第３３卷第４期 武汉工程大学学报 Ｖ０１．３３ Ｎｏ．４ ２０１１年Ｏ４月 Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ａｐｒ． ２Ｏｌ１ 文章编号 １６７４—２８６９（２０１１）０４—００４２—０４ 地源热泵地埋管多层岩土温度场的数值分析 管昌生 ，万 兆 ，放 （１．武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉４３００７０； ２．华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉４３００７４） 摘要：将地埋管周围同物性岩土分层，模拟地源热泵地埋管夏季制冷条件下各岩土层非稳态传热过程；与一 般传热模型模拟结果对比，分析钻孔外岩土区域温度场热作用特性．利用多层岩土传热模型，研究了距钻孔一 定距离处岩土温度场分布随运行时间的变化规律，以及进口流体速度、土壤热物参数对地埋管周围岩土温度 场分布的影响．计算结果可为地源热泵地埋管换热器的动态模拟、优化设计提供参考． 关键词：ｕ型埋管；地源热泵；非稳态传热；多层岩土温度场；数值模拟 中图分类号：ＴＵｌ１１．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０ｌ１．Ｏ４．０１１ ０ 引 言 导热，回填材料与土壤传热以及土壤的导热． １．１ 简单模型 利用地下土壤蕴藏的丰富地热能源，是走可 对于地源热泵地埋管周围岩土层温度场分布 持续发展能源道路的一个重要方向．有研究表 研究，在相同热物性岩土层内的传热分析，一般采 明ｌ】］：土壤能削减和延迟地表温度波的传递，在地 用如下传热模型： 表５ ｍ以下地温约等于当地年平均气温．在地源 热泵垂直地埋管的研究中，传热分析产生了多种 等一 （ａｒ Ｐ Ｃ Ｏ＼ ＋Ｌ ｒ ｒ ／ａＴ） ≤ ）（ ” １） 不同的传热模型￣２－５７．地埋管下穿通过多层热物性 式（１）中： 、 、Ｃ 为土壤的导热系数（Ｗ／ｍ・℃）、 不同岩土层，其温度场分布对热泵系统传热有很 密度（ｋｇ／ｍ。）和比热（Ｊ／ｋｇ・℃）； 为等效管外径 大影响，需建立多层岩土非稳态传热模型并进行 （ｍ）；ｒｂ为钻孔半径（ｍ）；Ｔ为对应土层的土壤温 分析与研究． 度（℃）；ｆ为时间（ｓ）． 本文从一般传热模型人手，分别对单一土层 １．２多层岩土传热数学模型 模型和多层岩土模型中地埋管周围岩土层传热进 地源热泵埋管周围土壤看做无限大的传热介 行数值模拟分析与对比，研究地源热泵钻孔内地 质，初始温度均匀，各层岩土热物性为常数．埋管 埋管周围土壤非稳态传热温度场分布规律．并利 简化为线热源，深度方向传热不考虑，用当量管直 用多层岩土传热模型，对岩土层热物性对地源热 径Ｄ 一 Ｄ。代替钻孔尺寸 ］，其中 是孔内埋 泵地埋管换热性能及埋管周围土壤温度分布影响 管根数．模型分层示意图如图ｔ所示． 加以对比分析１６。］． １ 垂直Ｕ型埋管计算模型分析 在工程实际中，竖直地埋管一般会下钻穿过 多个热物性不同的岩土层．为简化计算，物性相同 岩土层设为同一地质分层，于是各个岩土层之间 最重要的区别就是岩石与土壤的分界面ｌ８］．地埋 管在各个物性相同土层内传热为非稳态复杂传热 图１模型分层图 过程，包括管内液体与管内壁间的对流传热，管壁 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌ ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ 的导热，管壁与回填材料之间的传热，回填材料的 采用非稳态的传热模型．对每一岩土层，二维 收稿日期：２０１１—０２—２８ 基金项目：国家自然科学基金项目（编号５１０７８１６０）资助 作者简介：管吕生（１９５７一），男，博士，教授，博导．研究方向：建筑节能技术与理论 ４４ 武汉工程大学学报 第３３卷 图３ 多层模型３５ ｍ深处温度场分布 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ３５ ｍ ｄｅｐｔｈｓ 图２、３分别代表距离地表２０ ｍ和３５ ｍ处及上 下，地埋管周围岩层温度场土壤温度场竖直方向 分布．图中温度数值为绝对温度（单位为Ｋ）． ４．２ 两种模型温度模拟结果比较 一般传热模型里任一距地表深度处土层温度 分布相同，选取２８ ｍ深处作为代表温度数据；多 层模型下，三种土层温度结果各不相同．２Ｏ ｉｎ深处 为粘土和砂土分层深度，选取上下各１ ｍ处，即 １９ ｍ深处和２１ Ｉｎ处，作为代表深度． 以上三处深度温度分布曲线对比如图４所 —ｐｖ＼越赠 示．三条曲线不重合，代表两种模型下不同岩土层 温度分布不同．２１ ｍ和２８ Ｉｎ代表深度处土层热物 性相同而温度分布曲线不重合，说明多层模型考 虑到不同物性土层之间传热影响，温度分布产生 相应变化，更符合工程实际． 窳 赠 色钻ｆＬ中心／ｍ 图４ 三种代表深度处温度场分布 Ｆｉｇ．４ Ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｄｅｐｔｈｓ ４．３ 两种模型热物参数模拟结果对比 改变土层热物参数导热系数，在两种模型中 对比各个热物参数对温度分布及热泵系统传热 性能影响．热泵连续运行２０天工况，以距地表１８ １ＴＩ深度处土壤（ｅｇ例为粘土层）为例，改变土壤导 热系数（ ），分别选取 一１和 一２，在相同入水 流速下，土壤温度场径向分布对比如图５、６所 示． 分析可知提高埋管周围土壤（回填材料同 理）导热系数，土壤温度增幅提高，即在同样运行 时间内，换热效率增大，同时也使得热作用半径 增大。 寇 赠 ０ ５ １０ １５ ２Ｏ 时间／天 图５土壤导热系数 一１工况 Ｆｉｇ．５ Ｓｏｉｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ａ一１ Ｅｊ亟 三捆 Ｏ ５ １０ Ｉ５ ２０ 时间／天 图６土壤导热系数Ａ＝２工况 Ｆｉｇ．６ Ｓｏｉｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ２ ５ 结 语 地源热泵换热系统钻孔经过热物性不同的多 层岩土，地埋管在钻孔周围岩土层传热分布十分 复杂．本文提出传热多层模型，模拟地埋管与周围 多层复杂岩土换热工况，模拟结果表明该模型符 合工程精度要求．对不同钻孑Ｌ深度周围岩土温度 分布的比较结果表明，Ｕ型地埋管周围岩土传热 随介质导热系数增大而增加，合适的土壤构造有 利于增强热泵系统换热能力，提高系统的换热效 率及经济性．利用多层模型对地埋管周围土壤温 度场研究，在工程实际中可以有效减小换热器埋 管长度，降低地源热泵初投资，保证系统稳定高效 运行，为地源热泵技术应用与推广产生积极作用． 参考文献： Ｅｌｉ Ｓｔｅｖｅ Ｋａｖａｎａｕｇｈ．Ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ［Ｊ］． ＡＳＨＲＡＥ，１９９８（４Ｏ）：３１３６． ［２］管昌生，刘卓栋，陈绪义．地源热泵地埋管可靠性设 计方法研究［Ｊ］．节能，２００８（１０）：２９—３３． ［３］曾和义，乃仁，方肇洪．地源热泵垂直埋管的有限 长线源模型［Ｊ］．热能动力工程，２００３，１８（１０４）： １６６—１７Ｏ． ［４］赵军，张春雷，李新国，等．ｕ型管埋地换热器三维传 热模型及实验对比分析［Ｊ］．太阳能学报，２００６，２７ （１）：６３—６６． ［５］Ｈｉｋｍｅｔ Ｅｓｅｎ， Ｍｕｓｔａｆａ Ｉｎａｌｌｉ， Ｍｅｈｍｅｔ Ｅｓｅｎ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ—ｃｏｕｐｌｅｄ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ 第４期 管昌生，等：地源热泵地埋管多层岩土温度场的数值分析 ［８］ ４５ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，４２：１１２６—１１３４． Ｐｉｅｃｈｏｗｓｋｉ Ｍ．