中深层套管式换热器可持续供热性能及优化设计简析
中深层地源热泵供暖系统运行策略优化分析
中深层地源热泵供暖系统运行策略优化分析王伟河北金融学院摘 要： 本文以河北省邯郸市某中深层地源热泵供暖系统为工程案例， 首先采用分段方法建立了闭式 U 型井换 热器的传热解析模型， 并通过实际监测数据对该模型进行了有效性验证， 并结合热泵模型， 循环水泵模型以及板式换热器模型构建了整个中深层地源热泵供暖系统的仿真模型。
应用该模型， 探讨了在不同负荷需求下不同循环 流量组合对系统运行效率的影响， 得到了中深层地源热泵供暖系统长期运行时的最优运行策略。
关键词： 深层地热井 传热解析模型 运行策略 系统效率Optimization analysis of operation strategy of mediumand deep ground source heat pump heating systemWANG Wei Hebei Finance UniversityAbstract: Taking a medium and deep ground source heat pump heating system in Handan City,Hebei Province as an engineering case,firstly,the heat transfer analytical model of closed uwell heat exchanger is established by using the subsection method,and the effectiveness of the model is verified by the actual monitoring bined with the heat pump model,circulating water pump model and plate heat exchanger model,the simulation model of the whole medium and deep ground source heat pump heating system is ing this model,the influence of different circulating flow combinations on the system operation efficiency under different load demand is discussed,and the optimal strategy of medium and deep ground source heat pump heating system for longterm operation is obtained.Keywords:deep geothermal well,heat transfer analytical model,operation strategy,system efficiency收稿日期： 20201229 作者简介： 王伟 （1973~）， 男， 大学， 高工； 河北保定市河北金融学院 （071000）； Email:**************** 基金项目： 河北省重点研发计划项目 （18274603D ）0 引言在中深层地热的利用中，闭式U 型井下换热器联 合热泵是一种常见的供热系统[1]。
基于BP算法的中深层同轴套管换热量预测
第36卷第2期2024年3月岩性油气藏LITHOLOGIC RESERVOIRSV ol.36No.2Mar.2024收稿日期：2023-08-24；修回日期：2023-10-09；网络发表日期：2023-12-05基金项目：中石油重大科技攻关项目“干热岩资源勘探开发关键技术研究”（编号：2022DJ5503）资助。
第一作者：熊波（1979—），男，博士，教授，主要从事地热能开发利用及智慧能源研究方面的工作。
地址：（518000）广东省深圳市南山区南山大道1110号中国石油大厦。
Email ：***********************.cn 。
通信作者：朱冬雪（1990—），男，硕士，副研究员，研究方向为地热能开发利用。
Email ：****************。
文章编号：1673-8926（2024）02-0015-08DOI ：10.12108/yxyqc.20240202引用：熊波，朱冬雪，方朝合，等.基于BP 算法的中深层同轴套管换热量预测［J ］.岩性油气藏，2024，36（2）：15-22.Cite ：XIONG Bo ，ZHU Dongxue ，FANG Chaohe ，et al.Heat transfer prediction of medium and deep coaxial casing based on BPalgorithm ［J ］.Lithologic Reservoirs ，2024，36（2）：15-22.基于BP 算法的中深层同轴套管换热量预测熊波，朱冬雪，方朝合，王社教，杜广林，薛亚斐，莫邵元，辛福东（中石油深圳新能源研究院有限公司，广东深圳518000）摘要：通过搭建热泵测试试验台，进行多工况试验获取试验数据来建立BP 神经网络同轴套管换热量预测模型，并进行仿真模拟，对同轴套管换热量进行预测。
