地埋管群换热器周围土壤温度场模拟研究

　　摘要采用有限元地下水数值模型模拟软件FEFLOW对地埋管群换热器周围土壤温度场进行模拟分析求解。为了确定埋管群换热器对周围土壤温度场的影响，给出地埋管群换热器的简化假设以及传热模型。研究对比分析不同地区土壤初始温度对换热器换热的影响以及地下水流动对地埋管群换热器周围土壤温度分布的影响，结果表明：土壤初始温度对地埋管群换热器换热性能以及周围土壤温度场均有一定影响;地下水流动的存在有利于加强地埋管群换热器与周围土壤换热，有利于地下热量(冷量)的扩散，有利于缓解换热器周围冷热量堆积问题。

　　关键词地埋管群换热器;土壤初始温度;地下水流动;土壤温度场

　　0引言

　　随着社会发展，能源危机、环境污染等问题日益突出，寻求可再生能源是发展能源的必然趋势。其中地热能已受到世界各国的广泛重视。地埋管群换热器是通过热泵输入少量的高品位能源实现将大地中的低品位热能向高品位热能转移的装置，利用热泵冬季从地下提取热量用于满足建筑物的供暖需求，同时蓄存了冷量;夏季将建筑物中的热量转移到土壤中对建筑物进行供冷，同时蓄存了热量。

　　因其节能、高效、环保的特点近年来得到广泛的关注与应用[1]。地埋管群换热器的换热性能会直接影响地源热泵系统的运行效果。而对于不同地区土壤初始温度不同，对地埋管换热器换热有一定影响，同时有关地埋管群换热器设计的理论很多都忽略地下水流动，以无地下水流动为假设条件，只考虑土壤与地埋管换热器之间的径向纯导热[2]。因此也导致埋管设计长度偏长从而加大了初投资。基于以上影响因素的存在，本文采用有限元数值模拟的方法研究不同地区土壤温度以及地下水流动等因素对地埋管群换热器周围土壤温度分布的影响[3]。

　　1研究模型

　　本文进行数值模拟所采用的传热模型是三维瞬态传热模型，热量传输理论主要包括两部分：土壤中热量传输理论和钻孔换热器内部热量传输理论[4]。将钻孔内部认为划分成4个热交换区：进管区(i1)、出管区(o1)，流进管所在回填材料区(g1)，流出管所在回填材料区(g2)。钻孔换热器内部有热传导和热对流两种换热模式，主要表现为[4]：a.进、出口流体与回填材料之间的换热;b.U型管管壁、回填材料以及周围土壤之间的换热。

　　1.1几何模型

　　竖直地埋管群换热器的传热过程是一个复杂的，无限大区域内的非稳态过程，为了简化计算作出以下简化假设：(1)忽略土壤在竖直方向上的温度梯度的影响，土壤初始温度均匀一致。(2)忽略大气温度变化对地表温度影响。(3)土壤均匀且保持热物性不变，流体热物性不变。(4)认为钻孔外土壤是均匀多孔介质，地下水饱和，地下水流方向和速度保持不变。

　　1.2初始条件和边界条件

　　地下土壤初始温度均匀一致;为满足边界处不受埋管换热器传热的影响，模型中水平方向上设置为165m×165m。地埋管群换热器竖直方向取120m，埋管长度为100m，最底端20m定为隔热边界。地埋管换热器采用一维有限元法对其进行描述，数值模拟过程中(由于FEFLOW软件对于埋管进出口设置较简单，只需设置进出口水流基本信息)设置入口水温及流量[4]。

　　1.3参数设置

　　水平方向为165m×165m的矩形区域，垂直方向上为120m的矩形岩土体。埋管换热器所在岩土体区域内共分12层，每层10m;模型模拟时采用的离散方法是全隐式的时间离散，即ForwardEuler/BackwardEuler(FE/BE)法，误差容限值设定为0.001。

　　1.5网格划分及模型说明

　　模型采用的是2×2方形管群布置，管间距5m，采用三角形非结构网格划分，且为了节省计算时间以及保证计算的精确度对管壁周围网格进行局部加密，显示出网格近壁处密集，远壁处稀疏。

