我國地域?qū)拸V，蘊(yùn)藏著豐厚的地表淺層地能資源(一般小于400m)，因?yàn)橥寥涝礋岜帽旧淼膬?yōu)越性，以及大家對(duì)環(huán)保、節(jié)能認(rèn)識(shí)的日益注重，土壤源熱泵在我國必將有著寬廣的發(fā)展前景。土壤耦合熱泵體系因其運(yùn)用可再生的地?zé)崮?，被稱為是2l世紀(jì)的一項(xiàng)最具有發(fā)展前途的具有節(jié)能和環(huán)保含義的制冷空調(diào)技能，而蓄冷技能則是為緩解電力供應(yīng)嚴(yán)重局勢，在以平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷、削峰填谷為意圖的局勢下敏捷發(fā)展起來的一種改動(dòng)電力需求側(cè)用電辦法的空調(diào)技能。鑒于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種合適于以空調(diào)負(fù)荷為主、采暖負(fù)荷為輔區(qū)域的全新的熱泵型空調(diào)體系一土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成體系。該體系在建筑物空調(diào)時(shí)段，進(jìn)行周期性的蓄冷、釋冷、停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，盤管周圍土壤也隨之發(fā)作周期性的凍融相變；冬天可供應(yīng)建筑物所需的熱量。文獻(xiàn)[1]從前對(duì)這種體系在熱傳導(dǎo)機(jī)制下進(jìn)行過研討。

本文即對(duì)準(zhǔn)這種體系，進(jìn)一步研討滲流對(duì)地下管群換熱器換熱的影響狀況。

當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于豎直U型埋管換熱器的傳熱模型都是依據(jù)純導(dǎo)熱的模型，盡管許多研討者和工程技能人員認(rèn)識(shí)到地下水滲流可以對(duì)地下埋管換熱器的換熱才能發(fā)作重要的影響，也提出過一些定性的剖析，可是因?yàn)樵搯栴}的雜亂性，至今很少見到深化的理論剖析，現(xiàn)有的地下埋管換熱器描繪軟件首要依據(jù)線熱源理論、圓柱熱源理論、能量守恒方程等來樹立操控方程，也都沒有思考地下水滲流的影響。

但在美國明尼蘇達(dá)州，從前呈現(xiàn)現(xiàn)場測驗(yàn)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)極度偏高，后經(jīng)剖析是由地下水活動(dòng)惹起的_2j。英國的一棟三層辦公樓夏日管內(nèi)流體均勻溫度測驗(yàn)值比模仿值低許多，測驗(yàn)值只到達(dá)3℃，經(jīng)剖析是因?yàn)榈叵滤顒?dòng)使管周圍的溫度下降而惹起的_3j。此外，在幾個(gè)現(xiàn)場測驗(yàn)和選用人工地下水活動(dòng)的模仿實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的表象_4j。因而，本文對(duì)準(zhǔn)土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成體系，進(jìn)一步研討地下水滲流對(duì)地下管群換熱器換熱的影響。

1 雙功用地下管群換熱器

土壤蓄冷與土壤耦合熱泵體系首要使用于冬夏負(fù)荷不平衡的區(qū)域，在夏日對(duì)土壤進(jìn)行蓄冷、釋冷，使埋管換熱器兼作換熱器和蓄冷設(shè)備用，冬天對(duì)建筑物供熱。因?yàn)槎膶?duì)地下管群換熱器的需求各不相同，夏日需求管距離較小，有利于蓄存高品質(zhì)冷量；冬天為了滿意供暖需求，防止時(shí)刻久出力缺乏表象，就需求較大的管距離。本文即對(duì)準(zhǔn)這種狀況，冬夏選用不一樣連管辦法組成不一樣的地下管群，模仿剖析地下管群換熱器的傳熱機(jī)制。冬夏選用的地下管群換熱器模型見圖1示，夏日選用37根管聯(lián)供，夜間lOh蓄冷，下降土壤溫度；白日8h釋冷，供應(yīng)建筑物空調(diào)運(yùn)用，6h停機(jī)。冬天選用圖中所示的1、20、23、26、29、32、35共7根管進(jìn)行10h供暖.依據(jù)文獻(xiàn)可知,長江中下流區(qū)域地下水位線較高,其間上海區(qū)域的地下水位線均勻?yàn)?.0-1.5沒.因而本文在核算有滲流狀況時(shí)將地下群換熱器思考成全部坐落飽滿區(qū)內(nèi).  

