单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.012

综合智慧能源 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (4): 81-88.doi: 10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.012

• 技术探索与展望 • 上一篇

单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

刘媛媛¹(), 耿直¹^,²^,⁴^,^*(), 张元峰², 张良³, 韩昭³, 张斌¹

1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046
2.郑州航空工业管理学院航空发动机学院，郑州 450046
3.石家庄华电供热集团有限公司，石家庄 050041
4.清华大学能源与动力工程系，北京 100084

收稿日期:2023-03-24 修回日期:2023-04-04 接受日期:2023-04-25 出版日期:2023-04-25 发布日期:2023-05-06
通讯作者: 耿直
作者简介:刘媛媛（1989），女，工程师，硕士，从事地热能利用、综合智慧能源系统研究，liuyuanyuan@chec.com.cn。
基金资助:
中国华电集团科技项目(CHDKJ22-01-23);河南省青年人才托举工程计划项目(2022HYTP021);河南省住房城乡建设科技计划资助项目(HNJS-2022-K57);河南省土木建筑学会科技指导计划资助项目(202102)

Analysis of heat transfer characteristics and thermal-permeability coupling characteristics of single U-tube borehole heat exchangers

LIU Yuanyuan¹(), GENG Zhi¹^,²^,⁴^,^*(), ZHANG Yuanfeng², ZHANG Liang³, HAN Zhao³, ZHANG Bin¹

1. Huadian Zhengzhou Mechanical Design Institute Company Limited, Zhengzhou 450046, China
2. School of Aero Engine, Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China
3. Shijiazhuang Huadian Heating Supply Group Company Limited, Shijiazhuang 050041, China
4. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received:2023-03-24 Revised:2023-04-04 Accepted:2023-04-25 Online:2023-04-25 Published:2023-05-06
Contact: GENG Zhi
Supported by:
Science and Technology Program of China Huadian Corporation(CHDKJ22-01-23);Young Elite Scientists Sponsorship Program of Henan Province(2022HYTP021);Henan Housing and Urban-Rural Construction Science and Technology Plan(HNJS-2022-K57);Henan Civil Engineering and Architecture Society Supported Program(202102)

摘要/Abstract

摘要：

在“双碳”目标下，浅层地热能供暖（冷）作为一种新型的清洁能源利用形式得到广泛使用。为提高浅层地热能的利用效率，以我国北方某综合能源供暖（冷）项目土壤源热泵系统为研究对象，构建单井U型地埋管换热器的三维非稳态传热模型，并利用Fluent软件分析其传热特性与热渗耦合特性。选取4.0，4.5，5.0 m等3个不同埋管间距和106.0，113.0，120.0 m等3种不同埋管深度，对地埋管换热器的换热总量及单位井深换热量分别进行对比分析。分析结果表明，埋管间距为 4.0 m、埋管深度为106.0 m时，单井地埋管换热器的换热效果最佳。对无渗流和有渗流及不同渗流速度下地埋管换热器温度场进行对比分析，结果表明，地下水渗流会对地埋管换热器换热效率带来正向影响，并且随着渗流速度的增加，换热效果更好。上述分析为实际工程的地埋管方案设计提供参考依据。

关键词: 地热能, 土壤源热泵, 地埋管换热器, 传热特性, 热渗耦合, 清洁能源, 双碳

Abstract:

To achieve the "dual carbon" target， shallow geothermal energy heating（cooling），a new utilization form of clean energy， has been widely applied. To improve the efficiency of geothermal energy， taking the ground source heat pump of an integrated energy heating（cooling） system in northern China as the research object， a 3D unsteady-state heat transfer model of a single U-tube borehole heat exchanger （BHE）was constructed， and its heat transfer characteristics and coupling characteristics thermal conduction and groundwater seepage were analyzed by the software Fluent. Comparative analyses on the total transfer heat and transfer heat per unit length were made on the BHE with three different spacing distances（4.0，4.5 and 5.0 m） and three different tube lengths（106.0，113.0 and 120.0 m），respectively. The analysis results show that the BHE with 4.0 m spacing distance and 106.0 m tube length demonstrates the optimal performance. Comparing the temperature fields of the BHE with and without seepage flow， the results show that seepage flow exerts positive effect on the BHE heat transfer efficiency， and the faster the seepage flows， the higher the heat transfer efficiency is. The analyses above provide references for the design of practical examples of BHE projects.

Key words: geothermal energy, ground-source heat pump, borehole heat exchanger, heat transfer characteristics, coupling of thermal conduction and groundwater seepage, clean energy, dual carbon

中图分类号:

TK529

刘媛媛, 耿直, 张元峰, 张良, 韩昭, 张斌. 单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(4): 81-88.

LIU Yuanyuan, GENG Zhi, ZHANG Yuanfeng, ZHANG Liang, HAN Zhao, ZHANG Bin. Analysis of heat transfer characteristics and thermal-permeability coupling characteristics of single U-tube borehole heat exchangers[J]. Integrated Intelligent Energy, 2023, 45(4): 81-88.

