和估计它们之间的热干扰程度,提出估算竖直埋管换热器影响半径的方法.通过几种简单负荷条件下换热器周围土层中过余温度的分布特征分析了过余温度随距离衰减的一般性规律,指出土层对短周期冷热交替负荷具... 详细信息

为了在设计过程中合理布置换热器和估计它们之间的热干扰程度,提出估算竖直埋管换热器影响半径的方法.通过几种简单负荷条件下换热器周围土层中过余温度的分布特征分析了过余温度随距离衰减的一般性规律,指出土层对短周期冷热交替负荷具有"过滤"作用,即短周期冷热交替负荷引起的过余温度会随距离很快衰减,周期越短则衰减越快.基于该"过滤"作用,得到了离换热器一定距离处最大过余温度的估算公式和换热器热作用半径的估算方法.通过实际算例表明:该估算方法能快速和较准确地确定换热器的热作用半径,在设计过程中可利用其确定换热器的间距;换热器的热作用范围主要受两方面影响:一是土层的综合热扩散系数和导热系数,二是其负荷的冷热不平衡率和所包含的长周期冷热交替成分的大小.

关键词：竖直地埋管换热器热作用半径过滤作用过余温度热负荷

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竖直地埋管换热器传热性能的模拟与实验分析

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湖南大学学报（自然科学版） 2009年第S2期36卷 49-53页

作者：陈超任艳王永菲陈疆尹龙滨张羽北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系北京100124

以北京地区竖直单(双)U形地埋管换热器为分析对象,运用两种模拟计算方法,对管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素在冬夏不同工况下,对钻孔深度分别为40 m和100 m地埋管换热器换热性... 详细信息

以北京地区竖直单(双)U形地埋管换热器为分析对象,运用两种模拟计算方法,对管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素在冬夏不同工况下,对钻孔深度分别为40 m和100 m地埋管换热器换热性能的影响规律进行了比较研究,并在此基础上结合典型工程案例的实测运行数据,提出系统优化运行策略.结果表明:管内水流速、土壤导热系数以及地埋管进口温度对单位钻孔深换热量的影响最为显著;回填材料导热性能增加,对减少钻孔热阻、提高地埋管换热器传热性能的作用有限.

关键词：竖直地埋管换热器地下传热模拟分析实验比较

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竖直地埋管换热器钻孔外换热解析模型研究现状

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暖通空调 2014年第1期44卷 115-120页

作者：赵石娆张正威南京工业大学浙江农林大学园林与建筑学院

根据对热源形状假定的不同,将竖直地埋管换热器钻孔外换热解析模型分为线热源、面热源、体热源3大类,对这3类模型进行了比较分析。结果表明,实际工程中3类模型设计结果几乎没有差别;有限长和无限长热源模型需要很长的时间计算结果才会... 详细信息

根据对热源形状假定的不同,将竖直地埋管换热器钻孔外换热解析模型分为线热源、面热源、体热源3大类,对这3类模型进行了比较分析。结果表明,实际工程中3类模型设计结果几乎没有差别;有限长和无限长热源模型需要很长的时间计算结果才会有明显差异,在满足冷热负荷平衡条件下可以不考虑换热器长度的影响;在不考虑渗流影响情况下,当冷热负荷大致平衡时应采用计算较为方便的无限长线热源模型;在有渗流情况下,当渗流速度达到10-6 m/s时应考虑其影响。

关键词：竖直地埋管换热器钻孔外换热解析模型线热源面热源体热源换热器长度渗流速度

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竖直地埋管换热器不确定性设计传热模型研究

竖直地埋管换热器不确定性设计传热模型研究

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作者：张雪丹哈尔滨工业大学

学位级别：博士

竖直地埋管地源热泵系统利用清洁可再生的浅层地热能作为低品位热源(汇),具有低碳节能、环保高效、运行稳定的优势。其中,地下换热器的设计对整个系统高效稳定运行起决定性作用,也是影响系统经济性、制约技术推广的主要原因。然而,常规... 详细信息