2 熱滲耦合效果下的傳熱模型

地下管群換熱器的傳熱是一個(gè)雜亂的非穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)程，此進(jìn)程所觸及的幾許條件和物理?xiàng)l件很雜亂，一般需求進(jìn)行較長時(shí)刻的運(yùn)算。為便于剖析，須對(duì)問題做以下必要 的簡化 將土壤當(dāng)作一個(gè)均勻的、各向同性的多孑L介質(zhì)，疏忽質(zhì)量力；不思考熱輻射影響和粘性耗散；流體與固體霎時(shí)到達(dá)局部熱平衡，即 (，Y，t)=T( ，Y，￡)=T( ，Y，t)，其間，下標(biāo)f和s別離對(duì)應(yīng)于流體和固體。將兩管腳傳熱相互影響的筆直u型管換熱器等效為一當(dāng)量直徑的單管。

在非等溫滲流中，一個(gè)物質(zhì)體系或空間體積內(nèi)含有固體和流體兩局部，在研討實(shí)踐非等溫滲流時(shí)要把二者結(jié)合起來構(gòu)成一致的能量方程，令土壤的孑L隙率為 ，則單相流體非等溫滲流的能量方程為：

 其間：(pc。)?！嗫捉橘|(zhì)(包羅水)的總熱容；后 總熱導(dǎo)率；q ——總內(nèi)熱源； ——熱容比；口 ——總熱擴(kuò)散系數(shù)。

對(duì)準(zhǔn)體系夏日蓄冷、釋冷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中存在的固液相變問題，本文選用了固相增量法。在土壤凍融相變進(jìn)程中存在著凍住區(qū)、未凍住區(qū)及兩相含糊區(qū)，該兩相含糊區(qū)約束在凍住溫度 的等溫界面和凍住溫度 ．的等溫界面之間，因而界說無因次量一固相率 為土壤凍融相變含糊區(qū)中凍土所占的質(zhì)量成分，即當(dāng)． =0時(shí)，土壤處于未凍住狀況；當(dāng)．廠目=l時(shí)處于凍住狀況；而當(dāng)0<廠目<1時(shí)，土壤處于兩相含糊區(qū) j。一起假定固相率的添加(或減小)與土壤水相變潛熱的開釋(或吸收)量成正比，而且在土壤的凍融相變溫度區(qū)間 ∈[ ， ]內(nèi)，土壤水的相變潛熱是均勻地與溫度呈線性地開釋與吸收，如圖2所示。

若是別離對(duì)土壤與盤管溫度進(jìn)行求解，則二者接壤面上的鴻溝條件應(yīng)包羅溫度及暖流密度兩類條件。盤管內(nèi)壁與流體接壤面相同也遭到流體與壁面之間相互效果的制約，這種熱鴻溝條件是由熱量交流進(jìn)程動(dòng)態(tài)的加以決議而不能預(yù)先給定，對(duì)準(zhǔn)這種耦合傳熱問題，可以先假定接壤面上的溫度散布，對(duì)其間一個(gè)區(qū)域進(jìn)行求解，得出耦合鴻溝上的局部暖流密度和溫度，然后再求解另一區(qū)域，得出界面上新的溫度散布，再以此為根底從頭核算第一個(gè)區(qū)域，重復(fù)核算以致收斂。本文為了防止這種重復(fù)迭代核算，選用了整場離散、整場求解辦法，界面上的當(dāng)量熱擴(kuò)散系數(shù)選用諧和均勻法 ]。因?yàn)椴灰粯咏橘|(zhì)相接壤面兩邊物質(zhì)的熱容不持平，為了滿意耦合界面上暖流接連條件，選用“虛擬密度法”處理這個(gè)問題_8 J。由上述得到地下埋管換熱器非穩(wěn)態(tài)通用操控方程為：   