图/表 14

表 1

表 2

表 3

图1

图2

图3

图4

表4

图5

图6

图7

图8

表5

图9

参考文献 20

[1]	中国建筑能耗研究报告2020[J]. 建筑节能, 2021, 49(2):1-6.
	China building energy consumption annual report 2020[J]. Building Energy Efficiency, 2021, 49(2):1-6.
[2]	龙惟定, 梁浩. 我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨[J]. 暖通空调, 2021, 51(4):1-17.
	LONG Weiding, LIANG Hao. Discussion on paths of carbon peak and carbon neutrality of urban buildings in China[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2021, 51(4):1-17.
[3]	江亿. 我国建筑能耗趋势与节能重点[J]. 建设科技, 2006(7):10-13,15.
	JIANG Yi. The trend and important energy efficiency points in our country[J]. Construction Science and Technology, 2006(7):10-13,15.
[4]	范时光, 徐新华, 陈焰华. 夏热冬冷地区住宅建筑生活热水系统不同热源能效、㶲及碳排放分析[J]. 建筑节能, 2023, 51(1):34-39.
	FAN Shiguang, XU Xinhua, CHEN Yanhua. Analysis of energy efficiency, exergy and carbon emission of different heat sources for domestic hot water system in residential buildings in the hot summer and cold winter region[J]. Journal of Building Energy Efficiency, 2023, 51(1):34-39.
[5]	龙惟定, 潘毅群, 王皙. 碳中和城市建筑能源系统(3): 负荷篇[J]. 暖通空调, 2022, 52(9):1-14.
	LONG Weiding, PAN Yiqun, WANG Xi. Building energy system of carbon neutrality cities(3):Load[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2022, 52(9):1-14.
[6]	赵军, 李扬, 李浩, 等. 中低温能源在中国[J]. 太阳能学报, 2022, 43(2):250-260. doi: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0227
	ZHAO Jun, LI Yang, LI Hao, et al. Mid/low temperature energy in China[J]. Acta Energiac Solaris Sinica, 2022, 43(2):250-260.
[7]	姜曙, 刘芳芳, 刘媛媛, 等. “地热能+”在工程实践中的综合梯级应用[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9):59-64. doi: 10.3969/j.issn.2097-0706.2022.09.008
	JIANG Shu, LIU Fangfang, LIU Yuanyuan, et al. Comprehensive cascade application of "geothermal energy +" in engineering practice[J]. Integrated Intelligent Energy, 2022, 44(9):59-64. doi: 10.3969/j.issn.2097-0706.2022.09.008
[8]	董清明, 朱启波, 董谷雨. 地源热泵技术在暖通空调节能中的应用[J]. 智能城市, 2020, 6(10):129-130.
	DONG Mingqing, ZHU Qibo, DONG Guyu. Application of ground source heat pump technology in energy saving of HVAC[J]. Intelligent City, 2020, 6(10):129-130.
[9]	刁乃仁, 方肇洪. 地源热泵——建筑节能新技术[J]. 建筑热能通风空调, 2004(3):18-23.
	DIAO Nairen, FANG Zhaohong. Ground source heat pumps—A promising technology for energy conservation in buildings[J]. Building Energy & Environment, 2004(3):18-23.
[10]	王贵玲, 杨轩, 马凌, 等. 地热能供热技术的应用现状及发展趋势[J]. 华电技术, 2021, 43(11):15-24.
	WANG Guilig, YANG Xuan, MA Ling, et al. Status quo and prospects of geothermal energy in heat supply[J]. Huadian Technology, 2021, 43(11):15-24.
[11]	田信民, 于彦, 唐永香. 地埋管换热能力测试方法研究[C]// 地温资源与地源热泵技术应用论文集(第三集).地质出版社, 2009:142-147.
[12]	乔卫来, 陈九法, 薛琴, 等. 地埋管热响应测试及数据分析方法[J]. 流体机械, 2010, 38(6):60-63,40.
	QIAO Weilai, CHEN Jiufa, XUE Qin, et al. In-situ thermal response test and data analysis[J]. Fluid Machinery, 2010, 38(6):60-63,40.
[13]	司子辉. U型竖埋管式地源热泵热响应测试物性参数研究[J]. 安徽建筑, 2017, 24(3):197-199.
	SI Zihui. Research on physical property parameters of U-type ground source heat pump thermal response test[J]. Anhui Architecture, 2017, 24(3):197-199.
[14]	高原原, 高留花, 赵军. 土壤源热泵系统长期运行特性试验分析[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2012, 39(1):105-108.
	GAO Yuanyuan, GAO Liuhua, ZHAO Jun. GSHPS analysis of long-term operating characteristics[J]. Journal of North China Electric Power University (Natural Science Edition), 2012, 39(1):105-108.
[15]	刘文学. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2007.
	LIU Wenxue. Experiment study on heat transfer of underground heat exchanger for ground source heat pump[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2007.
[16]	于明志, 贺泽群, 毛煜东, 等. 地埋管换热器分区运行对地源热泵系统运行经济性影响的模拟研究[J]. 太阳能学报, 2022, 43(1):205-212.
	YU Mingzhi, HE Zequn, MAO Yudong, et al. Influence of ground heat exchanger zoning operation on operation economy of ground source heat pump systems[J]. Acta Energiac Solaris Sinica, 2022, 43(1):205-212.
[17]	INGERSOLL L R, ZOBEL O J, INGERSOLL A C. Heat conduction with engineering,geological,and other applications[J]. Physics Today, 2009, 8(3). DOI:10.1063/1.3061951. doi: 10.1063/1.3061951
[18]	KAVANAUGH S P. Simulation of vertical U-tube ground-coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution[J]. ASHRAE Transactions, 1956, 97(1): 287-295.
[19]	WAGNER V, BLUM P, KUEBERT M, et al. Analytical approach to groundwater-influenced thermal response tests of grouted borehole heat exchangers[J]. Geothermics, 2013, 46:22-31. doi: 10.1016/j.geothermics.2012.10.005
[20]	ANGELOTTI A, ALBERTI L, LA LICATA I, et al. Energy performance and thermal impact of a borehole heat exchanger in a sandy aquifer influence of the groundwater velocity[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 77:700-708. doi: 10.1016/j.enconman.2013.10.018

