地源热泵地埋管换热器传热相关性研究
摘 要
随着环境问题的日益突出和人类对于能源需求量的增大，地源热泵空调系统
以其高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点
成为二十一世纪最引人关注的空调技术之一。地埋管换热器是地源热泵系统与土
壤，地下水或地表水进行热交换的装置，是地源热泵系统的核心部件，其性能好
坏直接影响地源热泵系统的性能优劣。因此对地源热泵地埋管换热器的传热相关
性研究至关重要。
本文首先介绍了地源热泵系统的组成及原理，主要包括模块式地源热泵机组、
循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等；总结了国内外地埋管换热器
传热研究进展以及地埋管换热器传热分析方法。然后通过土壤热响应测试实例，
现场测试确定测试场地内土壤的基本参数，包括土壤的原始地温，地埋管换热器
单位长度的平均放热量及取热量，岩土热物性参数，包括地埋管换热器深度范围
内各个岩土层以及回填材料的热物性参数等；并根据土壤热响应测试得到的数据
分析地埋管换热器的传热特性，建立了地源热泵地埋管换热器数学物理模型，利
用FLUENT 软件对地埋管换热器多年使用情况进行数值模拟，研究其传热相干性
的影响情况。通过对地源热泵地埋管换热器传热性能实测与多年非连续运行工况
的模拟结果比较，得到不同地埋管间距周围的土壤温度沿径向的变化规律及地埋
管相互间传热相干性的影响规律。
结果显示，较大的埋管间距不仅可以保证热泵系统全年以较高的换热效率运
行，还可使土壤全年温度波动值较小，对土壤自身物性影响较小，换热越有利。
但应合理利用土地资源，根据当地气候条件、土壤性质及建筑环境的实际情况，
合理设计地埋管换热器埋管间距。同时确定针对长三角地埋管换热器每延米换热
量50W/m 左右的地区，最佳埋管间距为 4.3m。对于其他地区可根据具体地质条件
通过模拟数据拟合出供冷天数与埋管间距的线性关系曲线。由此，可根据不同的
地区所需供冷天数来确定 U 型埋管换热器的两管间距。
关键词：地源热泵 地埋管间距 传热相干性 多年非连续运行 土
壤热响应测试 数值模拟
ABSTRACT
Along with the environmental problem getting obvious and the increasing energy
demands of human beings, Ground source heat pump air conditioning system has
become one of the most compelling air conditioning technologies in the 21st century
with its advantages of high efficiency and energy saving, safe and reliable operation,
simple structure, no pollution to the environment and a widely range of using etc.
Buried pipe heat exchanger is the device for heating exchanging among ground source
heat pump system, the soil, groundwater and surface water, and it is the core
components of Ground source heat pump system. Its performance has direct influence
on the quality of ground source heat pump system. As a result, it is significant for the
heat transfer correlation research of ground source heat pump buried pipe heat
exchanger.
The thesis firstly introduces the composition and principle of ground source heat
pump system, mainly including modular ground source heat pump units, circulating
water pump, water loop, water system control box and indoor temperature controller
etc; secondly, the research progress and heat transfer analysis methods of buried pipe
heat exchanger at home and abroad be summarized. Then through the soil thermal
response test case, it determines the soil basic parameters about the test field, including
the original soil temperature, buried pipe heat exchanger of unit length average heat
exchange amount, the thermal and physical properties of geotechnical parameters,
including the depth range of buried pipe heat exchanger with each rock layer and
backfill material parameters etc. According to the soil thermal response test data, it
analysis the heat transfers characteristics of buried pipe heat exchanger and established
the ground source heat pump buried pipe heat exchanger mathematical and physical
model be .lastly, it does numerical simulation through the several years` using
conditions with the FLUENT software, so that to study the influence of the heat transfer
coherence. Based on the results between the numerical simulation on several years`
non-continuous running condition and measurements of the buried tube heat transfer
performance on the radial, it gets the changing law of the soil temperature around the
different buried pump space along radial direction and the effecting law of the heat
transfer coherence effects among the buried pumps.
The results show that large buried pipe spacing not only can ensure the heat pump
system with higher thermal efficiency in operation, but also can make the soil
temperature fluctuation value smaller, the smaller soil physical properties of their
influence, with the better heat transfer. But should be rational utilization of land
resources, according to the local climate condition, soil properties and the actual
situation of construction environment, design the buried pipe heat exchanger buried pipe
spacing reasonable. At the same time to determine the long triangle buried pipe heat
exchanger heat per linear meter in 50 W/m, the best buried pipe spacing is 4.3 m. For
other areas the specific geological conditions, through the simulation data fitting out
cooling days and buried pipe spacing of the linear relationship curve. According to
different region for cooling days to make sure the two tube U buried pipe heat
exchanger spacing.