结果表明：①热泵系统在水流量28m 3/h 、回水温度10℃的工况下稳定运行能效最高，同轴套管有效换热量为563kW 。
中深层换热技术
中深层换热技术
中深层换热技术是一种新型的换热技术，通过在地下进行热交换来实现能量的转移，
同时减少了环境对系统影响，是目前应用较为广泛的一种节能环保技术。
中深层换热技术通过钻孔将U型管埋设在地下几十米深处，将介质通过泵送到U型管
中进行热交换，从而实现能量的转移。
而地下温度稳定，不受季节影响，并且温差较大，
可提供丰富的热能资源，因此中深层换热技术成为了一种优秀的节能环保技术。
中深层换热技术一般应用于以下几个方面：
1. 居民区供暖：在居民区地下安装中深层换热设备，将空调、供暖等设施与地下热
能资源对接，实现节能环保目的。
2. 工业领域：中深层换热技术具有较高的温差和稳定性，可应用于工业生产领域，
如钢铁、化工等行业，实现热能转移。
3. 地热发电：采用中深层换热技术可实现地热发电，提高电力的可再生能源规模。
1. 节能环保：中深层换热技术利用地下的热能资源进行能量转移，不产生污染，具
有较高的节能环保效果。
2. 具有稳定性：地下温度稳定，不受季节影响，因此中深层换热技术具有较高的稳
定性和长期性。
3. 空间占用小：中深层换热技术采用地下埋设的U型管进行热交换，不占用地面空间，可实现地上空间的节约。
4. 应用范围广：中深层换热技术可应用于居民区、工业领域、地热发电等领域，具
有广泛的应用价值。
中深层换热技术是当前应用较为广泛的一种节能环保技术，具有众多的优势，应用前
景良好。
技术研发以及系统化的应用和维护将进一步推动中深层换热技术的发展。
换热套管优化方案
换热套管优化方案引言换热套管是工业生产中常用的设备，用于传递热量。
为了提高换热效率和节约能源，需要对换热套管进行优化。
本文将介绍一些换热套管的优化方案。
换热套管的问题在使用换热套管过程中，常常出现以下问题：1.热能损失：由于换热套管的结构和材料限制，会导致热能的损失，从而影响换热的效果。
2.温度不均匀：换热套管的结构和材料不同，导致不同部分的温度分布不均匀，影响换热效率。
3.压降大：换热套管内流体流动的阻力较大，导致压降大，影响流体流动效果。
为了解决这些问题，可以采用以下优化方案。
优化方案一：改善换热套管的材料换热套管的材料直接影响着换热效果和热能损失。
选择合适的材料可以改善换热套管的性能。
1.选择导热性能好的材料：导热性能好的材料可以快速传导热量，减少热能损失。
2.选择耐腐蚀性好的材料：耐腐蚀性好的材料可以延长换热套管的使用寿命。
3.选择隔热性好的材料：隔热性好的材料可以减少热能损失，提高换热效率。
优化方案二：改变换热套管的结构换热套管的结构也会对换热效率产生影响，通过改变结构可以提高换热效果和流体流动效果。
1.增加换热面积：增加换热面积可以提高换热效率，可以通过增加换热管的长度或者增加换热管的数量实现。
2.改变换热管的形状：改变换热管的形状可以改善流体流动，减小压降，提高流体流动效果。
3.设计换热套管的流道形状：合理设计换热套管的流道形状可以改善流体流动，减小压降，提高换热效果。
优化方案三：优化流体流动流体流动对换热效果也有影响，在优化流体流动方面可以采取以下措施：1.优化流体进出口的设计：合理设计流体进出口可以减小压降，提高流体流动效果。
2.使用流体增强技术：使用流体增强技术可以改善流体流动，提高换热效果。
3.控制流体的流速：适当控制流体的流速可以改善流体流动，提高换热效率。
优化方案四：监测和维护换热套管换热套管的监测和维护也是优化换热效果的重要环节。
1.定期检查换热套管的状态：定期检查换热套管的状态可以发现问题并及时修复，减少热能损失。
中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析
中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析令兰宁;姚尔人;孙昊;李瑞雄;邹瀚森;王焕然;席光;张孙孝【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2024(58)1【摘要】针对地热能发电技术效率低、稳定性差的问题,提出一种兼具同轴套管取热技术和压缩空气储能技术特点的中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统,通过建立系统的热力学模型,研究了典型工况下系统关键参数和热力学性能的演化规律,揭示了不同运行特征下地热恢复与提取的动态机制。