竖直地埋管地源热泵系统利用清洁可再生的浅层地热能作为低品位热源(汇),具有低碳节能、环保高效、运行稳定的优势。其中,地下换热器的设计对整个系统高效稳定运行起决定性作用,也是影响系统经济性、制约技术推广的主要原因。然而,常规确定性设计方法忽略了随机因素的影响,如传热模型不确定性、岩土热物性参数不确定性、建筑负荷不确定性、热泵机组特性不确定性等,对于无法准确获得实际数值的参数,往往通过考虑最不利工况或添加安全系数的方法考虑设计过程中的最大不确定性,容易造成设计余量过大。因此,本文对底层传热模型和设计主要环节参数的不确定性进行深入探索,构建综合考虑多种不确定性因素的竖直地埋管换热器设计理论框架,科学合理地描述输入参数不确定性到设计输出不确定性的传播过程。首先,通过文献调研,遴选出地源热泵工程设计中具有代表性的传热模型,对其假设条件、边界及初始条件等基本设定和求解方法进行了详细解析,在此基础上,建立了动态环境作用下的二维轴向-径向解析(DCFLS)模型。模拟分析和实验验证结果显示,该模型能够很好地揭示换热器与岩土之间的传热机理。利用DCFLS模型,基于空间叠加原理和改进的负荷块聚合法,开发了变负荷工况下多个钻孔竖直地埋管换热器的设计方法。其次,为考察工程中热响应测试环节对地下换热器设计过程的影响,深入研究了热响应测试中评估参数的选取以及参数评估的优化算法,使用信赖域内点反射法及单纯形法、对同一组测试数据进行基于不同传热模型的参数评估,发现在优化目标函数计算上,DCFLS模型的表现优于常热流作用下的其他代表性模型。同时,定量分析了岩土热物性参数估计模型与地下换热器设计模型的匹配问题。结果表明,常热流作用下,模型不匹配可造成±5～15%流体温度计算相对偏差,在模型匹配情况下,DCFLS模型与权威的DST模型之间相对偏差最小;模型不匹配对半经验公式方法地埋管总长度尺寸设计计算的影响较小,但对变负荷工况下长期模拟预测设计方法影响较大,在模型匹配情况下,DCFLS设计结果与TRNSYS设计结果最为接近。鉴于所提出的DCFLS模型在计算准确性、运算速度以及使用灵活性方面的良好表现,结合Monte Carlo随机模拟技术,提出了以DCFLS为底层模型的竖直地埋管换热器不确定性设计理论框架,明确了不确定性设计的基本原理和实施步骤,并给出了主要环节设计参数的不确定性量化方法。最后,应用建立的不确定性设计方法,以某高校图书馆建筑为研究对象,进行地下换热器设计,结果表明,不确定性设计方法能够描绘设计输出的所有可能性,通过可视化经验累积概率分布函数进行基于风险评估的决策选择,比传统确定性设计方法的可靠性更高。本课题是工程实际中提炼出的基础问题,以理论解析、实验验证以及计算机模拟相结合的方法,对竖直地埋管换热器设计中的底层传热模型及参数不确定性问题展开深入研究。研究成果是对传统设计方法的扩展和改进,可为我国地源热泵技术的推广和应用提供必要的理论指导和技术支持。

关键词：竖直地埋管换热器不确定性设计方法热响应测试动态环境传热模型

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竖直地埋管换热器在地下工程中的应用研究

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暖通空调 2012年第9期42卷 25-30,34页

作者：茅靳丰李永张华耿世彬韩旭张俊林李伟华王利军解放军理工大学南京军区空军后勤部机场营房处

竖直地埋管换热器替代冷却塔用于地下工程中,有利于工程防护能力和能源效率的提高。探讨了地埋管换热器在地下工程中的应用形式,包括与冷热源和末端的联合使用;基于地下工程的负荷特点和时间特性及山区岩土体的特性,探讨了地埋管换热器... 详细信息

