土壤源热泵埋管换热器周围土壤温度场的数值模拟及实验研究

摘要

土壤源热泵是一种节能环保的技术，但是其地埋管换热器的吸热排热不平衡问题是应用过程中面临的一个普遍问题。关于土壤温度变化和热泵系统性能变化之间的互相影响的研究很少，本文的主要目的是建立能够反应土壤源热泵系统在运行过程中埋管换热器周围土壤温度变化规律及其对热泵系统运行影响的动态耦合模型，同时建立实验台进行土壤温度响应实验，利用实验数据对动态模型进行验证。利用验证过的动态耦合模型进行为期七年的传统土壤源热泵和多功能土壤源热泵运行工况模拟和对比。具体的研究工作包括：
　　(1).建立了以变热流线热源模型、钻孔内一维传热模型和热泵机组稳态仿真模型相结合的动态耦合模型，计算埋管换热器周围土壤温度变化和热泵系统的运行性能之间的互相影响。
　　(2).搭建了多功能土壤源热泵实验台，利用实验台进行了为期近一个月实验，利用实验数据对建立的动态耦合模型进行验证。
　　(3).采用经验证的动态耦合模型，分别模拟了夏热冬冷地区传统土壤源热泵系统和多功能土壤源热泵系统运行七年时间内土壤温度的变化和热泵机组的运行性能变化，结果表明传统土壤源热泵系统运行七年以后，土壤温度升高了1.91℃～2.69℃，冷却水进水温度将升高到36℃，而多功能土壤源热泵系统运行七年以后土壤温度基本没有变化，冷却水进水温度也能保持在33℃。
　　研究结果表明建立的动态耦合模型能够比较准确地反应热泵机组的运行情况和土壤温度的变化情况，可以用于实际工程中。同时证明夏热冬冷地区，随着传统土壤源热泵机组的运行时间的延长，埋管换热器周围的土壤温度升高，钻孔数量越多这种升高趋势将越明显，这将对土壤源热泵的运行特别是制冷期的运行造成较大的影响，而文章建立的多功能土壤源热泵系统能够有效平衡这种吸热排热不平衡，减缓甚至消除土壤温度的升高的趋势，对土壤源热泵的长期运行有利。