地源热泵地埋管周围土壤温度场的模拟研究.pdf

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1、材料应用地源热泵地埋管周围土壤温度场的模拟研究112张彦峰　杨鹏　侯静北（1.河北建筑设计研究院有限责任公司，河北石家庄050011；2.方工程设计研究院有限公司，河北石家庄050011）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进行三维非稳态模拟，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。关键词：地源热泵；非稳态模拟；土壤温度场中图分类号：TU99文献标志码：A文章编号：1674—3024（2014

2、）2—5—022.1运行不同时间土壤温度场前言模拟截取0.5m为半径范围内的土壤温度场。如图1到地源热泵是利用地表浅层土壤或水源作为冷热源，通6所示，图中横坐标是以两管脚中心为零点向正负方向延过输入少量的高品位能（电能），实现热量由低温热源向高伸的半径长度（mm），纵坐标是温度（K）。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FLU

3、ENTL前处理软件GAMBIT建立地埋管及周图1运行10min温度场图2运行1h温度场围土壤的几何模型。U型埋管模型为埋管长100m，管内直径为26mm，管壁厚为3mm，管脚间距为80mm；钻井（填充层）模型是直径140mm，深101m，以两管脚中心为圆心的圆柱体；土壤模型是与钻井圆心重合圆柱体，半径为5m，深105m。合理的划分网格，使模拟值接近实际值。地下埋管换热器主要与周围土壤换热。土壤温度随时间和空间变化，影响地温分布的因素有地上温度、风速、太阳辐射、大地表面长波辐射、植被覆盖情况、降雨量、图3运行3h

4、温度场图4运行1d温度场空气湿度、地下岩土结构及其物性不同等，但原始地温分布主要受大地表面温度的日周期变化、年周期变化影响。（1）土壤温度的日变化。大地表面温度，随日出后逐渐升高，到13：00-14：00升高到最大值，然后逐渐降低。土壤随深度的增加，日变化幅度明显减小，温度波动也有延迟，一般地下一米以下土层的温度变化几乎为零。（2）土壤温度的年变化。地下土壤温度从全年来看，从二月份开始升高，到八月份达到最大值，之后逐渐下降；图5运行10d温度场图6运行90d温度场随土层深度的增加，年变化幅度逐渐减小，波动也出现

5、延迟，从图中可以看出，系统连续运行10分钟、1小时、3到达一定深度后，土壤温度终年恒定不变。一般在5-10m小时、1天、10天及90天，土壤半径为0.5m范围内温度以下，年波动温度很小可以忽略。场的分布情况。模拟结果表明，系统运行初期，埋管周围土壤温升较快；3小时后埋管近距离处土壤温度虽然有所2非稳态模拟升高，但温升速度减缓，热量逐渐向远处传递，影响半径本模拟为夏季制冷工况的非稳态模拟，土壤初始平均温逐渐扩大；1天后影响半径已经达到0.5m的范围；1天后度288K，入口流体初始温度为310K，管内流速为0.4m

6、/s。土壤周围温升缓慢，影响半径继续扩大；连续运行10天，地埋管非稳态模拟由于初始换热量大，选取小步长进行模拟，半径0.5m处的土壤升高4.5℃；连续运行至90天，土壤随着运行时间的延长，换热逐渐趋于稳定，逐步加大步长。半径0.5m处温升缓慢。90天时，半径0.5m处土壤温升2014年第2期　下半刊建筑建材装饰5材料应用大概为7.5℃，说明随着运行时间的增加，热量向四周方远半径处土壤温差小。半径2m以外，温差越来越小，运向传递，埋管近距离处的土壤温度随运行时间的增长而逐行90天后，半径2m处温升为2.4℃；半径

7、3m处温升为渐趋于稳定。1.4K；半径4m处温升为0.8K；半径5m处温升为0.3K。模拟截取5m为半径范围内的土壤温度场。如图7到远离地埋管的土壤温升有延迟，温升缓慢且温升幅度小，图10所示，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。0.1m0.3m0.5m0.7m11.522.533.544.55303300297温度(K)294图7运行1h半径5m温度场图8运行1d半径5m温度场2912880102030405060708090时间(d)图11运行90d不同半径土壤温度变化曲线3结

8、论通过对地源热泵地埋管周围土壤温度场的三维非稳态图9运行10d半径5m温度场图10运行90d半径5m温度场模拟研究，提供了地源热泵长期运行地下土壤温度场的变从图中可以看出，将半径为0m到5m范围内土壤的温化情况。通过分析土壤温度场，得出以下结论：度场分布耦合成一条曲线，得到运行1到90天内不同时间（1）土壤温度场随着地源热泵运行时间的增加而不断的土壤温度场。模拟结果表明，系统运行初期，