竖直地埋管换热器替代冷却塔用于地下工程中,有利于工程防护能力和能源效率的提高。探讨了地埋管换热器在地下工程中的应用形式,包括与冷热源和末端的联合使用;基于地下工程的负荷特点和时间特性及山区岩土体的特性,探讨了地埋管换热器的适用性,结果表明地下工程的热负荷特性有利于地埋管换热器周围温度场的恢复,岩土体较大的导热系数和渗流的存在有利于换热效率的提高;分析了地埋管换热器使用可能导致的热红外暴露问题,提出采用表面覆土的方法来解决这一问题,建议覆土厚度为2m。

关键词：竖直地埋管换热器地下工程温度场红外暴露负荷特性

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竖直地埋管换热器短时热响应建模及应用研究

竖直地埋管换热器短时热响应建模及应用研究

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作者：魏建平山东大学

学位级别：博士

地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的新型空调系统,是一项具有广阔发展前景的可再生能源利用技术,具有绿色、节能、环保和可再生的优点,近十几年来在我国得到了迅速的发展和应用。地埋管换热器是地源热泵系统与地下岩土交换热量的重... 详细信息

地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的新型空调系统,是一项具有广阔发展前景的可再生能源利用技术,具有绿色、节能、环保和可再生的优点,近十几年来在我国得到了迅速的发展和应用。地埋管换热器是地源热泵系统与地下岩土交换热量的重要部件,决定了整个系统的性能和成本。地埋管换热器的短时响应传热分析、建模及地下岩土的热物性参数是地源热泵系统设计、运行控制和性能优化的重要基础。因此建立适合地埋管换热器短时响应的传热模型及研究热物性参数的测量和估算方法具有重要的理论意义和应用价值。本文将当量管法引入到混合介质无限长线热源(CMILS)模型中,建立了适合短时响应传热分析的地埋管换热器解析模型。与CMILS模型相比,新建模型具有简洁的形式和较快的计算速度。通过与奥克拉荷马州立大学提供的沙箱实验数据、其他三个得到科研人员认可的解析模型和一个用于验证CMILS模型短时性能的数值模型的对比,验证了新建模型的性能。利用新建模型研究了不同当量半径计算方法的影响,并提出了一种新的计算当量半径的方法,比其他方法拟合精度更高。新方法综合考虑了钻孔几何结构及回填材料和岩土热物性参数对当量半径的影响,仿真表明提高回填材料导热系数将使当量半径变小,回填材料和岩土的热扩散率则对当量半径的影响非常小。利用新建模型研究了 U型管管脚间距的影响,仿真表明U型管管脚间距对地埋管换热器的性能影响很大,U型管管脚紧靠钻孔壁是理想配置,但实际中比较难安装,还需要研究好的途径来实现安装。利用新建模型建立了一种新的计算短时g-function的方法,通过与沙箱实验数据、其他解析模型计算的g-function、Yavuzturk的短时g-function及Eskilson的长期g-function的比较,验证了新方法的性能。该方法克服了Yavuzturk的短时g-function在时间很短时变为负数的缺点。针对现场热响应测试(TRT)对便携式设备的需求,开发了一体化现场热物性测试仪测控电路板,温度测量采用了一总线集成温度传感器DS18B20,流量测量采用了 TI公司的Scan IF旋转测量接口模块,电功率测量采用了Analog Devices公司的ADE7755,另外设计了 USB接口和微型打印机,方便数据的记录和存贮。整套测控系统满足国标"GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范"对现场测试的要求。利用新建模型,研究了现场热物性测试仪各测量参数对热响应测试的影响,其中流体平均温度误差对热响应测试的结果影响比较小,热流量对结果影响较大,并且是对回填材料和岩土的导热系数kg和ks都有影响,岩土初始温度误差也对kg和ks都有影响,但若提高流体平均温度与初始温度之间的温差到6℃以上,则初始温度误差对ks的影响就变的比较小,但对kg的影响依然很大,可将初始温度T0也作为被估参数,得到T0后,再用该T0的值重新计算kg,就可大大减小初始温度误差对kg的影响。流体平均温度与初始温度之间的温差到6℃以上可作为测试最短持续时长的判断标准。最后,改进了热响应测试参数估计的两步法。Bozzoli提出利用测试前期的数据计算回填材料导热系数k&和体积热容量Cg,利用测试后期的数据计算岩土的ks和Cs。但实际工程测试时初始温度T0的测量方法和测量误差以及热流量ql的测量误差对估算结果影响很大,故本文改进了 Bozzoli提出的两步法,通过分析各参数的灵敏系数,提出利用测试前期的数据计算kg、Cg和T0,利用测试后期的数据计算Ks、Cs和ql,通过伪TRT数据和沙箱实验数据验证了改进的两步法的效率。