Key Word：GSHP，Buried Tube Heat Space，Coherence Effects，
Discontinuous Operation for Years， geo-thermal response
test，Numerical Simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
1.1 研究背景及意义.....................................................................................................1
1.2 地源热泵系统原理简述.........................................................................................2
1.2.1 地源热泵系统的组成.......................................................................................2
1.2.2 地源热泵系统的原理.......................................................................................2
1.2 研究进展.................................................................................................................3
1.2.1 国外研究进展...................................................................................................3
1.2.2 国内研究进展...................................................................................................4
1.2.3 地埋管换热器传热分析方法...........................................................................5
1.3 本文的主要研究内容.............................................................................................9
第二章 土壤导热系数的确定及热响应测试实验........................................................11
2.1 地埋管换热器热响应测试的意义和目的...........................................................11
2.1.1 热响应测试的意义.........................................................................................11
2.1.2 热响应测试的目的.........................................................................................11
2.2 测试实验概况.......................................................................................................12
2.3 测试参考标准.......................................................................................................12
2.4 土壤热响应测试实验...........................................................................................12
2.4.1 热响应测试实验目的.....................................................................................12
2.4.2 热响应测试实验原理.....................................................................................12
2.4.3 测试系统.........................................................................................................13
2.5 测试方案...............................................................................................................15
2.5.1 测试孔制作方案.............................................................................................16
2.5.2 岩土初始温度测试方案.................................................................................16
2.5.3 土壤热物性测试方案.....................................................................................16
2.5.4 具体测试进度.................................................................................................17
2.6 地下土壤的地质构成...........................................................................................17
2.7 土壤初始平均温度...............................................................................................18
2.8 岩土热物性参数计算...........................................................................................18
2.8.1 数据记录.........................................................................................................18
2.8.2 岩土热物性参数计算.....................................................................................19
2.8.3 岩土热物性计算举例.....................................................................................22