研究结果表明:储能发电系统的运行分为非稳定循环和稳定循环阶段,在非稳定循环阶段中,热提取量和膨胀机输出功随循环次数的增加而增加,而热补偿量和系统效率呈相反趋势变化;当热提取量、热补偿量和地热消耗量达到平衡时,储能发电系统从第8次循环进入稳定循环阶段,稳定循环中各参数不随循环次数改变,单次循环输出电量为47 956.7 kW·h,系统效率达到63.5%;通过提升压缩机压比和补热水流量可以提升地热恢复温度:当压缩机压比由6提升至7时,深度为1 300 m、半径为0.116 m处,岩土温度多提升4.3℃,当补热水流量由4.5 m^(3)/h提升至6 m^(3)/h,同一处岩土温度多提升6.4℃,该研究为提高地热能发电效率和稳定性提供了新方案。
【总页数】12页(P126-137)【作者】令兰宁;姚尔人;孙昊;李瑞雄;邹瀚森;王焕然;席光;张孙孝【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院;长安大学建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TK02【相关文献】1.中深层同轴套管换热器冬季取热性能数值模拟研究2.中深层同轴套管式地埋管换热器取热特性3.中深层同轴套管式换热器换热性能实验4.关中地区中深层同轴套管换热器换热能力及提升措施研究5.LNG冷能与中深层地热能驱动的发电系统性能分析与优化因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
中深层地埋套管式换热器及热泵供暖系统应用分析
2023年7月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y第25卷 第14期收稿日期:2023-07-07作者简介:狄多浩(1994-),男,工程师,研究方向为供暖通风。
狄多浩(上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司,兰州730030)摘要:中深层地源热泵统是通过提取地下2000m左右的中深层地热能给建筑供热的热泵系统,提供了较高温度的热源,从而明显改善了热泵的能量性能。
中深层地源热泵统受制于场地、初投资等方面的影响,在国内外研究内容相对较少,且研究内容多没有详细的测试数据。
本文通过数值模拟套管式换热器内外管径比、钻孔深度等关键因素展现对中深层地源热泵的供暖影响,给出换热量,能效比(C O P)等参数可供参考。
从2月1日到3月31日,本文对中深层地源热泵进行了为期2个月的工程测试,热源系统累计消耗电能为64887k W h;热源系统平均C O P为3.47;宿舍全天温度基本维持在18℃以上,满足供暖需求,得出中深层地源热泵具有节能环保,运行稳定等特点,对其进一步理论研究和推广具有重要意义。
关键词:清洁供暖;中深层地源热泵;C O P中图分类号:T U83 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2023)14-0259-07A n a l y s i s o f t h eA p p l i c a t i o no fM i d-D e e p-B u r i e dP i p eH e a tE x c h a n g e r sa n dH e a t P u m p H e a t i n g S y s t e m sD i D u o h a o(,730030,)A b s t r a c t:T h em i d-d e e pg e o t h e r m a l h e a t p u m p s y s t e me x t r a c t s g e o t h e r m a l e n e r g y f r o mt h em i d-d e e p l a y e r s o f t h e e a r t h,a p p r o x i m a t e l y2000m e t e r s u n d e r g r o u n d,t o p r o v i d e h e a t i n g f o r b u i l d i n g s.T h i s s y s-t e m p r o v i d e sah i g h e r t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e,s i g n i f i c a n t l y i m p r o v i n g t h ee n e r g yp e r f o r m a n c eo f t h eh e a t p u m p.T h em i d-d e e pg e o t h e r m a l h e a t p u m p s y s t e mi s l i m i t e db y f a c t o r