　　2模拟结果及分析

　　模拟制冷工况下，连续运行90d时;不同地区土壤初始温度、地下水流动等因素对地埋管群换热器传热的影响。

　　2.1土壤初始温度对管群换热器换热影响

　　制冷工况下，模拟13℃、15℃、17℃三种初始温度条件下管群换热器运行情况，其他土壤热物性及设置参数不变。从模拟结果中可以得出，埋管出口温度随土壤初始温度的升高而升高，土壤初始温度为13℃时，模拟后期埋管出口温度稳定在32.80℃左右，进出口温度差为2.20℃;土壤初始温度为15℃时，模拟后期埋管出口温度稳定在33℃左右，进出口温度差为2℃;土壤初始温度为17℃时，模拟后期埋管出口温度稳定在33.18℃左右，进出口温度差为1.82℃。土壤初始温度从13℃升高到17℃，埋管换热量降低了约17%。

　　分为13℃、15℃、17℃，3种不同初始温度条件下，运行90天结束时管群换热器周围土壤温度变化情况。可以看出管群区域土壤温度场分布近似成中心对称，钻孔处温度分布近似为圆形，即热量从埋管中心向四周扩散，埋管中心处温度最高，以距离埋管中心约1m处为例，可以看出相同地点土壤温度分别为17℃、19℃、20℃，随土壤初始温度升高，管群换热器周围土壤温度也在升高[6]。

　　2.2有无渗流对土壤温度场的影响

　　制冷工况下连续运行90天，模拟地下40m~50m处，有沿水平方向，流动速度约为5.6×10-6m/s的地下水流动，对埋深约50m处换热器周围土壤温度场进行分析，有地下水流动时换热器周围土壤温度分布，无地下水流动时换热器周围土壤温度分布。有地下水流动时换热器周围土壤等温线沿渗流方向发生形变，热量沿着地下水流动方向扩散，聚集到下游区域，使得土壤温度场不再对称分布;无地下水流动时土壤温度场近似成中心对称，钻孔处温度分布近似为圆形，即热量从埋管中心向四周扩散，埋管中心处温度最高。

　　从模拟结果分析，在管群钻孔中心土壤的最高温度有地下水流动时比无地下水流动时低11.3℃，埋管区域钻孔处的土壤平均温度有地下水流动时比无地下水流动时低9℃，从整个埋管区域土壤的平均温度分析发现有地下水流动时土壤的平均温度要低于无地下水流动时土壤的平均温度，主要因土壤固体的体积比热容比水的体积比热容小，而体积比热容是衡量土壤蓄热能力的重要参数，故存在地下水流动的土壤的体积比热容要大于无地下水流动的土壤的体积比热，即存在地下水流动时，土壤温度变化率较小，有利于土壤传热。

　　同时水的流动能够增强土壤的换热能力，随着地下水的流动埋管换热器传递给土壤的热量能够传送到更远的土壤区域，可以降低管群换热器周围土壤温度，有利于缓解埋管换热器周围的冷热量堆积问题。对于制冷工况，土壤初始温度越低，埋管进出口温差越大，其换热量也越大，更有利于管群换热器与周围土壤进行换热。

　　3结论

　　土壤初始温度对地埋管群换热器换热性能以及周围土壤温度场均有一定影响，在制冷工况下，土壤初始温度越低，则地埋管群换热器进出口温差越大，换热量也越大，越有利于换热器与周围土壤进行换热，因此在进行地埋管设计选址时可以考虑此因素。由于地下水流动，管群换热器周围土壤温度场会沿地下水流动方向发生明显的偏移，更多的热量被带入下游，有利于热量向外传递，减少了管群布置区域热量的累积，有利于埋管换热器与周围土壤进行换热。

　　参考文献

　　[1]余鑫,王如竹,翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调,2010,40(2)

　　[2]程金明,刘阳.地下水流动对垂直埋管换热器土壤温度场分布的影响[J].太阳能学报,2017(10)

　　[3]赵军，张志英，刘九龙，李扬，孙铁.人工流场影响下地埋管管群换热的模拟研究[J].天津大学学报(自然科学与工程技版),2016，49(08)

　　[4]DierschHJG.FeflowFiniteElementSubsurfaceFlowandTransportSimulationSystemReferenceManual[M].Berlin：WASYGmbh，2005

　　[5]邓鼎兴.地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价[D].2015[6]曾繁博.垂直埋管地源热泵换热性能及地温场模拟研究[D].2017

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