2.8.4 计算结果汇总.................................................................................................23
2.9 测试结论...............................................................................................................24
2.9.1 土壤初始温度.................................................................................................24
2.9.3 土壤换热器热交换量.....................................................................................24
2.10 本章小结.............................................................................................................24
第三章 地源热泵相关性全年性能分析、数值模拟研究及实验验证........................25
3.1 地源热泵空调系统相关性及热平衡研究...........................................................25
3.1.1 相邻地源热泵系统土壤热平衡影响因素分析.............................................25
3.1.2 地埋管换热器换热效果影响因素分析.........................................................26
3.2 地下换热器数值求解模型...................................................................................29
3.2.1 CFD 数值模拟软件简介................................................................................29
3.2.2 物理模型.........................................................................................................30
3.2.3 数学模型.........................................................................................................31
3.2.4 网格划分.........................................................................................................32
3.2.5 边界条件及 FLUENT 中的求解设置............................................................33
3.3 地源热泵的全年性能模拟结果分析...................................................................35
3.3.1 夏季制冷循环地埋管换热器换热性能模拟.................................................36
3.3.2 冬季制热循环地埋管换热器换热性能模拟.................................................43
3.3.3 地源热泵空调系统全年非连续运行地埋管换热器换热性能模拟分析.....48
3.3.4 地源热泵空调系统多年运行地埋管换热器换热性能模拟.........................52
3.4 模型的实验验证...................................................................................................62
3.4.1 实验概况.........................................................................................................62
3.4.2 实验目的.........................................................................................................62
3.4.3 模拟结果与实测结果比较分析.....................................................................62
3.5 本章小结...............................................................................................................64
第四章 总结与展望........................................................................................................65
4.1 全文总结...............................................................................................................65
4.2 体会和展望...........................................................................................................66
参考文献.........................................................................................................................67
第一章 绪论
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
地热是一种可再生的自然能源，而地壳中蕴藏着丰富的地热能，特别是在传
统能源越来越匮乏的今天，地热能的利用在许多国家已得到了相当的重视。地源
热泵中央空调系统就是利用了地球表面浅层地热资源，作为空调系统冷热源，进
行供冷供热的。地源即地表浅层地热资源，包括地下水、河流、湖泊以及地表土壤
吸收太阳能、地热能后而蕴藏的低品位热能。地表浅层可以吸收 47%太阳能，相当
于人类每年利用能量的 500 倍，是一个巨大的太阳能集热器。并且不受地域、环境
资源限制，量大面广无处不在。正是这种近乎无限的地表浅层可再生能源，使得
地源也成为一种可再生清洁能源。
地源热泵中央空调系统就是利用水与地源（地下水、土壤或地表水）进行冷
热交换的设备，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为
“热泵”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时
地源为“冷源”。地源热泵空调系统需要输入少量的高品位能源，可实现低品位
热能向高品位的转移。与电或燃料锅炉供热系统相比较，锅炉供热系统只能将