則上式與(9)、(10)、(11)、一起構(gòu)成地下埋管換熱器非穩(wěn)態(tài)操控方程，其間，角標(biāo)i為s， ，P，別離對(duì)應(yīng)于土壤、管內(nèi)流體和盤管；坐標(biāo) i為 或 ，別離對(duì)應(yīng)于土壤或管內(nèi)流體。公式(12)為體系運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中的操控方程，當(dāng)體系停運(yùn)時(shí)，管內(nèi)流體處于停止?fàn)顩r，流體與管壁間以導(dǎo)熱的辦法進(jìn)行傳熱，此刻管內(nèi)流體的能量平衡方程為：

則上式與(5)、(7)、(9)、(10)、(11)一起構(gòu)成地下埋管換熱器停運(yùn)時(shí)的操控方程。

式中， ——土壤干基含水量，kg／kg；“ ——管內(nèi)流體流速，m／s； ——水的凝聚潛熱，J／kg，H=334560J／kg；7"o——土壤、盤管及管內(nèi)流體的初始溫度，oC；Ti——各介質(zhì)的溫度，oC；Tj ——盤管進(jìn)口水溫，oC；I。d——土壤干密度，kg／m3； ?！P管導(dǎo)熱系數(shù)，k m3；I。i，(c )i——介質(zhì)i的密度k m3及比熱J／(kg·oC)； ，Cp——土壤兩相區(qū)中冰水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)W／(m·oC)及比熱J／(kg·c【=)。

本文對(duì)準(zhǔn)地下埋管換熱器管群進(jìn)行模仿剖析，選用整場模仿進(jìn)行全體求解的辦法。對(duì)準(zhǔn)地下埋管換熱器物理模型的雜亂性，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)分，有限容積法對(duì)方程離散，Gauss．Seidel點(diǎn)迭代法進(jìn)行求解。

為了比擬有滲流與無滲流兩種狀況，本文別離對(duì)冬天供熱工況、夏天空調(diào)工況別離進(jìn)行核算剖析，關(guān)于冬天供熱工況，體系接連運(yùn)轉(zhuǎn)60d、每天供暖10h；關(guān)于夏天工況，選用了15d預(yù)蓄冷，然后正常運(yùn)轉(zhuǎn)90d、每天10h蓄冷、8h釋冷、6h停機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形式。

3 地下管群換熱器模仿剖析

3．1 滲流對(duì)體系運(yùn)轉(zhuǎn)特性的影響

關(guān)于冬、夏兩種工況，核算時(shí)選用的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

3．1．1 有滲流與無滲流狀況下的土壤溫度場

有滲流的狀況下，地下埋管換熱器的傳熱辦法有兩種：一是多孔介質(zhì)骨架和孔隙中地下水的導(dǎo)熱；二是地下水滲流發(fā)作的水平對(duì)流換熱。圖3a、圖3b別離給出了夏日工況下能否有滲流兩種土壤狀況下前期預(yù)蓄冷第15天第24小時(shí)的土壤溫度場。從圖中可以看出，無滲流時(shí)的土壤溫度場是近于中心對(duì)稱的，但因?yàn)闈B流效果，有滲流的土壤溫度場將發(fā)作變形，將蓄進(jìn)的冷量都集合到水流下流。但無論哪種狀況，預(yù)蓄冷后局部盤管周圍的土壤均現(xiàn)已結(jié)冰，愈加有利于這種夜蓄日供體系的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3c、圖3d描繪了冬天工況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)第6o天的土壤溫度場。相同可以看出，無滲流狀況下的土壤溫度場是中心對(duì)稱的，有滲流狀況下的土壤溫度場發(fā)作變形，而且有滲流時(shí)的盤管周圍土壤溫度相對(duì)較高，更有利于冬天供熱工況。