Ｈｅａｌ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ 李亮，等．土壤源热泵地下垂直换热 ［６］ 吕丽霞，李素芬，埋管周围非稳态温度场的数值模拟ＥＪ］．节能，２００５ （６）：６—９． ｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｌ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ：ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８（２２）：９６５—９７９． ａｎ ＧＵ，Ｄｅｎｎｉｓ Ｌ，０’Ｎｅａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ［９］ Ｙｉ赵军，周倩．ｕ型垂直埋管换热器管群周围 Ｅ７３ 李新国，土壤温度数值模拟Ｆ－Ｊ］．太阳能学报，２００７，２５（５）： ｂａｃｋｆｉｌｌｓ ｏｎ Ｕ—ｔｕｂｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｉｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］． ７０３—７０７． ＡＳＨＲＡＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ。１９９８，ｌＯ４（２）：３５６—３６５． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ＧＳＨＰ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｂｅ ＧＵＡＮ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ ，ＷＡＮ Ｚｈａｏ ，ＨＵＰｉｎｇ—ｆａｎｇ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏ１ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｙｅｒｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｂｅ ａｒｏｕｎｄ ｗｉｔｈ ｐｈｙ—ｓｉｃａｌ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｓｉｍｕｌａｔｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ（ＧＳＨＰ）ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｂｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｎ ｓｕｍｍｅｒ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｗｉｔｈ ｇｅｎｅｒａｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｎｔｒａｓｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｈｏｔ ｅｆｆｅｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｕｓｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ， ａｎｄ ｉｍｐｏｒｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｓｏｉｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｂｅ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｕ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｂｅ；ＧＳＨＰ；ｕｎｓｔｅａｄｙ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 本文编辑：龚晓宁 ☆ （上接第４１页） Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｄａｙｅ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ。ｓｏｕｒｃｅ ＱＷ Ｄａｎ－ｄａｎ ，ＬＩ Ｘｉａｎ—ｆｕ （Ｓｃｈ ｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｍｕｃｈ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｉｒｏｎ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｎｅｉｇｈｂｏｒｓｈｉｐ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｗｏｒｋ ｗｈｉｃｈ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｒｅａｔ ｔｏ ｗｏｒｋ ａｎｄ ｌｉｆｅ．Ｔｈｅｖｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｏｆ Ｄａｙｅ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ—ｓｏｕｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ｉｎｃｌｕｄｅ ｍｕｌｔｉ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ＲＳ ｄａｔａ， ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｍａｐ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍａｐ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ），ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｗａｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ Ｉｎｔｅｇｒａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ—ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｇｏｖｅｒｎａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｓｔｅｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｌａｐｓｅ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｍｕｌｔｉ—ｓｏｕｒｃｅ；ｍｕｌｔｉ—ｔｅｍｐｏｒａｌ；Ｄａｙｅ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ 本文编辑：龚晓宁
