地埋管换热器地下传热数值模拟

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以长沙地区某办公楼为研究对象，利用FLUENT软件模拟了其土壤源热泵系统运行5年的土壤温度分布情况，在不考虑土壤与外界空气的传热情况下，空调季与其后过度季的土壤平均温度差别较小，但过度季土壤温度分布比空调季更均匀。冬夏季地埋管换热量的不平衡将导致土壤温度的变化，埋管放热量大于吸热量时，土壤温度将逐年上升，反之将逐年下降，两种情况都不利于空调系统的持续运行。空调系统第一年是从夏季制冷开始运行还是从冬季制热开始运行对土壤的温度影响较大，应该根据建筑的空调负荷及土壤热物性综合考虑确定。

土壤源热泵； 地埋管换热器； 计算流体力学； FLUENT

【中图分类号】TL331 文献标识码：B文章编号：1673-8500（2012）12-0030-02

引言

地源热泵系统是一种利用地下浅层资源的既可以供热又可以制冷的高效节能空调系统。其工作原理是系统通过地源热泵将地下的热能提取出来对建筑供暖，或者将建筑中热能释放到地下从而实现对建筑的制冷[1]。夏季，可将建筑内的热能储存于地层中以备冬用，同样，冬季可以将富余的冷量储存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的热工性能实现对建筑物和环境的能量交换。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温热能向高温转移。理论上，地源热泵消耗1kW电能，用户可以得到4kW以上的热量或冷量[2]。比电锅炉加热节电2/3以上；比燃料锅炉节能1/2以上。由于地源热泵的冷、热源温度全年较为稳定，长沙地区一般为16.8℃左右[3]，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右。因此近年来，中国政府出台一系列支持地源热泵的政策，地源热泵空调系统取得了较快发展[4]。

地源热泵分为地下水源热泵、土壤源热泵和地表水源热泵等[5]。土壤源热泵技术能否被广泛推广应用，很大程度上取决于精确、可靠的系统设计方法和计算工具，地下埋管换热器长期运行性能研究是这个系统的核心部件。土壤源热泵系统运行过程中对地下土壤温度产生的影响需要进一步研究。

U型垂直埋管属于土壤源热泵的一种，具有良好的节能、环保等特性，而且经济效益显著[6]适用于城乡居民住所及办公楼等的采暖、制冷需求。本文以U型垂直埋管为研究对象，利用FLUENT对其进行模拟，得出埋管周围土壤温度变化情况，对长沙地区地源热泵的推广具有积极的意义。

5结论

5.1在土壤源热泵设计过程中，可以利用FLUENT软件对地埋管换热器的换热过程进行模拟仿真，模拟结果对设计具有较大的指导意义。

5.2地埋管换热量的不平衡将导致土壤温度的变化，埋管放热量大于吸热量时，土壤温度将逐年上升，反之将逐年下降，两种情况都不利于空调系统的持续运行。

5.3空调系统第一年是从夏季制冷开始运行还是从冬季制热开始运行对土壤的温度影响较大，应该根据建筑的空调负荷及土壤热物性综合考虑确定。

5.4本文未考虑土壤边界与空气的传热，所以过度季土壤的蓄能量并无变化，但温度分布更加均匀。

参考文献

[1]Huttrer W. Geothermal heat pumps： An increasing successful technology[J]. Renewable Energy，1997，10（2/3）：481-488.

[2]Omer A M. Ground-source heat pumps systems and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12（2）：344-371.

[3]杨伟. U型坚直埋管地源热泵地热换热器热响应模型及其算法研究：[湖南大学博士学位论文].长沙：湖南大学土木工程学院，2010，41-45

[4]徐伟.中国地源热泵情况调查与分析[J].工程建设与设计，2006（12）：16-19

[5]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]Hepbasli A， Kalinci Y. A review of heat pump water heating systems[J].Renewable and Sustainable Energy Review，2009，13 （6/7）：1211-1229.

[7]刘正华，陈汝东，等.土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究[J]. 流体机械，2007，35（3）：63-67.

[8]张开黎，王如竹，于立强.垂直埋管土壤源热泵供热供冷实验与分析[J].流体机械，2001，29（9）：57-60.