模型参数	数值
埋管深度（l)/m	106.0/113.0/120.0
埋管间距(s)/m	4.0/4.5/5.0
钻孔直径/mm	168
U型管进、出口管间距/mm	64
U型管内/外径/mm	26/32

材料	密度/(kg·m^-3)	比热容/[J·(kg·K)^-1]	导热系数/[W·(m·K)^-1]
水	1 000	4 182	0.60
PE100	950	2 300	0.45
回填材料	2 600	330	2.00
土壤	1 600	1 824	2.26

项目	网格数量
项目	2 412 542	2 449 066	2 744 906
出口温度/K	296.748	296.749	296.749
温度变化百分比/%	0	0.000 3	0.000 3

项目	埋管间距/m
项目	4.0	4.5	5.0
入口温度/K	299.81	299.81	299.81
出口温度/K	296.75	296.80	296.86
换热总量/J	8 640.828	8 499.638	8 330.210
单位井深换热量/(W·m^-1)	72.01	70.83	69.42

项目	埋管深度/m
项目	106.0	113.0	120.0
进口温度/K	299.81	299.81	299.81
出口温度/K	296.96	296.87	296.75
换热总量/J	8 047.830	8 301.972	8 640.828
单位井深换热量/(W·m^-1)	75.92	73.47	72.01

单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

Analysis of heat transfer characteristics and thermal-permeability coupling characteristics of single U-tube borehole heat exchangers

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	胡玮麟, 谭梦娇, 朱艺, 张轩, 李辉, 杨海平. 生物质储藏技术研究进展[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(5): 80-85.
[2]	孙健, 王寅武, 吴可欣, 陶建龙, 秦宇. 综合能源系统中热泵技术研究与应用[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(4): 1-11.
[3]	孙健, 秦宇, 王寅武, 吴可欣, 戈志华. 基于新型工质热泵的烟气余热回收优化温度研究[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(4): 19-25.
[4]	窦子慧, 刘景霞, 李宝利. 严寒地区太阳能跨季节蓄热热泵系统研究[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(4): 52-58.
[5]	孙方田, 赵晓晴, 许婉晴, 郝宝如, 谢永华. 基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统效益分析[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(4): 69-73.
[6]	李华, 陆明璇, 佟永吉, 仲崇飞. 态势感知技术在新型电力系统运行中的应用[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(3): 24-33.
[7]	李琦, 王放放, 杨鹏威, 赵光金, 刘晓娜, 马双忱. 火电厂灵活性改造背景下储能技术应用现状与发展[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(3): 66-73.
[8]	曾慧, 杜源, 李涛, 薛屹洵, 孙开元, 夏天, 孙宏斌. 考虑碳交易与绿证交易的电-热耦合园区低碳规划[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(2): 22-29.
[9]	张金平, 周强, 王定美, 李津, 刘丽娟. 太阳能光热发电技术及其发展综述[J]. 综合智慧能源, 2023, 45(2): 44-52.
[10]	李彬, 胡纯瑾, 王婧. 基于EEMD-BiLSTM的可调节负荷预测方法[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 33-39.
[11]	王开亭, 李小斌, 张红娜, 刘糁, 曲凯阳, 李凤臣. 集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 40-50.
[12]	姜曙, 刘芳芳, 刘媛媛, 陈启召, 连丽, 任梦楠. “地热能+”在工程实践中的综合梯级应用[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 59-64.
[13]	高圆, 李智, 李甲鸿, 高九涛, 李成新, 李长久. 金属支撑固体氧化物燃料电池技术进展[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(8): 1-24.
[14]	许阳森, 张磊, 毕磊. 中温质子导体固体氧化物燃料电池的发展与挑战[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(8): 68-74.
[15]	喻小宝, 章天浩, 邓思维. 数字化背景下电力数据要素定价机制优化研究[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(7): 81-89.