90%以上的电能，或 70%～90%的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热
泵空调系统要比电锅炉加热系统节省电能达到65%以上，比燃料锅炉节省能量达
到50%以上。并且地源热泵空调系统的热源温度一般为9～16℃，全年较为稳定，
其COP 可达3.5～6.3，比传统空气源热泵高出 40%左右，而运行费用仅为普通中
央空调的一半。地源热泵中央空调系统的污染物排放也比空气源热泵减少 40%以
上，比常规电供暖减少 70%以上，如果结合其他节能措施减排效果会更明显。
作为一种先进的空调技术，地源热泵已经在世界范围取得长足的进展和应用，
并取得了非常可观的节能效果和经济价值。地源热泵系统是二十世纪最引人关注
的空调技术之一，被列入可再生能源之列。由于地源热泵中央空调系统具有结构
简单、运行高效节能并且稳定可靠、维护费用低、对环境无污染、使用范围广泛等优
点[1]，近年来在我国呈现出了很好的推广趋势。国外在70 年代已经开始研究和发
展地源热泵技术。目前，地源热泵作为商品在美国等发达国家已进入成熟期，而
在我国则处于起步阶段。但是，随着地源热泵技术的逐步发展，目前对地源热泵
大多从稳定传热模型、且土壤源看成无限大热源的角度进行理论分析，对地源热
泵相关的土壤源全年的温度变化及性能指标变化研究较少，然而土壤源的温度变
化和性能变化直接关系到地源热泵的寿命，很值得研究。为了使其更好地发挥节
能减排效应，对地源热泵空调系统传热相关性研究，并对影响地源热泵运行性能
的相关因素进行讨论，将对地源热泵的应用推广有着重大的经济效益和社会意义
并可为地源热泵设计应用提供依据。
1.2 地源热泵系统原理简述
1.2.1 地源热泵系统的组成¾
地源热泵空调机组是一种水冷式的供冷、供热机组。机组由同轴套管式水/制
冷剂热交换器、封闭式压缩机、热力膨胀阀、四通换向阀、空气侧盘管、风机、空气
过滤器、安全控制装置等组成。地源热泵空调机组本身带有一套可逆的制冷、制热
装置，可直接用于空调系统供冷、供热。地源热泵系统是由模块式地源热泵机组、
1
地源热泵地埋管换热器传热相关性研究
循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等组成的。¾系统设计简单、灵活、
安装快速。机组在工厂组装好并自带温度控制装置，现场工作只是少量低压风管、
电气连接装置和不需要保温的水管的连接。管道可采用钢管、铜管或塑料管。维修
方便快捷，机组结构坚固，寿命长久。地源热泵机组的功率系数 COP 可达到3.5～
6.3，即1千瓦电输入，有三千到六千瓦多冷量输出的高效率。
1.2.2 地源热泵系统的原理 ¾
地源热泵系统是一种由双管路水系统连接起建筑物中的所有地源热泵机组而
构成的封闭环路的中央空调系统，如图 1-1 所示。
图1-1 地源热泵空调系统原理图
冬季，地源热泵系统通过地埋管从大地收集自然界的热量，而后由环路中的
循环水把热量带到室内，再由地源热泵系统驱动的压缩机和热交换器把这些大地
的能量集中，并以较高的温度释放到室内。
夏季，此运行程序相反，地源热泵系统将从室内抽出的多余热量排入环路而
为大地所吸收，使房屋得到供冷。图1-2 为地源热泵地埋管换热器冬夏季热交换示
意图。¾
2
第一章 绪论
3
地源热泵地埋管换热器传热相关性研究
图1-2 热交换示意图
1.2 研究进展
1.2.1 国外研究进展
早期的地源热泵研究主要集中于土壤的传热性质、埋管换热器形式、埋管的影
响因素等方面。1948 年H.J.Plass 和L.R.Ingersoll [2]把地源热泵单管地埋管换热器的
传热简化为线热源模型分析求解，此种理论对于使用小管径埋管，长时间运行的
地源热泵空调系统符合良好。并于 20 世纪 50 年代将线热源理论应用于地埋管换热
器的计算。Hart 和Couvillion 模型[3]基于 Kelvin 线源理论，提出了远场半径的概念
并定义为 ，式中α为土壤的热扩散率(m2/s)，τ为运行时间(s)。1959 年
H.S.Carslaw 和J.C.Jaeger[4]改进了线热源理论，提出圆柱热源理论，这种理论对大
管径埋管和短时间运行的地源热泵系统也适用。
进入上世纪 80 年代后，对多孔介质和土壤性质的研究不断深入，出现了建立
在能量和质量守恒基础上的同时考虑传热和传质的耦合模型。1981 年J.Y.Baladi 和
D.L.Ayers[5]测量了两种土壤中的传热，建立了一维瞬态模型模拟地埋换热器附近
土壤中的传热传质过程。1985 年V.C.Mei 和C.J.Emersonu[6]建立了水平地埋单管与
土壤传热数学模型，考虑了管子周围土壤冻结的影响。1986 年M.Prat[7]分析了封闭
不饱和多孔介质系统中的传热传质耦合过程，建立二维模型进行数值计算。同年
V.C.Mei 和C.J.Emerson[8]，对六个不同深度、不同回填土的竖直地埋 U型管进行研
究，他们用等效方法把U型管等效为柱热源，考虑回填土的影响，但是没有考虑
土壤中水分迁移的影响。
90 年代以来，针对地源热泵地埋管换热器的换热机理、强化换热以及换热器
匹配等方面的研究依然是地源热泵系统的研究热点。此时的研究更多地关注热泵
系统与地埋管换热器、地埋管换热器与土壤之间相互耦合的传热、传质模型，从而
可以更好的模拟地埋管换热器换热的真实情况[9]；同时回填材料的研究也在展开，
通过采用热物性更好的回填材料强化地埋管换热器在土壤中的导热过程；为进一
步优化系统，有关地埋管换热器与地源热泵系统的最佳匹配参数的研究也在开展
1991 年P.K.Yin 和G.E.Hite[10]用实验和数值计算的方法研究了湿饱和砂土中柱状
换热器表面的对流换热。1992 年J.Sheridan[11]结合实验测量的多孔介质中的传热建
立数学模型，研究由温差和浓度差造成的传热、传质的耦合过程。1995 年Yian Go
和Dennis L.0.Neal[12]，将竖直U形管等效成圆柱热源，用分析方法求解传热，得
到了近似解。1997 年Steve P.Rottmaye 等人[13]在圆柱坐标下利用柱坐标网格形状代
替U型地埋管换热器单只管脚的圆管形状建立数学模型计算，这种方法仍是一种
等效计算法，与等效柱热源法相比，它可以考虑管内流动和柱坐标下角度方向的
传热。2001 年，Bernier[14]在叠加原理的基础上又进一步利用负荷累积的方法将改
进的圆柱源理论进一步应用于短时间步长的长期地源热泵系统模拟，并取得了满
意的结果。
1.2.2 国内研究进展
我国对地源热泵地埋管换热器研究从上世纪 80 年代开始，其技术推广过程是
先实践后理论。研究过程基本可以分为两个阶段：
从上世纪 80 年代初开始为第一阶段的研究过程，天津大学[15]、天津商学院[16]
4
摘要：
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摘要随着环境问题的日益突出和人类对于能源需求量的增大，地源热泵空调系统以其高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点成为二十一世纪最引人关注的空调技术之一。地埋管换热器是地源热泵系统与土壤，地下水或地表水进行热交换的装置，是地源热泵系统的核心部件，其性能好坏直接影响地源热泵系统的性能优劣。因此对地源热泵地埋管换热器的传热相关性研究至关重要。本文首先介绍了地源热泵系统的组成及原理，主要包括模块式地源热泵机组、循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等；总结了国内外地埋管换热器传热研究进展以及地埋管换热器传热分析方法。然后通过土壤热响应测试实例，现场测试确定测试场地内...
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作者：牛悦
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时间：2024-11-11