3．1．2 滲流對(duì)盤管換熱量及出水溫度的影響

1)夏日工況成果剖析

a)有無滲流時(shí)盤管的換熱狀況

圖4a給出了夏日空調(diào)工況下有無滲流時(shí)地下埋管換熱器的逐日蓄冷量、逐日釋冷量狀況，從圖中可以看出，兩種狀況下的日蓄冷量在前期預(yù)蓄冷時(shí)刻都逐步下降，進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻后，初期逐日蓄冷量都逐步添加，而逐日釋冷量都逐步很小，但很快到達(dá)平衡。此外，因?yàn)樵谟袧B流狀況下存在的地下水對(duì)流換熱添加了盤管的冷量丟失，所以從圖4a中也可以看出，埋在有滲流土壤中的盤管日蓄冷量高于埋在無滲流土壤中的狀況，而前者的日釋冷量卻低于后者，因而有滲流土壤中的盤管日釋冷率(日釋冷量／日蓄冷量)僅到達(dá)62．25％，而無滲流土壤中的盤管日釋冷率能到達(dá)89．10％，是前者的1．43倍。圖4b給出了夏日空調(diào)工況下有無滲流時(shí)地下埋管換熱器運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的盤管出水溫度。兩種狀況下的盤管出水溫度跟著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻添加都逐步升高，有滲流狀況下的盤管出水溫度從3．6l℃升高到8．19℃ ，增幅到達(dá)127％；無滲流狀況下的盤管出水溫度從2．73℃升高到7．74℃，增幅到達(dá)183％。而且，有滲流狀況下的盤管出水溫度均高于無滲流狀況下的溫度值。

由此可見，若地下埋管換熱器埋在有滲流的土壤中而未思考滲流的影響會(huì)帶來很大的差錯(cuò)，因而在地下埋管換熱器的描繪核算中應(yīng)依據(jù)土壤狀況區(qū)別對(duì)待。

b)有無滲流時(shí)盤管方位對(duì)換熱的影響

在夏日工況下，為了蓄冷、釋冷進(jìn)程能杰出運(yùn)轉(zhuǎn)，因而地下埋管換熱器管群的37根地下埋管距離很小，為0．6m，而從圖5可以看出，地下盤管因?yàn)榉轿徊灰粯幼鳂I(yè)才能亦不一樣。關(guān)于無滲流工況來說，盤管的作業(yè)才能是近于中心對(duì)稱的，中心和最內(nèi)一圈盤管的釋冷率幾近持平，約為1．075。這首要是因?yàn)樵诠苋盒罾溥M(jìn)程中，內(nèi)側(cè)盤管冷丟失相關(guān)于外側(cè)盤管而言較小，所以內(nèi)側(cè)盤管的日蓄冷量相對(duì)較低，而日釋冷量卻相對(duì)較高；中心一圈盤管的日釋冷率均勻?yàn)镺．981，而最外一囤盤管的日釋冷率均勻?yàn)?．773，最外圈的盤管的日釋冷率偏低首要是因?yàn)橥馊ΡP管的外側(cè)都是原狀土壤，所以冷丟失相對(duì)而言較大形成的。此外，關(guān)于有滲流工況來說，因?yàn)榈叵滤顒?dòng)的存在，水流下流的節(jié)點(diǎn)日釋冷率較高。例如：3個(gè)峰值都呈如今下流節(jié)點(diǎn)6、7、l6、17、18、33、34處。由此可以看出，地下水活動(dòng)將蓄冷量逐步轉(zhuǎn)移到下流區(qū)域，因而咱們也可以思考在夏日選用不一樣的聯(lián)管辦法以供應(yīng)不一樣用戶的需求。        

但總的來說，關(guān)于這種新的夏日運(yùn)轉(zhuǎn)辦法，即夜蓄日供辦法來說，無論盤管埋在有滲流的土壤中仍是無滲流的土壤中，夏日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)日釋冷率都較高，但有滲流狀況下的地下埋管換熱器在夏日空調(diào)工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況要劣于無滲流狀況。

2)冬天工況成果剖析

關(guān)于冬天供熱工況而言，地下水活動(dòng)增強(qiáng)了盤管周圍土壤的恢復(fù)才能，因而相關(guān)于無滲流土壤會(huì)有較強(qiáng)的供熱才能。圖6給出了有無滲流狀況下盤管的逐日取熱量，可以顯著看出，有滲流時(shí)分的盤管日取熱量較高，而且更易到達(dá)穩(wěn)態(tài)供熱工況。圖7給出了兩種土壤狀況下的盤管出水溫度狀況。無滲流土壤中的盤管均勻出水溫度從7．3l降到6．42，降幅為12．2％；有滲流土壤中的盤管均勻出水溫度從7．50降到6．78，降幅為9．6％；而且，有滲流土壤中的盤管均勻出水溫度均勻比無滲流土壤中的盤管均勻出水溫度高3．83％。

