第十二届地源热泵高层论坛
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刁乃仁所长:考虑土壤热平衡的影响因素

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  来源:地源热泵网     发布日期:2017-10-30
核心提示:山东建筑大学热能工程学院教授、地源热泵研究所所长刁乃仁:从热力学角度看,浅层地热能为地球表层的一种低品位能量。其地下岩土层单位体积所含能量较低,属于不良热导体,但是一个性能良好的蓄热体。
 地热大咖东营论剑 共创共赢地源热泵行业美好明天

——海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛观点摘登

      编者按:2017年8月17-19日,“海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛”在山东东营盛大召开。来自全国各地的地源热泵企业、政府部门、行业协会、大专院校、房地产开发商、设计院、地源热泵及地热能等相关单位的800余位专业人士出席大会。中国地源热泵行业高层论坛作为业界规格最高、规模最大、影响最广的盛会,已成为凝聚行业共识,推动交流合作,促进行业发展的重要平台。与会嘉宾围绕“新形势 新挑战 新机遇”主题,大家畅所欲言,提出真知灼见,为我国地热能产业发展迈上新台阶出谋划策。地源热泵网摘取部分嘉宾精彩观点,以飨读者。

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      山东建筑大学热能工程学院教授、地源热泵研究所所长刁乃仁:从热力学角度看,浅层地热能为地球表层的一种低品位能量。其地下岩土层单位体积所含能量较低,属于不良热导体,但是一个性能良好的蓄热体。

      蓄热式换热器是指通过多孔填料或基质的短暂能量储存,将热量从一种流体传递到另外一种流体(或固体)。利用浅层地温变化较小和岩土体蓄能的特点,充分利用地下恒温层这一良好的蓄热体属性。保证年周期内蓄冷量与蓄热量的基本平衡,是地埋管地源热泵长期可靠高效运行的技术要求。

      我国地域辽阔,具有浅层岩土温度变化较大的典型特点,如北京地区地下200 米以内的地下岩土层温度约为15℃~17℃,广州22℃~24℃。寒冷及严寒气候下的区域,浅层地下岩土温度较低,哈尔滨为6℃~8℃。低温环境对于夏季释热是有利的,但冬季取热难度较大。寒冷气候条件下(如山东省)建筑物的冷负荷相对较少,热负荷需求量大,这与岩土体的取热蓄热能力不匹配。寒冷地区用地源热泵一般取热量大于释热量,通过地心、太阳辐射及基于岩土体热平衡的“自恢复能力”得到的热能能否在有效时间内补充地埋管提取的热量,需视具体的资源性条件和系统性条件而定。

      地热传热理论与实验研究目标概况为以下五点:一是地埋管群布置及其体形系数的优化。分析在不同钻孔布置及形状下,岩土体温度变化规律,探讨岩土体在不同钻孔体形系数下地下能流分布的特征,提出钻孔群优化布置方案。二是岩土体蓄能与释能优化控制。通过改变从岩土体中取热时间、空间及强度,调控岩土体蓄能与释能过程,实现能量在岩土体中的再分布,降低局部钻孔冷热量堆积效应。三是探讨多工况下岩土体温度变化规律,温度场分布特征。四是分析地埋管群温度趋向一致的能力及其热响应半径。五是复合能源系统的优化与控制。

      通过实验研究,地埋管蓄热换热器温度趋向一致能力的分析显示,单一或少量地埋管,地埋管间影响很小,有利于换热体热平衡自恢复。换热体较大(地埋管较多)的温度场相互影响,其土壤热平衡自恢复能力大大减弱,恢复时间大大延长。随着可利用温差逐渐变小,换热速率(强度)降低、减慢,达到基本平衡需要数月或数年的时间;当日、当月或当季的所存取热量,主要基于换热体自身所存取热量能力,因此首先换(蓄)热体要满足系统当季存取热量需要,在此基础上,充分考虑土壤热平衡的自恢复能力。

      地埋管群优化方法可总结为以下几点:一是埋管外密内疏优化设计方案与传统设计方式相比均改善了温度场波峰或低谷现象,即合理减少中心区域埋管数量(或增大间距),可获得明显的优化效果。二是优化后中心线上地埋管换热皆优于传统方案,部分位置相比传统设计略有恶化(如拐角处),靠近中心区域,换热效果改善明显。三是土壤热扩散系数越小,采用中间布管稀疏、外围布管紧密的优化设计方案的效果愈加明显,更适宜采用优化设计方案布管。

       注:如需引用本文素材,请注明资源来源自地源热泵网,并注明消息源“海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛”。

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