摘要采用有限元地下水?dāng)?shù)值模型模擬軟件FEFLOW對地埋管群換熱器周圍土壤溫度場進(jìn)行模擬分析求解。為了確定埋管群換熱器對周圍土壤溫度場的影響，給出地埋管群換熱器的簡化假設(shè)以及傳熱模型。研究對比分析不同地區(qū)土壤初始溫度對換熱器換熱的影響以及地下水流動對地埋管群換熱器周圍土壤溫度分布的影響，結(jié)果表明：土壤初始溫度對地埋管群換熱器換熱性能以及周圍土壤溫度場均有一定影響;地下水流動的存在有利于加強(qiáng)地埋管群換熱器與周圍土壤換熱，有利于地下熱量(冷量)的擴(kuò)散，有利于緩解換熱器周圍冷熱量堆積問題。

　　關(guān)鍵詞地埋管群換熱器;土壤初始溫度;地下水流動;土壤溫度場

　　0引言

　　隨著社會發(fā)展，能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題日益突出，尋求可再生能源是發(fā)展能源的必然趨勢。其中地?zé)崮芤咽艿绞澜绺鲊�的廣泛重視。地埋管群換熱器是通過熱泵輸入少量的高品位能源實現(xiàn)將大地中的低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的裝置，利用熱泵冬季從地下提取熱量用于滿足建筑物的供暖需求，同時蓄存了冷量;夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到土壤中對建筑物進(jìn)行供冷，同時蓄存了熱量。

　　因其節(jié)能、高效、環(huán)保的特點近年來得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[1]。地埋管群換熱器的換熱性能會直接影響地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果。而對于不同地區(qū)土壤初始溫度不同，對地埋管換熱器換熱有一定影響，同時有關(guān)地埋管群換熱器設(shè)計的理論很多都忽略地下水流動，以無地下水流動為假設(shè)條件，只考慮土壤與地埋管換熱器之間的徑向純導(dǎo)熱[2]。因此也導(dǎo)致埋管設(shè)計長度偏長從而加大了初投資。基于以上影響因素的存在，本文采用有限元數(shù)值模擬的方法研究不同地區(qū)土壤溫度以及地下水流動等因素對地埋管群換熱器周圍土壤溫度分布的影響[3]。

　　1研究模型

　　本文進(jìn)行數(shù)值模擬所采用的傳熱模型是三維瞬態(tài)傳熱模型，熱量傳輸理論主要包括兩部分：土壤中熱量傳輸理論和鉆孔換熱器內(nèi)部熱量傳輸理論[4]。將鉆孔內(nèi)部認(rèn)為劃分成4個熱交換區(qū)：進(jìn)管區(qū)(i1)、出管區(qū)(o1)，流進(jìn)管所在回填材料區(qū)(g1)，流出管所在回填材料區(qū)(g2)。鉆孔換熱器內(nèi)部有熱傳導(dǎo)和熱對流兩種換熱模式，主要表現(xiàn)為[4]：a.進(jìn)、出口流體與回填材料之間的換熱;b.U型管管壁、回填材料以及周圍土壤之間的換熱。

　　1.1幾何模型

　　豎直地埋管群換熱器的傳熱過程是一個復(fù)雜的，無限大區(qū)域內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)過程，為了簡化計算作出以下簡化假設(shè)：(1)忽略土壤在豎直方向上的溫度梯度的影響，土壤初始溫度均勻一致。(2)忽略大氣溫度變化對地表溫度影響。(3)土壤均勻且保持熱物性不變，流體熱物性不變。(4)認(rèn)為鉆孔外土壤是均勻多孔介質(zhì)，地下水飽和，地下水流方向和速度保持不變。

　　1.2初始條件和邊界條件

　　地下土壤初始溫度均勻一致;為滿足邊界處不受埋管換熱器傳熱的影響，模型中水平方向上設(shè)置為165m×165m。地埋管群換熱器豎直方向取120m，埋管長度為100m，最底端20m定為隔熱邊界。地埋管換熱器采用一維有限元法對其進(jìn)行描述，數(shù)值模擬過程中(由于FEFLOW軟件對于埋管進(jìn)出口設(shè)置較簡單，只需設(shè)置進(jìn)出口水流基本信息)設(shè)置入口水溫及流量[4]。

　　1.3參數(shù)設(shè)置

　　水平方向為165m×165m的矩形區(qū)域，垂直方向上為120m的矩形巖土體。埋管換熱器所在巖土體區(qū)域內(nèi)共分12層，每層10m;模型模擬時采用的離散方法是全隱式的時間離散，即ForwardEuler/BackwardEuler(FE/BE)法，誤差容限值設(shè)定為0.001。