s s u c h a s s i t e c o n d i t i o n s a n di n i t i a l i n v e s t m e n t,a n d t h e r e i s r e l a t i v e l y l i t t l e r e s e a r c ho n i t b o t hd o m e s t i c a l l y a n d i n t e r n a t i o n a l l y.F u r-t h e r m o r e,m a n y r e s e a r c hs t u d i e s l a c kd e t a i l e d t e s t d a t a.T h i s p a p e r u s e s n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t od e m o n-s t r a t e t h e i m p a c t o f k e y f a c t o r s s u c ha s t h e r a t i oo f i n n e r a n do u t e r t u b ed i a m e t e r s a n dd r i l l i n g d e p t ho n t h eh e a t i n gp e r f o r m a n c e o f t h em i d-d e e pg e o t h e r m a l h e a t p u m p s y s t e m.I t p r o v i d e s a f e r e n c e p a r a m e t e r s s u c ha s h e a t t r a n s f e r c a p a c i t y a n dC O P.F r o m F e b r u a r y1s t t o M a r c h31s t,t h i s p a p e r c o n d u c t e da2-m o n t he n g i n e e r i n g t e s to nt h e m i d-d e e pg e o t h e r m a lh e a t p u m p s y s t e m.T h ec u m u l a t i v ee n e r g y c o n-s u m p t i o no f t h eh e a t s o u r c e s y s t e m w a s64887k W h.T h e a v e r a g eC O Po f t h e h e a t s o u r c e s y s t e m w a s3.47.T h e t e m p e r a t u r e i n t h e d o r m i t o r y w a sm a i n t a i n e d a b o v e18℃t h r o u g h o u t t h e d a y,m e e t i n g t h e h e a t-i n g d e m a n d.I t c a nb e c o n c l u d e d t h a t t h em i d-d e e p g e o t h e r m a l h e a t p u m p h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e n e r-g y s a v i n g,e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n,a n d s t a b l e o p e r a t i o n.F u r t h e r t h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n d p r o m o t i o no f t h i s t e c h n o l o g y a r e o f g r e a t s i g n i f i c a n c e.K e y w o r d s:1 引言北方地区量大、刚性的供暖需求,及其对化石能源的过渡依赖,给环境带来了巨大压力[1,2],为此,我国正大力推行清洁供暖及现有热源的清洁化改造,其中,绿色高效、节能环保的热泵供暖系统倍952Copyright©博看网. All Rights Reserved.2023年7月绿色科技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y)第14期受青睐[3,4]。
供热管网设计中的能效优化与传热性能分析