关键词：竖直地埋管换热器解析模型短时热响应模型当量管法热响应测试

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竖直地埋管换热器换热能力影响因素研究

竖直地埋管换热器换热能力影响因素研究

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作者：蔡芸中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

本文在查阅大量资料的基础上,结合在全国不同地区浅层地热能场地勘查工作,从工程实践角度研究分析竖直地埋管换热器换热能力的影响因素,将其归结为地质因素、工程因素和运行因素三类,具体包括岩土体初始平均温度、地质结构、岩土热物性... 详细信息

本文在查阅大量资料的基础上,结合在全国不同地区浅层地热能场地勘查工作,从工程实践角度研究分析竖直地埋管换热器换热能力的影响因素,将其归结为地质因素、工程因素和运行因素三类,具体包括岩土体初始平均温度、地质结构、岩土热物性、水文地质条件、热源孔深度、换热器类型、回填材料、换热介质流速以及运行模式。研究结果表明岩土体初始平均温度与换热介质的温差与换热器换热能力呈正相关关系。岩土体初始平均温度与大气平均温度呈线性关系,可以通过大气平均温度定性判断竖直地埋管换热效率,二者成正比。岩石热物性普遍大于松散堆积层。岩石地层中,竖直地埋管换热器综合导热系数和热扩散率呈正相关,并且沉积岩（砂岩、灰岩）>变质岩（石英砂岩）>火成岩（玄武岩、安山岩）。在孔隙率约束下,岩土含水率与竖直地埋管换热器换热能力呈正相关。地下水渗流对竖直地埋管换热器的影响目前难以量化,可以作为辅助判断地埋管地源热泵开发利用浅层地热能的适宜性的一个重要参数。土壤的热物性客观反映着岩土体传导或者储存热能力的大小,并不直接影响换热器的换热效率,但是能反映换热器换热能力的大小。热源孔的换热能力随着深度的增加而增加的,但是单位换热效率会衰减并且成本同样会增加,因此热源孔深度的选择应结合项目情况综合确定。天津地区热源孔深度120 m既能获得较大的单位换热效率也能获得较大的单孔换热量,是比较适宜的热源孔深度。同样深度的双U型竖直地埋管换热器取热量比单U型高9.91﹪37.75﹪,排热量比单U高0.9﹪35.6﹪。实际地源热泵系统工程中适宜换热器类型选择应该结合工程造价、施工场地等因素综合确定。在200 m以浅以松散堆积物为主的地区,膨润土、水泥和砂1:1:3的配比混合回填料是比较好的选择,能获得约1.37 W/m℃的热导率,稳定性和透水性也较好。此外,原浆加中粗砂回填的热源孔也能获得较好的换热效率,而且材料成本以及施工成本均较低。试验了0.31、0.42、0.52、0.63和0.79 m/s五种换热介质流速下双U竖直地埋管换热器换热能力。换热器的进出口温差与介质流速呈负相关关系。在排热工况下,竖直地埋管换热器换热能力与介质流速成正比,介质流速大于0.52 m/s换热器换热效率增加明显变缓;在取热工况下,换热器换热能力在介质流速0.52 m/s时出现峰值。间歇运行从理论上利于提高竖直地埋管换热换热能力,但是需要配置更大功率的热泵机组,地源热泵系统初期投资势必会提高。