3．2 滲流速度對(duì)體系運(yùn)轉(zhuǎn)特性的影響

關(guān)于冬、夏兩種工況，核算時(shí)選用的各項(xiàng)參數(shù)見表1。別離挑選15m／a、30m／a、60m／a三種滲流速度進(jìn)行比照剖析。

3．2．1 夏日工況成果剖析 

跟著滲流速度的添加，地下水活動(dòng)帶來的冷丟失逐步增大。從圖8中可以看出，與滲流速度為15m／a比較，當(dāng)滲流速度添加到30m／a時(shí)，日蓄冷量添加了4．3％、日釋冷量下降了8．8％；當(dāng)滲流速度添加到60I／1／／t時(shí)，日蓄冷量添加了l4．96％、日釋冷量下降了l8．4o％。因而，關(guān)于這種新的夏日運(yùn)轉(zhuǎn)辦法，實(shí)踐使用中應(yīng)思考盡量將地下埋管換熱器埋在滲流速度低的土壤中，以期杰出運(yùn)轉(zhuǎn)。    

圖9表明了3種滲流速度狀況下的盤管出水溫度狀況。盤管出水溫度跟著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻的延伸而逐步升高，滲流速度為15m／a狀況下的盤管均勻出水溫度為6．43cC，而當(dāng)滲流速度增大到30m／a、60rrda時(shí)，盤管均勻出水溫度別離升高了0．49oC、1．16oC，增幅別離到達(dá)了7．62％、18．30％。

3．2．2 冬天工況成果剖析

從圖l0可以看出，跟著地下水流速的添加盤管的逐日取熱量逐步添加。而且滲流速度越高，體系到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)刻越短，因而將地下埋管換熱器埋在滲流速度大的土壤中可以增強(qiáng)其在冬天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的換熱才能，更有利于實(shí)踐工程。        

4 結(jié) 論

地下埋管換熱器的傳熱是一個(gè)雜亂的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱進(jìn)程，本文依據(jù)熱滲聯(lián)合效果下的傳熱模型，選用整場離散、全體求解辦法求得地下埋管換熱器、管內(nèi)流體及周圍土壤的數(shù)值解，深化剖析了滲流對(duì)地下埋管換熱器傳熱的影響。顛末剖析可知，關(guān)于夏日蓄冷、釋冷的運(yùn)轉(zhuǎn)辦法，地下水活動(dòng)添加了體系冷丟失，對(duì)蓄冷晦氣；而關(guān)于冬天工況，滲流增強(qiáng)了地下埋管換熱器周圍土壤的恢復(fù)才能，對(duì)地下埋管的吸熱非常有利，因而傳統(tǒng)的地下埋管熱泵體系宜埋在有滲流的土壤中。而土壤蓄冷與土壤耦合熱泵體系首要合適使用在空調(diào)負(fù)荷為主、采暖負(fù)荷為輔的區(qū)域，因而合適于在地下水流速較小或無滲流的土壤中使用，而且可以依據(jù)建筑物的實(shí)踐熱負(fù)荷在冬夏挑選不一樣的連管辦法。

若是盤管埋在有滲流的土壤中，而在描繪核算中沒有思考滲流的影響，則會(huì)帶來必定的誤差，形成盤管容量過大或過小。此外，滲流對(duì)這種新體系的冬夏運(yùn)轉(zhuǎn)工況影響不一樣，因而實(shí)踐使用中還應(yīng)注意到滲流的不一樣影響。

實(shí)踐上筆直地下埋管換熱器穿過不一樣的地質(zhì)層，包羅非飽滿區(qū)和飽滿區(qū)，對(duì)此咱們應(yīng)該分層予以思考，因而在后續(xù)作業(yè)中將進(jìn)一步對(duì)不一樣的地下水位線狀況進(jìn)行剖析。換熱機(jī)組,換熱器,熱交換器,汽水混合器,乏汽回收,凝結(jié)水回收,噴射器,汽水換熱器。