124 |R E A L E S T A T E G U I D E供热管网设计中的能效优化与传热性能分析王建清 (托克托县政务服务中心 内蒙古 呼和浩特 010200)[摘 要] 供热管网在城市能源系统中扮演着至关重要的角色,直接影响着居民生活和工业生产㊂然而,其能效优化和传热性能一直备受关注㊂随着社会对节能减排的日益迫切需求,供热管网的设计和运行必须更加高效和环保,以实现资源的有效利用和能源的可持续发展㊂因此,对供热管网系统进行详细的分析研究,寻求优化方案,具有重要的现实意义和深远的社会影响㊂[关键词] 供热管网设计;能效优化;传热性能[中图分类号]T U 995.3 [文献标识码]A [文章编号]1009-4563(2024)06-124-02引言供热管网作为城市能源系统中至关重要的组成部分,其设计与运行直接关系到能源利用效率和环境保护㊂能效优化和传热性能分析是当前供热领域亟待解决的核心问题,尤其在节能减排形势下更加迫切㊂通过深入研究供热管网设计中的能效优化与传热性能分析,不仅可以提高能源利用效率,降低能源消耗,减少温室气体排放,还能提升供热系统的运行稳定性和环保性㊂1 能效优化的理论基础能效优化在供热管网设计中至关重要,其理论基础涵盖多个方面㊂能源管网系统概述包括对整体能源流动和转换的认识,为系统优化提供基础㊂能效优化需要关注关键参数与指标如输送效率㊁热损失等,通过这些指标评估系统性能并制定优化方案㊂传热机理和热损失源的分析也是重要部分,深入了解能量传递过程和损失来源可有效改善系统效率㊂综合考虑这些基础理论,能效优化可通过合理布局管道㊁选择高效材料㊁优化运行参数等方式实现,提高供热系统整体能效水平,为城市能源节约和环保发展做出贡献㊂2 供热管网设计中的能效优化方法2.1 设计思路和原则在供热管网设计中,设计思路和原则决定了系统能效优化的方向和方法㊂设计思路应该以最大限度减少能量损失为核心,同时考虑系统的稳定性和可靠性㊂设计原则包括合理布局管网㊁选择低传热损失材料㊁减少管道弯曲㊁优化管道直径和厚度等措施,以降低传热阻力和损失㊂设计时需充分考虑实际运行情况,确保设计方案可操作性和可维护性,提高系统运行效率㊂综合利用建模仿真和实地测试数据,不断验证和调整设计方案,以确保最终设计符合能效优化要求,并可持续推动城市供热系统的发展㊂2.2 管网布局与结构优化在供热管网设计中,管网布局与结构优化是关键步骤㊂在管网布局方面,应考虑减少输送距离㊁降低管道分岐和弯折数量,以减小传热阻力和损失㊂通过合理的布局,可实现能源传递的高效性和稳定性㊂在结构优化方面,选择低传热损失的管道材料㊁合理设置绝缘层㊁优化管径和长度比等措施也至关重要㊂例如,选择导热性好的材料㊁增加夹层隔热设计等方式,可以有效减少热损失并提高传热效率㊂另外,管道间连接方式的设计也需要注意,采用密封性好的连接方式可以避免能量泄漏㊂通过管网布局与结构优化,不仅可以降低系统运行成本,还可以提高整体能效,推动城市供热系统朝着节能环保和可持续发展的方向不断前进㊂2.3 管道材料选择与绝缘在供热管网设计中,管道材料选择和绝缘层布置直接影响着系统的能效表现㊂在材料选择方面,应优先考虑导热系数低㊁耐腐蚀性好㊁机械强度高的材料,如玻璃钢㊁不锈钢等,以减少传热阻力和损失㊂同时,考虑管道的耐久性和使用寿命,选用具有抗腐蚀㊁耐高温特性的材料,以确保系统长期稳定运行㊂此外,在管道外部设置有效的绝缘层可有效降低热损失㊂绝缘材料应选择导热系数低㊁隔热性好的材质,并确保绝缘层安装牢固㊁无漏气现象㊂通过合理的材料选择和绝缘设计,可以降低系统的能耗和运行成本,提高整体传热效率,实现供热系统的能效优化目标㊂因此,在设计阶段就要充分考虑管道材料和绝缘层的选择,结合系统特点和需求,制定合适的方案,以提高系统的能源利用效率和环境友好性㊂2.4 运行参数优化在供热管网设计中,优化运行参数是实现能效优化的关键之一㊂需要根据实际情况调整供热温度㊁流量和压力等参数,以确保不仅能够满足供热需求,同时又尽量减少能源消耗㊂运行参数的优化还包括对系统控制策略的制定,如采用智能控制系统进行温度和压力的实时监测和调节,以实现及时响应和精准控制㊂定期进行系统性能评估和调整,对运行参数进行动态优化也是必要的㊂通过不断调整运行参数,可以优化系统的能效表现,提高传热效率,降低能耗,延长设备寿命㊂因此,在设计和运行阶段,都需要密切关注运行参数的优化,并结合实际情况采取相应的措施,从而实现供热管网系统的能效最大化㊂2.5 制备热负荷预测和调度控制在供热管网设计中,制备热负荷预测和调度控制是实现能效优化的重要手段㊂热负荷预测是基于历史数据和建模分析,对未来一段时间内的热负荷进行准确估计㊂通过准确预测热负荷量,可以根据需要合理运行供热系统,避免能源浪费和过度消耗㊂调度控制是通过监控系统运行状态和热负荷变化,合理调整运行参数和控制策略,以实现系统的最佳功率分配和能源利用㊂例如,根据热负荷的相对变化,合理调整供热温度㊁流量等参数,以达到平衡供求并降R E A L E S T A T E G U I D E |125低能耗㊂为了制备热负荷预测和实施调度控制,可以采用先进的数据采集和处理技术,如传感器监测㊁数据分析㊁人工智能等㊂先进的控制系统可以实时监测热负荷变化,并根据实际需求调整供热系统的运行状态㊂通过合理制备热负荷预测和调度控制,可以使供热管网系统更加智能化㊁高效化㊂准确的热负荷预测能够提前做出相应的调整,避免能源的浪费和过度消耗㊂灵活的调度控制可以根据需要调整供热系统的运行参数,提高系统的能效水平㊂3 供热管网设计中的传热性能分析3.1 传热机理与热力学模型传热机理和热力学模型在供热管网设计中扮演着至关重要的角色,传热机理研究热量在管道内部传递的过程,包括传导㊁对流和辐射等多种方式,需要深入了解这些传热机制以优化传热效率㊂通过热力学模型分析传热过程中的能量转换和热损失,建立管网系统的数学模型来描述能量传递规律和性能特征,为系统优化提供理论指导㊂常用的传热模型包括传热方程㊁流体流动方程等,可通过有限元方法等数值模拟技术进行求解㊂基于热力学原理和实验数据,可以建立管道内部温度场㊁热扩散系数等参数的模型,帮助理解管网中热量的传递规律,并为优化设计提供依据㊂精确的传热模型和热力学模型可以帮助工程师更好地理解供热管网系统的工作原理,指导系统的稳定运行和能效优化㊂通过研究传热机理和建立合适的模型,可以针对不同管网结构和操作条件进行仿真分析,以找到最佳设计方案和运行参数,实现系统的高效供热和能源节约㊂3.2 管道内部传热性能分析管道内部传热性能分析是供热管网设计中的重要环节,通过深入分析管道内部的传热过程和性能,可以优化供热系统的能效和传热效率㊂管道内部的传热性能受到多个因素的影响,包括管道材料的导热特性㊁流体流动方式㊁管道壁面条件等㊂传热方程和热力学模型可用于描述管道内部的传热规律,并通过数值模拟方法计算管道壁面温度场㊁传热速率等参数㊂精确的传热性能分析需要考虑传热机制,如传导㊁对流和辐射㊂传导是热量通过固体材料自身传递的过程,对流是指流体通过管道内部对热量进行传递,辐射则是通过电磁波辐射传递热量㊂各种传热机制在管道内部相互作用,共同决定了传热效率和能耗㊂通过管道内部传热性能分析,可以确定合适的绝缘层材料和厚度㊂绝缘层的作用是降低能量损失,减少热量的外部散失㊂合理选择绝缘材料和优化绝缘层的布置方式,可以有效提高传热效率,减少能耗和热损失㊂管道内部传热性能分析是优化供热管网设计和提高能效的关键环节㊂3.3 管道间传热性能分析管道间传热性能分析是供热管网设计中的重要环节,在供热系统中,多个管道通常存在紧密排列和互相交叉的情况,因此,了解管道间传热性能对于提高系统的能效和优化热量传递至关重要㊂管道间的传热性能受到多个因素的影响,这些因素包括管道间距㊁管道材料的导热特性㊁管道壁面条件等㊂了解这些因素对热量传递过程的影响,可以帮助确定合适的布置方式和设计参数,以最大限度地提高传热效率㊂热动力学模型和计算传热方程可用于描述管道间的传热规律㊂通过数值模拟方法,可以计算出管道间壁面温度场㊁传热速率等参数㊂这些数据有助于评估传热效率和热损失,并为优化设计和操作提供依据㊂合理的绝缘层材料和技术应用也是关键㊂绝缘层的作用是降低能量损失和热量的外部散失㊂对于管道间传热性能分析,选择适当的绝缘层材料和优化绝缘层的布置方式可以有效减少传热阻力和热损失㊂通过管道间传热性能分析,可以优化供热管网的设计和运行,提高传热效率和能效㊂合理的管道布局㊁选用高导热性材料㊁优化绝缘层技术等措施都有助于减少能耗和热损失㊂3.4 热负荷计算与传热平衡分析热负荷计算和传热平衡分析是供热管网设计中不可或缺的环节,热负荷计算是指通过对建筑物㊁设备等各项用热单位的需求进行统计和分析,确定供热系统需要提供的热量㊂准确的热负荷计算是确保供热系统能够满足实际需求的基础㊂传热平衡分析则是指在系统内部各个传热元件之间达成热平衡的过程㊂通过对整个系统的传热效率㊁传热方式和传热损失进行分析,可以找出传热过程中存在的问题和改进方案,以提高系统的传热性能㊂在热负荷计算过程中,需要考虑建筑物的热传递特性㊁气候条件㊁使用需求等因素,采用建筑能耗模型和传热计算软件进行精确计算㊂而传热平衡分析则需要对供热系统的传热流程㊁传热介质㊁传热载体等进行全面评估,确保系统在运行过程中实现稳定的传热平衡㊂通过热负荷计算和传热平衡分析,供热系统可以在设计阶段就充分考虑到热量需求和传热效率,为系统的高效运行提供基础㊂同时,不断对系统进行传热平衡分析,及时调整参数和优化设计,可以持续提升供热系统的性能,降低能耗和成本,实现能效最大化的目标㊂结束语供热管网设计中的能效优化与传热性能分析,深度探讨了供热系统能效优化的关键问题,通过传热性能分析为设计和运行提供科学依据㊂有效的能效优化和传热性能分析,不仅可以降低能源消耗㊁减少排放,也可以提升系统性能㊁延长设备寿命㊂参考文献[1] 桂伊佳.城市集中供热管网设计的研究[J ].城市建设理论研究(电子版),2024(01):134-136[2] 刘晓琼.城市供热管网优化设计分析研究[J ].科学技术创新,2023(24):173-176.[3] 张利志.供热管网工程施工质量的隐患与防治策略[J ].工程技术研究,2023,8(19):145-147[4] 罗江涛.室外供热管网工程设计要点探究[J ].建筑与预算,2023(07):49-51[5] 李子昂.一种供热管网管道支架基础及上部结构的设计计算及对比分析[C ]//天津大学,天津市钢结构学会.第二十三届全国现代结构工程学术研讨会论文集.[出版者不详],2023:6。