关键词：浅层地热能竖直地埋管换热器换热能力

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竖直地埋管换热器施工工艺研究

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铁道建筑技术 2018年第10期 93-97,105页

作者：黄璟瑜中铁房地产集团江苏置业有限公司江苏南京210037

竖直埋管具有占地面积小、单位面积换热量高等优点,是江苏地区应用较多的地源热泵系统埋管敷设形式。由于缺乏通用的、标准的施工工艺,导致竖直地埋管换热器施工质量影响整个系统的运行效果,进而局限了竖直地埋管地源热泵技术的推广使... 详细信息

竖直埋管具有占地面积小、单位面积换热量高等优点,是江苏地区应用较多的地源热泵系统埋管敷设形式。由于缺乏通用的、标准的施工工艺,导致竖直地埋管换热器施工质量影响整个系统的运行效果,进而局限了竖直地埋管地源热泵技术的推广使用。通过对多个地源热泵项目的施工服务调研以及多项国家相关课题研究,本文凝练出一套流程清晰、便于大型项目组织管理、保证施工质量、提高工作效率、含有针对性降低安全风险和环境损害措施的施工工艺标准。该工艺适用于各类新建建筑和既有建筑改造工程,适用于土壤及岩石地质,但不适用于地下有岩溶孔洞、采空区和国家规定的地下水资源保护区。

关键词：竖直地埋管换热器施工工艺标准控制措施

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竖直地埋管换热器传热性能影响因素分析及系统优化运行策略

竖直地埋管换热器传热性能影响因素分析及系统优化运行策略

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2009年全国热泵新技术及应用研讨会

作者：任艳陈超王永菲陈疆尹龙滨张羽北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系北京 100124

地埋管换热器的设计是地埋管地源热泵技术工程应用的关键和难点,本文以北京地区竖直单(双)U形地埋管换热器为分析对象,运用两种模拟计算方法,重点对冬夏不同工况下,管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深... 详细信息

地埋管换热器的设计是地埋管地源热泵技术工程应用的关键和难点,本文以北京地区竖直单(双)U形地埋管换热器为分析对象,运用两种模拟计算方法,重点对冬夏不同工况下,管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素,对钻孔深度为40m和100m地埋管换热器换热性能的影响规律进行了比较研究,并在此基础上结合典型工程案例的实测运行数据,提出了系统优化运行策略,以期为实际工程设计提供依据。

关键词：竖直地埋管换热器传热性能模拟实验运行策略系统优化

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基于层换热理论的竖直地埋管换热器设计方法

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暖通空调 2007年第9期37卷 35-39页

作者：王勇刘方付祥钊重庆大学

建立了地源热泵竖直地埋管换热器的三维传热温度场数学模型,模拟计算了不同季节不同工况下地埋管换热器内的水温分布。提出了层换热理论,竖直地埋管换热器及其周围岩土可以分为三个换热层——饱和换热层、换热层、未换热层。通过实测验... 详细信息

建立了地源热泵竖直地埋管换热器的三维传热温度场数学模型,模拟计算了不同季节不同工况下地埋管换热器内的水温分布。提出了层换热理论,竖直地埋管换热器及其周围岩土可以分为三个换热层——饱和换热层、换热层、未换热层。通过实测验证了该层换热理论。介绍了地埋管换热器埋深的确定、出水管的保温及流量的确定等。

关键词：地源热泵竖直地埋管换热器层换热理论三维传热

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