　　1.5網(wǎng)格劃分及模型說明

　　模型采用的是2×2方形管群布置，管間距5m，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，且為了節(jié)省計算時間以及保證計算的精確度對管壁周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，顯示出網(wǎng)格近壁處密集，遠(yuǎn)壁處稀疏。

　　2模擬結(jié)果及分析

　　模擬制冷工況下，連續(xù)運(yùn)行90d時;不同地區(qū)土壤初始溫度、地下水流動等因素對地埋管群換熱器傳熱的影響。

　　2.1土壤初始溫度對管群換熱器換熱影響

　　制冷工況下，模擬13℃、15℃、17℃三種初始溫度條件下管群換熱器運(yùn)行情況，其他土壤熱物性及設(shè)置參數(shù)不變。從模擬結(jié)果中可以得出，埋管出口溫度隨土壤初始溫度的升高而升高，土壤初始溫度為13℃時，模擬后期埋管出口溫度穩(wěn)定在32.80℃左右，進(jìn)出口溫度差為2.20℃;土壤初始溫度為15℃時，模擬后期埋管出口溫度穩(wěn)定在33℃左右，進(jìn)出口溫度差為2℃;土壤初始溫度為17℃時，模擬后期埋管出口溫度穩(wěn)定在33.18℃左右，進(jìn)出口溫度差為1.82℃。土壤初始溫度從13℃升高到17℃，埋管換熱量降低了約17%。

　　分為13℃、15℃、17℃，3種不同初始溫度條件下，運(yùn)行90天結(jié)束時管群換熱器周圍土壤溫度變化情況。可以看出管群區(qū)域土壤溫度場分布近似成中心對稱，鉆孔處溫度分布近似為圓形，即熱量從埋管中心向四周擴(kuò)散，埋管中心處溫度最高，以距離埋管中心約1m處為例，可以看出相同地點土壤溫度分別為17℃、19℃、20℃，隨土壤初始溫度升高，管群換熱器周圍土壤溫度也在升高[6]。

　　2.2有無滲流對土壤溫度場的影響

　　制冷工況下連續(xù)運(yùn)行90天，模擬地下40m~50m處，有沿水平方向，流動速度約為5.6×10-6m/s的地下水流動，對埋深約50m處換熱器周圍土壤溫度場進(jìn)行分析，有地下水流動時換熱器周圍土壤溫度分布，無地下水流動時換熱器周圍土壤溫度分布。有地下水流動時換熱器周圍土壤等溫線沿滲流方向發(fā)生形變，熱量沿著地下水流動方向擴(kuò)散，聚集到下游區(qū)域，使得土壤溫度場不再對稱分布;無地下水流動時土壤溫度場近似成中心對稱，鉆孔處溫度分布近似為圓形，即熱量從埋管中心向四周擴(kuò)散，埋管中心處溫度最高。

　　從模擬結(jié)果分析，在管群鉆孔中心土壤的最高溫度有地下水流動時比無地下水流動時低11.3℃，埋管區(qū)域鉆孔處的土壤平均溫度有地下水流動時比無地下水流動時低9℃，從整個埋管區(qū)域土壤的平均溫度分析發(fā)現(xiàn)有地下水流動時土壤的平均溫度要低于無地下水流動時土壤的平均溫度，主要因土壤固體的體積比熱容比水的體積比熱容小，而體積比熱容是衡量土壤蓄熱能力的重要參數(shù)，故存在地下水流動的土壤的體積比熱容要大于無地下水流動的土壤的體積比熱，即存在地下水流動時，土壤溫度變化率較小，有利于土壤傳熱。

　　同時水的流動能夠增強(qiáng)土壤的換熱能力，隨著地下水的流動埋管換熱器傳遞給土壤的熱量能夠傳送到更遠(yuǎn)的土壤區(qū)域，可以降低管群換熱器周圍土壤溫度，有利于緩解埋管換熱器周圍的冷熱量堆積問題。對于制冷工況，土壤初始溫度越低，埋管進(jìn)出口溫差越大，其換熱量也越大，更有利于管群換熱器與周圍土壤進(jìn)行換熱。

　　3結(jié)論

　　土壤初始溫度對地埋管群換熱器換熱性能以及周圍土壤溫度場均有一定影響，在制冷工況下，土壤初始溫度越低，則地埋管群換熱器進(jìn)出口溫差越大，換熱量也越大，越有利于換熱器與周圍土壤進(jìn)行換熱，因此在進(jìn)行地埋管設(shè)計選址時可以考慮此因素。由于地下水流動，管群換熱器周圍土壤溫度場會沿地下水流動方向發(fā)生明顯的偏移，更多的熱量被帶入下游，有利于熱量向外傳遞，減少了管群布置區(qū)域熱量的累積，有利于埋管換熱器與周圍土壤進(jìn)行換熱。

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