地源热泵土壤温度场的模拟

侯静

摘要：本文通过GAMBIT建立地源热泵地埋管及周围土壤的几何模型，运用FLUENT进行三维非稳态模型，通过模拟地源热泵长期运行地埋管周围土壤温度场的变化情况，分析地源热泵长期运行对土壤温度场的影响，总结合理的井间距。

关键字 地埋管 非稳态模拟 土壤温度场

0 引言

地源热泵是利用土壤或作为冷热源，通过输入少量电能，实现热量由低温热源向高温热源的转移;夏季将室内多余热量转至地下，达到室内降温的目的，并向地下储存热量以备冬用;冬季从地下提取热量向室内供热，并向地下储存冷量，以备夏用。地源热泵是一种无污染、环保、高效的热泵。是未来热泵发展的方向。

1模型的建立

利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立地下垂直U型地埋管几何模型，本文研究不同地埋管模型，主要模型如下：

U型管管长100m，管內径为26mm，管厚3mm，两管脚间距80mm;钻井（填充层）模型是以两管角中心为圆心的圆柱体，直径为140mm，高为101m;土壤模型是与填充层圆心重合圆柱体，半径为5m，高为105m。典型单井模型示意图如图1所示。与埋管垂直方向的平面为xy平面，与管平行的方向为z轴。

2  非稳态模拟

首先进行单井U型埋管非稳态模拟，模型取井深100m，管径26mm，土壤半径5m的典型单U垂直地埋管模型。模拟夏天制冷工况，土壤初始平均温度288K，假定入口初始温度为310K，入口流速为0.4m/s。

2.1连续运行不同时间土壤温度分布

埋管周围土壤温度场随运行时间长短的变化。图2是不同半径处土壤温度随时间的变化情况。图中绘出了系统运行1天到10天，土壤温度场的分布情况。前5天每1天读取一次数据，将半径为0.1m到5m范围内土壤的温度分布耦合成一条曲线，得到1到10天内不同时间的土壤温度场。

从图中可以看出，运行1天后近半经处土壤温升很快，之后运行至10天近半经处温升不大;运行1天后远半径处温度不变，影响半径小于1.5m，随着运行时间的增长，热作用半径逐渐扩大，远半径处温升比近半径处温升有延迟。10天后热作用半径达到2.5m。

图3是系统运行10天到90天，土壤温度场的分布情况。每10天读取一次数据，将半径为0.1m到5m范围内土壤的温度分布耦合成一条曲线，得到10到90天内不同时间的土壤温度场。

从图中可以看出，系统运行10天后，随着运行时间的增加，土壤温度继续升高。热作用半径继续扩大，但同一半径处温升越来越缓慢，温度变化逐渐减小。

2.2土壤不同半径温度随时间的变化

截取Y=100000mm处不同土壤半径，分别距埋管中心半径为0.1m、0.3m、0.5m、0.7m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。非稳态模拟连续运行90天，开始运行的前5个小时，1小时记录一次数据;前5天，1天记录一次数据;10天到90天，每10天记录一次数据。

图4是运行90天不同半径土壤温度变化曲线。从图中可以看出，近半径处土壤温度在前几个小时迅速升高，土壤半径0.1m处1天后温度达到297.5K。之后温升缓慢，90天后温度达到302.4K;土壤半径0.3m处比0.1m处温升明显减小，90天后温度为297.2K;离中心距离越远，温升越慢，在同一时刻，近半径处不同半径土壤温度温差大，远半径处不同半径土壤温度温差小。半径2m以外，温差越来越小，如运行90天后，半径2m处温度为290.4K;半径3m处温度为289.4K;半径4m处288.8K;半径5m处288.7K。半径大处土壤温升有延迟，温升缓慢并且温升小，半径为2.5m处10天后开始有温升;半径5m处20天后开始有温升。

3 结论

通过对地源热泵地埋管周围土壤温度场的三维非稳态模拟研究，提供了地源热泵长期运行地下土壤温度场的变化情况。通过分析土壤温度场，得出以下结论：

1）土壤温度场随着地源热泵运行时间的增加而不断变化，运行初期，埋管周围近距离土壤温度变化快，随着运行时间的延长，近距离处土壤温度变化减缓，土壤温度变化范围逐渐加大。

2）从地源热泵长期运行角度考虑，土壤温度变化随半径的增大而迅速减小。

3）考虑到地源热泵运行一个周期对土壤温度场的变化，井间距在4m到5m范围内最合理。

参考文献

[1] 曹艺. 地源热泵性能分析[D]. 太原： 太原理工大学， 2006

[2] 李文燊. 基于建筑负荷动态模拟的地源热泵土壤温度的分析[D]. 天津： 天津大学， 2008

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