基于Fluent模擬的地埋管周圍不同深度土壤溫度場變化分析

李坤坤　康琳　支鵬羽　于瑞佼　馬坤茹

摘? 要：利用Gambit建模軟件建立簡單的埋管模型，并定義其邊界條件，利用Fluent數值模擬軟件分別模擬距離埋管中心不同距離處測點溫度變化情況，并且在不同距離處設置不同深度的測點，經過為期六年的間歇性連續模擬，最終得出距離埋管中心距離相同時，土壤各測點溫度變化趨勢因測點的深度不同而不同，且深度越大，溫度越低;測點深度相同時，土壤各測點溫度變化趨勢因測點距埋管中心距離不同而不同，且距離越遠溫度越低，但是，無論哪一種情況，每年取熱完成之后各測點溫度都有所升高，即每年完成系統正常運行后土壤溫度都有所升高。

關鍵詞：地埋管;不同深度;數值模擬;溫度場;變化分析

1? 引言

我國北方寒冷地區污染嚴重，清潔能源供熱逐漸替代燃煤供熱，地源熱泵供熱得到廣泛認可，因為我國北方寒冷地區采暖期比較長，冷熱負荷不均衡，長期使用導致地下溫度逐漸降低，采暖效果受到影響，一般采用加熱器輔助加熱，考慮到北方寒冷地區太陽能資源豐富，在非采暖季將太陽能的熱量轉移到土壤中儲存，即解決地下溫度場不平衡問題又有效利用清潔能源做到節能減排，順應時代潮流。所以對地下溫度場進行全面的研究才能讓我們更好地掌握和應用該系統。

2? 太陽能耦合地源熱泵系統

2.1? 系統組成

由圖1可以看出，該系統主要可以分為三部分：集熱器、蓄熱庫及熱用戶。

2.2? 系統運行情況

2.2.1 在非采暖季節運行情況

在非采暖季節，集熱器吸收太陽能加熱罐中的熱水使其高溫度，達到設定溫度后，啟動預埋管道中的熱水循環將熱量轉移到土壤中使其溫度升高，土壤用作儲熱體，以儲存冬季取暖的熱量。

2.2.2 在供暖季節運行情況

2.2.2.1 白天太陽光照射度較高時，集熱器收集太陽光的熱量通過板式換熱器1、2為用戶供暖。在用戶需要熱量較多時，存儲在土壤中的熱量可以通過板式熱交換器3為用戶供熱。

2.2.2.2 白天太陽光照射度較低或晚上無光時，主要利用埋管中儲存的熱量通過板式換熱器3為用戶供暖，不足的部分可由輔助熱源通過板式換熱器2為用戶提供熱量。

3? 垂直U型管傳熱數學模型

3.1? 模型建立情況

采用線源模型，該模型將垂直預埋管看作一均勻的線熱源，將管外的蓄熱體視為一個實體。假設該線源沿深度方向單位長度的熱流為一固定常量，即具有恒定的熱流。埋管模型建立時參數選擇見下表1：

具體模型及網格劃分情況見上圖2：

本文埋管周圍蓄熱體以粘土為例進行研究，計算過程中設置距離埋管不同距離不同深度的測點，材料的物性參數取值如下：粘土（含水量15%）：密度1925[kgm3]、比熱容1298.7[Jkg?K]、導熱系數1.5[W/m?K];水：密度998.2[kgm3]、比熱容4182[Jkg?K]、導熱系數0.6[W/m?K]。

3.2? 模擬結果分析

系統進行六年間歇性連續運行，期間加載UDF程序完成對太陽能光照時間、流體流速以及溫度的控制，模擬過程中在埋管周圍設置不同的測點，橫向測點距離埋管中心距離分別為1.1m，3.1m，和5.1m，再在不同中心距處設置不同的深度，分別為5m，10m，15m，通過比較過程中產生的數據對溫度場進行分析，最終根據每年取熱完成后土壤溫度情況分析溫度場分布，具體數據見下圖：

由以上數據可知，當測點距離埋管中心距離相同時，不同深度的測點溫度變化趨勢大致相同，但具體數值不同，可以每年取熱完成后看出來深度越深的測點溫度越低，深度越淺的測點溫度越高，并且隨著運行時間的延長，因為土壤中的熱量無法百分之百取出來，各測點溫度都有所提升。

由圖8數據可知，不同埋管深度時，不同測點溫度變化情況不同，但是每年的變化趨勢基本一致，可以觀察到在系統每年取熱結束后，距離埋管間距越近，溫度越高，而越遠的位置相對較低。

由圖9可知，每年取熱完成以后，埋管深度相同時，距離埋管越遠土壤溫度越低，且不同埋管深度的變化趨勢一致。

4? 結論

（1）每年取熱結束后，距埋管中心間距不同的測點溫度變化趨勢大致相同，且距離埋管中心間距相同時，深度越大的測點每年取熱結束后溫度越低。

（2）每年取熱取熱結束后，深度不同的測點溫度變化趨勢相同，且深度相同時，距離埋管中心距離較遠的測點溫度變化幅度較大，距離埋管中心越遠，土壤溫度越低。

（3）取熱結束后蓄熱體溫度逐年升高，無法把儲存在蓄熱體中熱量百分之百提取出來，且預埋管只做頂部保溫，沒有考慮四周及底部保溫，實際會造成能量損失，需要今后逐漸完善該部分內容。

參考文獻：

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