李坤坤　康琳　支鹏羽　于瑞佼　马坤茹

摘  要：利用Gambit建模软件建立简单的埋管模型，并定义其边界条件，利用Fluent数值模拟软件分别模拟距离埋管中心不同距离处测点温度变化情况，并且在不同距离处设置不同深度的测点，经过为期六年的间歇性连续模拟，最终得出距离埋管中心距离相同时，土壤各测点温度变化趋势因测点的深度不同而不同，且深度越大，温度越低;测点深度相同时，土壤各测点温度变化趋势因测点距埋管中心距离不同而不同，且距离越远温度越低，但是，无论哪一种情况，每年取热完成之后各测点温度都有所升高，即每年完成系统正常运行后土壤温度都有所升高。

关键词：地埋管;不同深度;数值模拟;温度场;变化分析

1  引言

我国北方寒冷地区污染严重，清洁能源供热逐渐替代燃煤供熱，地源热泵供热得到广泛认可，因为我国北方寒冷地区采暖期比较长，冷热负荷不均衡，长期使用导致地下温度逐渐降低，采暖效果受到影响，一般采用加热器辅助加热，考虑到北方寒冷地区太阳能资源丰富，在非采暖季将太阳能的热量转移到土壤中储存，即解决地下温度场不平衡问题又有效利用清洁能源做到节能减排，顺应时代潮流。所以对地下温度场进行全面的研究才能让我们更好地掌握和应用该系统。

2  太阳能耦合地源热泵系统

2.1  系统组成

由图1可以看出，该系统主要可以分为三部分：集热器、蓄热库及热用户。

2.2  系统运行情况

2.2.1 在非采暖季节运行情况

在非采暖季节，集热器吸收太阳能加热罐中的热水使其高温度，达到设定温度后，启动预埋管道中的热水循环将热量转移到土壤中使其温度升高，土壤用作储热体，以储存冬季取暖的热量。

2.2.2 在供暖季节运行情况

2.2.2.1 白天太阳光照射度较高时，集热器收集太阳光的热量通过板式换热器1、2为用户供暖。在用户需要热量较多时，存储在土壤中的热量可以通过板式热交换器3为用户供热。

2.2.2.2 白天太阳光照射度较低或晚上无光时，主要利用埋管中储存的热量通过板式换热器3为用户供暖，不足的部分可由辅助热源通过板式换热器2为用户提供热量。

3  垂直U型管传热数学模型

3.1  模型建立情况

采用线源模型，该模型将垂直预埋管看作一均匀的线热源，将管外的蓄热体视为一个实体。假设该线源沿深度方向单位长度的热流为一固定常量，即具有恒定的热流。埋管模型建立时参数选择见下表1：

具体模型及网格划分情况见上图2：

本文埋管周围蓄热体以粘土为例进行研究，计算过程中设置距离埋管不同距离不同深度的测点，材料的物性参数取值如下：粘土（含水量15%）：密度1925[kgm3]、比热容1298.7[Jkg?K]、导热系数1.5[W/m?K];水：密度998.2[kgm3]、比热容4182[Jkg?K]、导热系数0.6[W/m?K]。

3.2  模拟结果分析

系统进行六年间歇性连续运行，期间加载UDF程序完成对太阳能光照时间、流体流速以及温度的控制，模拟过程中在埋管周围设置不同的测点，横向测点距离埋管中心距离分别为1.1m，3.1m，和5.1m，再在不同中心距处设置不同的深度，分别为5m，10m，15m，通过比较过程中产生的数据对温度场进行分析，最终根据每年取热完成后土壤温度情况分析温度场分布，具体数据见下图：

由以上数据可知，当测点距离埋管中心距离相同时，不同深度的测点温度变化趋势大致相同，但具体数值不同，可以每年取热完成后看出来深度越深的测点温度越低，深度越浅的测点温度越高，并且随着运行时间的延长，因为土壤中的热量无法百分之百取出来，各测点温度都有所提升。

由图8数据可知，不同埋管深度时，不同测点温度变化情况不同，但是每年的变化趋势基本一致，可以观察到在系统每年取热结束后，距离埋管间距越近，温度越高，而越远的位置相对较低。

由图9可知，每年取热完成以后，埋管深度相同时，距离埋管越远土壤温度越低，且不同埋管深度的变化趋势一致。

4  结论

（1）每年取热结束后，距埋管中心间距不同的测点温度变化趋势大致相同，且距离埋管中心间距相同时，深度越大的测点每年取热结束后温度越低。

（2）每年取热取热结束后，深度不同的测点温度变化趋势相同，且深度相同时，距离埋管中心距离较远的测点温度变化幅度较大，距离埋管中心越远，土壤温度越低。

（3）取热结束后蓄热体温度逐年升高，无法把储存在蓄热体中热量百分之百提取出来，且预埋管只做顶部保温，没有考虑四周及底部保温，实际会造成能量损失，需要今后逐渐完善该部分内容。

参考文献：

[1] 何涌. 关于在暖通系统中太阳能与地源热泵相结合达到节能的几点探讨[M]. 四川成都：低碳世界， 2014. 329-330.

[2] 徐伟，刘志坚. 中国地源热泵技术发展与展望[J]. 建筑科学，2013，29（10）：26-33.

[3] 杨守留. 利用浅层地热的度源热泵系统的施工[J]. 中国招标. 2016（39）.