传热管道的优化设计与热性能分析
传热管道的优化设计与热性能分析在工业生产和生活中，传热过程是不可或缺的一环。
传热管道作为热能传递的主要通道之一，其设计与性能直接影响着传热效果和能源利用效率。
本文将针对传热管道的优化设计和热性能进行分析与探讨。
一、传热管道的设计原则在传热管道的设计过程中，应遵循以下原则：热能传递效果最大化、能量损失最小化、结构简化和制造成本最小化。
首先，热能传递效果的最大化是传热管道设计的核心目标。
为了实现这一目标，可采取措施包括增加传热面积、提高传热介质的流速和增加传热时间等。
其次，能量损失的最小化是传热管道设计的关键因素之一。
传热过程中会伴随着能量损失，如传热介质的泄漏、传热中的摩擦损失等。
优化管道的结构和材料可减少这些能量损失。
另外，结构简化和制造成本最小化是传热管道设计考虑的重要因素。
通过合理选择管道的结构和材料，可以降低制造成本，并便于操作和维护。
二、传热管道的优化设计在传热管道的优化设计中，可以从以下几个方面进行改进。
首先，增加管道的传热面积。
传热面积越大，传热效果越好。
可以通过增加管道的长宽或者采用带翅片的管道进行优化设计。
其次，改进传热介质的流动方式。
传热介质的流速对传热效果有着重要影响。
在设计过程中可以考虑采用多通道管道或者增加层数，来提高流速和传热效果。
另外，合理选择传热管道的结构和材料。
传热管道的材料应具备良好的导热性和耐腐蚀性，同时要考虑管道的结构和材料的制造成本。
三、传热管道的热性能分析传热管道的热性能分析主要包括传热效果和能源利用效率两个方面。
首先，传热效果的分析。
传热效果可以通过传热系数和传热损失来评价。
传热系数越大，说明传热效果越好；传热损失越小，说明能量损失越小。
通过实验和计算方法，可以得出传热系数和传热损失的数值，并对其进行分析和评估。
其次，能源利用效率的分析。
能源利用效率是评价传热管道性能的重要指标之一。
能源利用效率高，说明传热管道可以更好地利用热能，减少能量浪费。
通过理论计算和实验验证，可以得出传热管道的能源利用效率，并对其进行分析和改进。
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中深层套管式换热器可持续供热性能及
优化设计简析
摘要：在当前供暖行业中，中深层套管式换热器是一种最为核心的关键设备。
其具备一定的环境友好特点，能够对地下中深层地热能进行合理挖掘与利用，进
而在节能减排的基础上，发挥出最大的供暖效果。
因此，要想进一步扩大该供暖
设备的应用范围，前提条件就是要对其可持续供热性能加大研究力度。
本文也会
针对中深层套管式换热器运行过程中，影响其可持续供热性能发挥的主要因素进
行着重分析，并提出相应的设计优化方案，以便为有关人士参考借鉴。
关键词：中深层套管式换热器；可持续供热性能；优化设计方案
前言
随着碳达峰与碳中和政策要求的不断深入与落实，供暖行业也会在该政策要
求的正确指引下，不断对自身的能源利用技术进行全面的优化与创新，以便可以
早日实现能源绿色低碳转型目标，更好地缓解我国当前能源短缺的局面。
其中，
要着重加强地热能清洁供暖技术的应用与推广，特别是中深层套管式换热器技术
的应用，其可以在保护环境的基础上，达到“取热不取水”的标准。
但是该供暖
设备的可持续供热性能却常常会受到多种因素所影响，因此，当务之急就是要寻
找一条便捷有效的途径对该设备的可持续供热方案实施全面的优化设计。
1.主要影响因素分析
首先，岩土体导热系数的影响，如图一所示，当中深层套管式换热器位于岩
土体导热系数较高的地质条件下时，其季节性能系数虽然也是比较明显，但在导
热系数不断提升的趋势下，却会出现反向降低的情况。
例如，在第30年，当岩
土体导热系数由1.5 W/（m-k）上升至3.0 W/(m-K)时，换热器SPF1与SPF2虽然
会逐步提升，但在此阶段的热提取过程中，换热器的SPF1与SPF2就会由原有数
值逐步下降。
其中，1.5 W/(m-K)条件下的下降率可分别达到11.5%和10.5%左右，
而在3.0 W/(m-K)条件下，则下降率可达到4.7%和4.2%左右。
由此可以看出，换
热器的可持续供热性能只有在导热系数较高的岩土体环境下才能相对比较稳定。
反之，在导热系数不高的岩土体环境下，则难以保持稳定的持续供热性能，并且
还会出现逐步下降的情况。
即便按照第一年的换热标准对换热器的运行条件进行
优化设计，也会使其整体运行的节能性无法充分发挥出来。
其次，地温梯度作用的影响，如图二所示，当中深层套管式换热器位于地温
梯度较高的地质条件下时，其季节性能系数也是比较明显，一般会呈现出线性变
