滲流對(duì)地源熱泵土壤溫度場(chǎng)及換熱量的影響

張 山， 張兵兵， 梁若冰

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101； 2.同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

地埋管是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，地埋管夏季向土壤放熱，冬季從土壤取熱，但兩者一般并不相等，這樣長(zhǎng)期取放熱量不平衡會(huì)超出土壤自身的恢復(fù)能力，造成土壤溫度不斷偏離初始溫度，導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行效率不斷下降[1]。地埋管相關(guān)設(shè)計(jì)的理論很多，但大多以忽略地下水流動(dòng)為假設(shè)，認(rèn)為地埋管與土壤之間為純導(dǎo)熱，而在實(shí)際工程中，地埋管埋深一般為100 m，在這個(gè)深度內(nèi)不同程度地存在地下水流動(dòng)問(wèn)題，尤其是沿海地區(qū)[2-3]。目前研究已知，地下水滲流(以下簡(jiǎn)稱滲流)可帶走土壤積聚的熱量且效果明顯，對(duì)土壤恢復(fù)熱平衡有較大幫助。關(guān)于滲流的研究方法有很多，刁乃仁等[4]建立了多孔介質(zhì)中有滲流時(shí)的換熱能量方程,得到了有滲流時(shí)無(wú)限大介質(zhì)中線熱源溫度響應(yīng)的解析解。楊衛(wèi)波等[5]通過(guò)耦合豎直方向一維流體模型與水平面內(nèi)土壤二維非穩(wěn)態(tài)熱滲耦合模型,建立了考慮滲流影響的準(zhǔn)三維U型地埋管熱滲耦合模型，并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。范蕊[6]基于熱滲耦合作用下的數(shù)學(xué)模型，采用整體求解方法，求得地埋管內(nèi)的循環(huán)水、地埋管換熱器及周圍土壤的溫度場(chǎng)數(shù)值解。

目前滲流的研究都是建立在前人提出的數(shù)學(xué)模型上，不斷地優(yōu)化與減少假設(shè)因素，從而更加接近工程現(xiàn)狀，以此不斷進(jìn)行深化研究。地埋管常用的傳熱模型有線熱源模型[7]與圓柱源模型[8]，本文借助Feflow軟件，所用傳熱模型為三維瞬態(tài)熱滲耦合傳熱模型，與前兩者有所區(qū)別，其鉆孔內(nèi)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)解析模型，鉆孔外是基于有限元法的數(shù)值模型，解析模型與數(shù)值模型相耦合，可以避免傳統(tǒng)數(shù)值模擬的尺寸跨度大、網(wǎng)格數(shù)量多、模擬時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[9]。本文運(yùn)用的傳熱模型比前兩者有主要的改進(jìn)之處：地埋管與周圍土壤的傳熱是豎直方向上、水平方向上的三維傳熱方式，且詳細(xì)地描述了鉆孔內(nèi)各部分的傳熱過(guò)程，分別是兩個(gè)U型管之間的傳熱、地埋管管壁與回填材料的傳熱、回填材料與土壤的傳熱。能根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定地埋管管徑、管材、管內(nèi)循環(huán)水物理參數(shù)、回填材料熱物性、土壤熱物性等參數(shù)，并采用離散特征單元的方式來(lái)描述地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水的流動(dòng)過(guò)程。

2 物理模型及網(wǎng)格劃分

2.1 物理模型

① 土壤區(qū)域

土壤區(qū)域俯視圖見(jiàn)圖1，以土壤區(qū)域左下角為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，并且設(shè)定x軸正方向?yàn)闁|，y軸正方向?yàn)楸保瑉軸正方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛏?。取長(zhǎng)寬均為40 m，深度為140 m的長(zhǎng)方體土壤區(qū)域，在該區(qū)域中心位置打9個(gè)120 m深的鉆孔，鉆孔中心距為5 m，邊緣鉆孔中心距土壤區(qū)域邊界15 m。鉆孔內(nèi)放入地埋管，地埋管管底埋深120 m。

圖1 土壤區(qū)域俯視圖

② 鉆孔內(nèi)部分

鉆孔平面圖見(jiàn)圖2，采用雙U型地埋管。地埋管外直徑d為0.032 m，壁厚為0.002 9 m，鉆孔直徑D為0.15 m，埋管中心間距L為0.04 m。埋管材質(zhì)均為高密度聚乙烯(HDPE)，熱導(dǎo)率為0.42 W/(m·K)；填充材料回填方式為原漿回填，將鉆出的泥漿作為填充材料在鉆孔內(nèi)回填密實(shí)，填充材料熱導(dǎo)率為1.600 W/(m·K)，體積熱容為1.950×106J/(m3·K)；土壤區(qū)域土壤平均熱導(dǎo)率為1.593 W/(m·K)，平均體積熱容為1.702×106J/(m3·K)。

圖2 鉆孔平面圖

③ 假設(shè)條件

忽略大氣溫度變化對(duì)土壤表面的影響；忽略土壤在豎直方向的溫度梯度變化；土壤初溫處處均勻一致；土壤為各向同性。

④ 邊界條件

長(zhǎng)方體土壤區(qū)域6個(gè)面均設(shè)定為絕熱面，不與大氣或區(qū)域外土壤進(jìn)行熱量交換。

⑤ 初始條件

土壤初始溫度設(shè)定為15 ℃。

2.2 數(shù)學(xué)模型

Feflow軟件所運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，可查閱德國(guó)WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所(WASY Gmbh)出版的專著[10]。

2.3 網(wