地下水滲流作用下地埋管間歇散熱特性

地下水滲流作用下地埋管間歇散熱特性

張琳琳1a，趙蕾1a，楊柳1b，胡松濤1a,2

(1.西安建筑科技大學(xué) a.環(huán)境與市政工程學(xué)院，b.建筑學(xué)院，西安 710055；

2.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

摘要：為了探求地下水滲流對(duì)地埋管換熱器間歇運(yùn)行性能所產(chǎn)生的影響，基于移動(dòng)的有限長(zhǎng)線熱源理論模型解析解，利用MATLAB軟件編程計(jì)算，分析滲流對(duì)單鉆孔地埋管換熱器的影響。同時(shí)對(duì)比分析了連續(xù)和間歇運(yùn)行情況下其周圍土壤的溫度響應(yīng)特征和過余溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)。研究表明：埋管周圍土壤的溫度變化是由熱流密度、土壤本身的熱物性和實(shí)際滲流速度耦合作用影響的，而在間歇運(yùn)行下其因素影響更加明顯。

關(guān)鍵詞：地下水滲流；移動(dòng)線熱源模型；土壤溫度響應(yīng)；間歇運(yùn)行

Received:2015-06-10

Foundation item：The Key Scientific and Technological Innovation Team Project in Shaanxi Province(No.2012KTC—11)

Author brief：Zhang Linlin (1988-), PhD candidate, main research intrest: optimization of the ground source heat pump heat transfer model，(E-mail)zhangll226@163.com.

因高效、節(jié)能、環(huán)保，運(yùn)行費(fèi)用低，土壤源熱泵作為空調(diào)的冷熱源而得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種可再生能源應(yīng)用技術(shù)，有助于減少系統(tǒng)運(yùn)行過程中的CO2排放量[1]。但是，其節(jié)能效果與埋管換熱器的換熱性能密切相關(guān)，而換熱性能又取決于埋管換熱器周圍淺層土壤的水文地質(zhì)條件，即其系統(tǒng)的運(yùn)行性能與埋管周圍巖土的熱物性密不可分。

此外，地下水滲流也會(huì)影響埋管換熱器的換熱性能。Chiasson等[2]通過有限差分法計(jì)算并分析了地下水流動(dòng)對(duì)垂直埋管換熱器性能的影響，指出若忽略地下水在土壤中遷移的影響則會(huì)導(dǎo)致其埋管設(shè)計(jì)偏大，使初投資增加。范蕊等[3- 4]采用整體求解方法對(duì)管內(nèi)流體、地下埋管換熱器及周圍土壤的溫度響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值求解, 分析表明,地下水的流動(dòng)對(duì)土壤初始溫度場(chǎng)影響較為明顯，且滲流速度越高影響越大，建議地下埋管應(yīng)盡量選擇埋設(shè)在地下水流速較大的區(qū)域。另外，關(guān)于地下水流動(dòng)對(duì)于熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的影響的研究也有所開展[5-7]，研究表明地下水滲流直接影響了埋管換熱器與周圍土壤的熱量傳遞效率，對(duì)鉆孔內(nèi)熱阻及土壤的綜合導(dǎo)熱系數(shù)的估計(jì)也有一定的影響，從而會(huì)影響對(duì)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性及系統(tǒng)的初投資的有效評(píng)估?？梢姡角蟮叵滤疂B流對(duì)地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)地埋管換熱器有重要的意義。

實(shí)際工程中熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間由建筑物的使用時(shí)間決定，并非連續(xù)運(yùn)行。熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行有助于土壤溫度的恢復(fù)和機(jī)組對(duì)地?zé)岬母咝Ю谩８咔嗟萚8]曾分別對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)采用兩口100、200 m深的豎井進(jìn)行了自然狀況下土壤初始溫度分布、連續(xù)運(yùn)行地溫變化規(guī)律以及間歇性地溫變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，著重分析了間歇運(yùn)行時(shí)的地溫變化趨勢(shì)，提出了可控性間歇性技術(shù)，間歇運(yùn)行過程可提高或降低平衡穩(wěn)定溫度，提高機(jī)組運(yùn)行效率。尚研等[9]進(jìn)行了熱泵間歇運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)試分析了熱泵間歇運(yùn)行過程中地溫變化規(guī)律及其對(duì)換熱效率和機(jī)組性能的影響，并對(duì)埋管與周圍土壤的熱濕耦合傳遞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了土壤物性和環(huán)境因素對(duì)地溫恢復(fù)過程的影響，表明熱泵可控間歇運(yùn)行策略對(duì)于改善地下傳熱，提高熱泵系統(tǒng)性能具有重要作用。

對(duì)于考慮地下水滲流作用下地埋管間歇散熱所引起的土壤溫度響應(yīng)還需要進(jìn)一步的確定各影響的因素的影響作用。本文擬利用可考慮地下水滲流作用的移動(dòng)有限長(zhǎng)線熱源模型對(duì)單孔豎井地埋管換熱器連續(xù)或間歇散熱作用下的土壤溫度響應(yīng)和恢復(fù)特性加以深入的分析。

1地埋管換熱器傳熱模型

1.1　移動(dòng)有限長(zhǎng)線源模型

因垂直地埋管換熱器鉆井的直徑遠(yuǎn)小于其深度，但深度也有限。為綜合考慮地表溫度以及地下水滲流作用的影響，可將其簡(jiǎn)化為半無(wú)限大介質(zhì)中的線熱源傳熱問題，基于以下假設(shè)：

1)視土壤為各向同性的半無(wú)限大多孔介質(zhì)，且物性不隨溫度的變化而變化。

2)視土壤表面溫度恒定為其初始溫度值T0，忽略垂直地溫梯度的影響；

3)線熱源的熱流量為常數(shù)，即定熱流。

4)忽略地下水滲流速度沿埋管軸向的變化，視其為一維的均勻滲流。

(1)

其初始條件及邊界條件為

(2)

采用格林函數(shù)法和虛擬熱源法，得到埋管散熱所引起土壤的瞬變過余溫度場(chǎng)為[10-11]

(3)

其中，

(4)

式中:H為鉆孔深度，m。

當(dāng)τ→∞時(shí)，過余溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定，

(5)

1.2　模型驗(yàn)證

一深60 m、單位井深熱流量為50 W·m-1的單鉆孔埋管在砂礫層中散熱，砂礫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.98 W·m-1·K-1，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.7×10-6m·s-1，體積比熱容為1.4×10-6J·m-3·K-1，孔隙率為0.31。其中地下水滲流速度為3×10-7m·s-1，即當(dāng)量滲流速度為9×10-7m·s-1。所引起鉆孔中心水平面上土壤的穩(wěn)定過余溫度場(chǎng)的MFLS模型解如圖1所示。

圖1　鉆孔中心平面上過余溫度Fig.1　Temperature change in the middle plane of

選取一20 m×30 m×60 m的地塊，物性和地下水滲流速度設(shè)置如上所述的數(shù)值，對(duì)定熱流線熱源在其中的傳熱過程進(jìn)行三維數(shù)值仿真，所生成的144 950個(gè)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意如圖2所示。選用Realizable k-ε模型，并采用SIMPLE算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2　Schematic of the grid meshing

圖3和圖4分別為鉆孔中心水平面上土壤中穩(wěn)定的溫度分布云圖以及鉆孔中軸面上過余溫度的數(shù)值解和解析解對(duì)比曲線。在離鉆孔中心較近的地方，兩者之間出現(xiàn)了較大的偏差，但是由于解析解模型簡(jiǎn)化鉆井為線熱源，因此，在x取值較小的情況下，解析解求解是趨于無(wú)窮大的，與實(shí)際情況不符。同時(shí)，利用數(shù)值模擬和解析解模型均存在相關(guān)的簡(jiǎn)化和假設(shè)。因此，排除離鉆孔較近的點(diǎn)的值，其余位置處的過余溫度值均有較好的吻合度，且兩者的偏差在允許誤差范圍之內(nèi)。則對(duì)于該解析解模型的正確性得到了很好的印證，其程序可以直接用于分析和預(yù)測(cè)不同情況下埋管散熱的土壤溫度場(chǎng)情況。

圖3　鉆孔中心平面上數(shù)值過余溫度云圖Fig.3　Temperature cloud numerically in the middleplane of borehole

圖4　鉆孔中心水平軸沿x軸方向上的過余溫度值對(duì)比Fig. 4　Comparison of temperature change along x-axis direction in the middle plane of

2地下水滲流對(duì)埋管傳熱的影響

以砂礫層中的埋管散熱為例，基于MFLS模型，計(jì)算和分析地下水滲流對(duì)鉆孔散熱所引起的土壤過余溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

2.1　有無(wú)滲流單孔豎井連續(xù)放熱的土壤溫度響應(yīng)對(duì)比

圖5為無(wú)滲流和滲流當(dāng)量速度為U=9×10-7m·s-1時(shí)，z=30 m水平面上離鉆孔中心上、下游0.5 m處土壤的過余溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。可見，無(wú)滲流時(shí)，其距鉆孔中心上、下游0.5 m處的土壤溫度變化是一致，即土壤中的過余溫度場(chǎng)沿鉆孔中心對(duì)稱分布；而在滲流作用下，上下游距鉆孔中心0.5 m處土壤的溫度變化明顯不一致，下游處的溫升明顯高于上游相同距離處。這與文獻(xiàn)[12-14]關(guān)于地下水滲流影響下的溫度等值線將明顯沿地下水滲流方向偏移的結(jié)論是一致的。同時(shí)，滲流的影響導(dǎo)致上、下游的熱作用區(qū)域與無(wú)滲流時(shí)發(fā)生了改變，即地下水滲流的影響導(dǎo)致下游的熱作用區(qū)域增大，而上游的熱作用區(qū)域縮小。也就是說，地下水滲流對(duì)與其逆向的傳熱有抑制作用，而對(duì)沿著滲流方向的傳熱有促進(jìn)作用。因此，有無(wú)滲流對(duì)埋管周圍土壤溫度分布有很大的影響。

圖5　有無(wú)滲流下，鉆孔中心上下游0.5 m處土壤過余溫度響應(yīng)曲線Fig.5　Soil temperature response in the upstream and downstream of 0.5 m without groundwater

2.2　不同滲流速度下單孔豎井連續(xù)放熱的土壤熱作用距離

圖6為沿x方向不同當(dāng)量滲流速度時(shí)鉆孔中心水平面埋管連續(xù)散熱情況下對(duì)上、下游的熱作用距離隨時(shí)間變化的曲線。不同滲流速度下的熱作用距離是不一樣的，當(dāng)量滲流速度為5×10-9m·s-1時(shí)，上、下游的熱作用距離幾乎相等，且與無(wú)滲流時(shí)的熱作用半徑相等；當(dāng)量滲流速度為9×10-8m·s-1時(shí)，上、下游的熱作用距離也幾乎相等，但略大于無(wú)滲流時(shí)的熱作用半徑；當(dāng)量滲流速度大于9×10-8m·s-1時(shí)，對(duì)下游較對(duì)上游的熱作用距離大，下游的熱作用距離大于沒有滲流時(shí)的熱作用半徑，而對(duì)上游的熱作用距離則小于無(wú)滲流時(shí)的情形。則說明滲流不僅影響埋管周圍熱量的傳遞，而且隨著滲流速度的增大，沿著滲流方向的影響范圍就會(huì)加大，越容易把埋管散出的熱量隨著滲流的流動(dòng)攜帶出去。因此地下水滲流有利于埋管周圍土壤的散熱，緩解熱量在埋管周圍的堆積。

圖6　不同滲流速度下，鉆孔連續(xù)散熱對(duì)其上下游影響的熱作用距離Fig.6　Thermal effect distance of borehole with thedifferent groundwater advection

可見，地下水滲流有利于埋管散熱。當(dāng)滲流速度較大時(shí)，其滲流的影響就會(huì)使純導(dǎo)熱下的埋管換熱與實(shí)際存在較大的偏差，而忽略其影響使結(jié)果失真而導(dǎo)致地埋管換熱器設(shè)計(jì)的偏差，會(huì)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初投資增加。因此，當(dāng)?shù)叵滤疂B流速度較高時(shí)，建立滲流作用下的地埋管的傳熱分析是十分必要的。

3單鉆孔埋管間歇運(yùn)行下的溫度響應(yīng)

通常，地埋管與土壤間的熱交換根據(jù)建筑空調(diào)需要多為間歇的，且有周期性。下面對(duì)地下水滲流作用下單孔埋管換熱器恒熱流連續(xù)散熱和以恒定階躍熱流間歇散熱所引起的土壤的溫度響應(yīng)加以對(duì)比。全天24小時(shí)內(nèi)地埋管的散熱和停歇時(shí)間比為8:16，單位井深熱流量在散熱時(shí)段為50 W·m-1，停歇時(shí)段為-1 W·m-1，仍以砂礫層為例加以討論。

3.1　滲流速度對(duì)單豎井間歇和連續(xù)散熱的溫度響應(yīng)對(duì)比

圖7給出了地下水當(dāng)量滲流速度分別為9×10-8、9×10-7、9×10-8m·s-1和0時(shí)單豎井埋管間歇和連續(xù)散熱情況下土壤中x=0.5 m、y=0 m、z=30 m處的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)曲線?？梢?，間歇散熱時(shí)土壤溫度總體也隨著時(shí)間的推移而升高，但每個(gè)間歇時(shí)段內(nèi)土壤溫度都有一定的恢復(fù)。例如，埋管在當(dāng)量滲流速度為9×10-7m·s-1的土壤中連續(xù)散熱5 d后，(0.5,0,30)處的溫度升高了6.3 ℃，而間歇散熱則僅升高2.1℃。這表明間歇散熱有利于地溫恢復(fù)而使土壤升溫速率減緩，此外，對(duì)比有無(wú)地下水滲流時(shí)埋管間歇散熱所引起的土壤溫度響應(yīng)，地下水滲流有助于增強(qiáng)熱量在土壤中的擴(kuò)散能力，在埋管間歇散熱最初的50 d內(nèi)，有滲流時(shí)(0.5,0,30)處土壤的溫升比無(wú)滲流作用時(shí)明顯，這是因?yàn)闊崃繒?huì)隨著滲流的流動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)遷移到該處，而隨著時(shí)間的推移，滲流作用下熱量會(huì)較快地被帶到更遠(yuǎn)處。而且，地下水滲流也有利于間歇時(shí)段地溫更有效地恢復(fù)和熱量更好地?cái)U(kuò)散，因此，隨著時(shí)間的推移，該處的溫度變化會(huì)更早地趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值。也就是說，地下水滲流有助于提高埋管間歇散熱模式下土壤的溫度恢復(fù)能力。有助于增強(qiáng)埋管換熱器的長(zhǎng)期換熱性能。

圖7　不同滲流速度作用下埋管間歇與連續(xù)散熱時(shí)土壤的溫度響應(yīng)曲線Fig.7　Soil temperature responses to intermittent and continuous heat rejection in the soil with differentgroundwater advection

滲流作用使土壤溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間大大縮短，且滲流速度越大，達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間越短，穩(wěn)定后的溫升值也越小。間歇時(shí)段土壤溫度的恢復(fù)幅度卻越大?？梢姡?dāng)?shù)叵滤疂B流速度較大時(shí)，如不考慮其對(duì)埋管間歇散熱所引起的土壤溫度響應(yīng)和恢復(fù)特性的影響，則關(guān)于埋管換熱能力的計(jì)算就會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。

3.2　熱流密度對(duì)單豎井間歇和連續(xù)散熱的溫度響應(yīng)對(duì)比

圖8給出了不同熱流密度下，埋管連續(xù)散熱和間歇散熱下的x=0.5 m、y=0 m、z=30 m處土壤溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)。可見，熱流密度越大，土壤達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，穩(wěn)定后的溫升值也越大。然而在散熱初始階段，不同熱流密度所引起的土壤溫升變化差別很小，隨著時(shí)間的推移，土壤溫升差別增大。當(dāng)散熱時(shí)間為20 d時(shí)，單位長(zhǎng)度熱流密度為50、60、70 W時(shí)，間歇運(yùn)行下的過余溫度分別比連續(xù)運(yùn)行下過余溫度值低10.8、9.3、7.5 ℃，即隨著埋管散熱的熱流密度增大，其間歇運(yùn)行的效果就越明顯。

圖8　熱流密度對(duì)單豎井間歇和連續(xù)散熱的溫度響應(yīng)對(duì)比Fig.8　Soil temperature responses to intermittent andcontinuous heat rejection from a single borehole inthe soil with different heat

3.3　地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)單豎井間歇散熱的溫度響應(yīng)對(duì)比

為進(jìn)一步考察地下水滲流作用下地埋管在不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土壤中傳熱時(shí)的溫度響應(yīng)和恢復(fù)特性的差別，分別對(duì)砂礫、粘土、砂土和砂巖中埋管散熱的情況進(jìn)行分析，當(dāng)量滲流速度取為9×10-7m·s-1。除砂礫外的3種土壤的物性參數(shù)見表1。

表1　典型土壤的熱物性參數(shù)表

圖9給出了滲流影響下的不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土壤中單豎井埋管換熱器間歇散熱情況下x=0.5 m、y=0 m、z=30 m處的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)曲線?？梢?，達(dá)到穩(wěn)定后，砂礫中的溫升最大，砂土的次之，砂巖的溫升最小，達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間也較短。這是由于砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)較大，且滲流的實(shí)際流速也較大的緣故。但是，在埋管散熱的最初階段，砂土中的溫升最大，砂礫中和砂巖中的分別次之，而粘土的溫升最小。這是由于砂土的導(dǎo)熱系數(shù)不是很小，而其熱擴(kuò)散系數(shù)又較大，且其中滲流的實(shí)際流速很小，熱傳導(dǎo)較熱對(duì)流對(duì)熱量在土壤中遷移的影響作用強(qiáng)，所以埋管散出的熱量會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)迅速地傳播到(0.5,0,30)處。而砂巖和粘土中的滲流實(shí)際流速較大，熱量能迅速地隨滲流的遷移而被帶走，因此最初砂土中該點(diǎn)的溫度上升最為明顯，而其余地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土壤中的溫度變化量相對(duì)較小。但是，由于熱傳導(dǎo)相對(duì)于地下水滲流對(duì)熱量在土壤中遷移的影響作用還是占主導(dǎo)地位。因此，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)熱系數(shù)較大且熱擴(kuò)散系數(shù)較小的砂巖中熱量會(huì)較多地蓄積，但因其容積比熱容也很大，故該處的溫度升高卻較小。而砂礫的導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱擴(kuò)散系數(shù)也不是很大，就導(dǎo)致熱量在該點(diǎn)蓄積使該處的溫度升高更為明顯，并且趨于穩(wěn)定所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

圖9　不同土壤中埋管間歇散熱的溫度響應(yīng)Fig.9　Soil temperature responses to intermittent heatrejection in different

對(duì)于不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土壤中埋管間歇散熱中停運(yùn)期間土壤的溫度恢復(fù)特性有顯著的差別。在埋管間歇散熱時(shí)段內(nèi)，砂土的溫度恢復(fù)幅度最大，砂礫的次之，而后為砂巖，而粘土的最小。這是由于砂土的熱擴(kuò)散系數(shù)最大，且導(dǎo)熱系數(shù)也不是太小，則其土壤中熱量擴(kuò)散的能力較大，達(dá)到與周圍溫度一致化的速度越快，因此在間歇散熱的停運(yùn)期間能較快的使其溫度恢復(fù)。而粘土在間歇散熱時(shí)的溫度恢復(fù)特性最差，是由于其導(dǎo)熱系數(shù)以及熱擴(kuò)散系數(shù)最小而導(dǎo)致其傳熱特性較其它土壤較差。因此土壤的傳熱性能越好，則在間歇散熱時(shí)溫度恢復(fù)幅度越大，反之越小。

綜上所述，埋管周圍土壤的溫度變化是由土壤本身的熱物性和實(shí)際滲流速度耦合作用影響的，而在間歇運(yùn)行下其因素影響更加明顯。在滲流的作用下，能有效的緩解土壤中熱量的堆積，大大加快土壤穩(wěn)定的時(shí)間和土壤恢復(fù)的能力。

4結(jié)論

基于移動(dòng)的有限長(zhǎng)線熱源模型解析解，對(duì)埋管散熱其周圍土壤溫度響應(yīng)進(jìn)行編程，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證其解析解模型程序的正確性，進(jìn)而可以利用解析解快速的分析滲流對(duì)埋管連續(xù)和間歇散熱情況下土壤的溫度分布影響。避免了數(shù)值模擬下所需要的時(shí)間和對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求。

1)滲流有利于土壤的散熱，且滲流速度越大，土壤的熱恢復(fù)性越好，土壤趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短。當(dāng)埋管所處土壤滲流速度較大時(shí)則應(yīng)考慮滲流的影響，否則會(huì)使設(shè)計(jì)跟實(shí)際存在偏差而導(dǎo)致初投資增加。

2)地埋管間歇散熱時(shí)周圍土壤溫度的變化明顯小于連續(xù)散熱。土壤溫度在其停運(yùn)時(shí)段內(nèi)有一定程度的恢復(fù)，但是土壤溫度總體仍呈上升趨勢(shì)。

3)土壤的物性對(duì)間歇散熱中停運(yùn)期間土壤的溫度恢復(fù)特征有很顯著的影響。即土壤的傳熱性能越好，則在間歇散熱時(shí)溫度恢復(fù)幅度越大，反之越小。

綜上所述，埋管周圍土壤的溫度變化是由埋管散熱的熱流密度、土壤本身的熱物性和實(shí)際滲流速度耦合作用影響的，而在間歇運(yùn)行下其因素影響更加明顯。在滲流的作用下，能有效的緩解土壤中熱量的堆積，大大加快土壤穩(wěn)定的時(shí)間和土壤恢復(fù)的能力。因此，在設(shè)計(jì)地埋管換熱器系統(tǒng)時(shí), 應(yīng)區(qū)別對(duì)待土壤中有無(wú)滲流。采取間歇運(yùn)行模式, 能夠保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yang W , Zhou J , Xu W , et al. Current status of ground-source heat pumps in China [J]. Energy Policy, 2010, 38:323-332.

[2] Chiasson A D, Rees S J, Spitler J D. A preliminary assessment of the effects of ground-water flow on closed-loop ground-source heat pumps systems [J]. ASHRAE Trans, 2000, 106:380-393.

[3] 范蕊，馬最良，姚楊,等. 地下水流動(dòng)對(duì)地下埋管換熱器影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(8)：874-880.

Fan R, Ma Z L, Yao Y, et al. Experimental research on influence of groundwater advection on performance of GHE [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(8): 1155-1161.(in Chinese)

[4] 范蕊,馬最良, 熱滲耦合作用下地下埋管換熱器的傳熱分析[J]. 暖通空調(diào),2006,36(2):6-10, 82.

Fan R, Ma Z L. Heat transfer analysis of underground hear exchangers under coupled thermal conduction and groundwater advection conditions [J]. Journal of HV & AC, 2006, 36(2):6-10, 82.(in Chinese)

[5] Signorelli S, Bassetti S, Pahud D, et al. Numerical evaluation of thermal response test [J].Geothermics, 2007, 36:141-166.

[6] Raymond J, Therrien R, Gosselin L, et al. Numerical analysis of thermal response tests with a groundwater flow and heat transfer model [J]. Renewable Energy, 2011, 36:315-324.

[7] Wagner V, Blun P, Kübert M, et al. Analytical approach to groundwater influenced thermal response tests of grouted borehole heat exchangers [J]. Geothermics, 2013,46:22-31.

[8] 高青，喬廣，于鳴,等.地溫規(guī)律及其可恢復(fù)特性增強(qiáng)傳熱研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2003,24(3):38-41.

Gao Q, Qiao G, Yu M, et al. Ground temperature property and restorative characteristics to enhance heat transfer in GSHP [J]. Journal of Refrigeration, 2003(3):38-41.(in Chinese)

[9] 尚妍，李素芬，代蘭花. 地源熱泵間歇運(yùn)行地溫恢復(fù)變化特性及恢復(fù)特性研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,52(3),350-356.

Shang Y, Li S F, Dai L H. Study of characteristics of soil temperature variation and recovery under intermittent operation of ground-source heat pump [J]. Journal of Dalian University of Technology, 2012, 52(3):350-356.(in Chinese)

[10] Molina-Giraldo N, Blum P, Zhu K,et al. A moving finite line source model to simulate borehole heat exchangers with groundwater advection [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011,50:2506-2531.

[11] 刁乃仁，李琴云，方肇洪.有滲流時(shí)地?zé)釗Q熱器溫度響應(yīng)的解析解[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,18(3)：1-5.

Diao N R, Li Q Y, Fang Z H. An analytical solution of the temperature response in geothermal heat exchangers with groundwater advection [J]. Journal of Shandong University of Architecture and Engineering, 2003, 18(3):1-5.(in Chinese)

[12] Angelotti A, Alberti L, Licata I L, et al. Energy performance and thermal impact of a borehole heat exchanger in a sandy aquifer: Influence of the groundwater velocity [J]. Energy Conversion and Management, 2014, 77:700-708.

[13] 張文科，楊洪興，孫亮亮,等. 地下水滲流條件下地埋管換熱器的傳熱模型[J]. 暖通空調(diào), 2012,42(7):129-134.

Zhang W K, Yang H X, Sun L L,et al. Heat transfer model of ground heat exchangers with groundwater seepage [J]. Journal of HV&AC,2012,42(7): 129-134. (in Chinese)

[14] 蔡晶晶，陳汝?yáng)|，王健.地下水滲流對(duì)地埋管傳熱影響的理論分析[J]. 流體機(jī)械,2009,37(12):62-67.

Cai J J, Chen R D, Wang J. Analysis of effects of groundwater advection on geothermal heat exchanger[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(12):62-67.(in Chinese)

(編輯胡玲)

Zhao Lei(corresponding author),professor,PhD,(E-mail)leizhao0308@hotmail.com.

Temperature responsive characteristics of soil to intermittent heat emission of a single heat exchanger with groundwater advection

Zhang Linlin1a, Zhao Lei1a, Yang Liu1b, Hu Songtao1a,2

( 1a.School of Environmental and Municipal Engineering;1b. School of Architecture, Xi'an University of

Architecture and Technology，Xi'an 710055, P.R.China;2.School of Environmental and Municipal Engineering,

Qingdao Technological University, Qingdao 266033,Shandong, P.R.China)

Abstract:n order to estimate the impact of groundwater advection on the performance of borehole heat exchangers under the intermittent operational mode, the solution of soil temperature response were programmed on the basis of the moving line heat source model and superposition principle by using MATLAB. The heat transfer processes of single borehole in the soil under the intermittent operational and continuous operational modes under the influence of groundwater advection were analyzed. Results show that the temperature change in the soil around borehole is influenced by the coupling of pipe heat flux, the soil thermal physical properties and the real advection velocity andespecially under the intermittent operation, the effect was significant.

Key words:groundwater advection; moving line heat source model; soil temperature response；intermittent operation

通信作者趙蕾()，女，教授，博士，(E-mail)leizhao0308@hotmail.com。

作者簡(jiǎn)介：張琳琳(1988-)，女，博士生，主要從事土壤源熱泵傳熱模型優(yōu)化研究，(E-mail)zhangll226@163.com。

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012KTC-11)

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號(hào)：TK172;TK529

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2015)06-0134-07

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.018