化特征。
例如，在第30年，当换热器所处环境的地温梯度由原有数值逐步上升时，换热器的SPF1与SPF2也会随之提升。
但在此阶段的热提取过程中，若换热
器所处环境的地温梯度为25℃/km时，则其SPF1与SPF2会逐渐下降。
由此可见，在地温梯度较低的地质条件下，对换热器的可持续性能会造成一定的影响，但相
比之下这种影响程度却低于岩土体导热系数的影响[1]。
最后，埋管深度的影响，如图三所示，当中深层套管式换热器埋管深度较大时，其季节性能系数也是较为明显。
但在可持续供热期间，则不同埋管深度会使
其持续供热性能难以稳定保证，进而出现逐步下降的趋势。
例如，若换热器的埋
管深度为2000m，在30年热提取过程中，其SPF1与SPF2会由原有数值分别下降6.5%和5.9%左右；而若换热器的埋管深度为3000 m，其SPF1与SPF2会分别下降5.3%和4.7%左右。
由此可见，埋管深度越大的换热器，其可持续供热性能的影响
程度也越低。
鉴于此，在换热器后期设计过程中，为了使其可持续供热性能得到
最大化提升，就要根据换热器的综合运行要求与节能性要求，对其原有的设计方
案予以全面优化。
图一岩土体导热系数影响下换热器季节性能系数变化
图二地温梯度作用下换热器季节性能系统变化
图三埋管深度影响下换热器季节性能系数变化
2.换热器优化设计方案分析
2.1优化准则
为确保中深层套管式换热器能够得以持久稳定运行，确保在热提取过程中，
不会对其自身的季节性能系数造成不良影响，首要任务就是要按照换热器运行要
求和节能性要求，根据国家相应的设计标准从以下几个方面入手：首先，保证换
热器在换热期间，入口水温最低不能低于0℃，以免出现结冰情况，进而影响到
换热器的正常换热功能。
而出口水温也要保持在4℃以上，这样才能使热泵机组
得以正常运行；其次，保证换热器热泵机组的季节性能系数大于4.2，而热源侧
的季节性能系数要大于4.0，这样才能保证整个热泵机组运行达到一定的节能性
和稳定性；最后，需按照“准稳态特征年”的供热性能为基准来开展设计。
同时，还要对岩土体导热系数、地温梯度与埋管深度等因素对设备季节性系数所造成的
具体影响进行全面考虑，这样才能以此为依据，对换热器的优化运行条件进行合
理确定，从而使其持续供热性能达到最佳标准[2]。
2.2优化方案
当中深层套管式换热器的应用深度为2000-3000m时，再对其可持续供热性
能予以优化设计，必须对地温梯度、岩土体导热系数等典型地热特征参数予以合
理选择。
其中，前者应选取20、30、40℃kW-1作为典型地热特征参数，而后者则
选取2.0、2.5、3.0 Wm-1K-1作为典型地热特征参数。
另外，还要按照化热器优
化准则来确定其自身的运行条件以及最佳供热负荷，并采取差值法来对换热器的
埋管深度以及其他地热特征参数的优化结果进行科学的估算。
根据估算结果，可
以得知，不同埋管深度和地热特征参数下的优化结果也是不尽相同。
例如，若换
热器的埋管深度明显，且地热特征参数较好时，换热器要想达到国家相应的节能
运行标准，前提条件就是要对其运行条件进行全面优化。
反之，若是在地热特征
参数不佳的情况下，换热器的供热能力则无法充分发挥出来，这种情况下，要想
得到有效的改善，关键任务就是要适当增加换热器的埋深。
假设，换热器所处环
境的地温梯度为20℃km-1、岩土体导热系数为2.0 Wm-1k-1、最佳供热负荷为126.2 kW时，虽然其供热性能可以满足相应的规范标准要求，但是在取热效率方
面的优势和作用却无法充分发挥出来。
这种情况下，要想改善现状，就要从系统
运行经济性的角度出发，对换热器埋管深度进行合理增加，这样才能有效提升设备的取热效率。
3.结论分析
3.1在中深层套管式换热器可持续供热过程中，随着持续供热时间的增加，其进、出口温度却会逐步下降。
这种情况产生的主要原因是设备在停止运行过程中，其所处环境的岩土体温度与未被干扰时的温度之间存有一定的差异所致。
通常，在换热器持续供热的前5年，这种情况发生的几率比较明显，随后会趋于平稳。
尤其是水温，当运行至20年以后，基本会处于相对稳定的状态中。
3.2若换热器运行在岩土体导热系数较低的环境中，其持续供热性能根本无法保持稳定。
反之，若处于埋管深度的运行条件下，则其持续供热性能就会相对比较稳定。
3.3在对换热器的运行条件进行优化时，必须遵循“准稳态特征年”的优化标准。
同时还要根据换热器的节能运行需求，对不同地热特征参数、埋管深度下的换热器运行流速与最佳供热负荷等进行合理确定，这样才能使其在优化后，设备的水温和季节性能系数等可以始终保持稳定，进而发挥出最佳的可持续供热性能。
参考文献
[1]王德敬,胡松涛,高志友,等.中深层套管式地埋管换热器性能的参数分析[J].区域供热,2018,(03):71-72.
[2]姜静华,高远,张育平,等.中深层套管式地埋管换热器取热性能研究及经济性分析[J].西安建筑科技大学学报,2021,(06):53-54.。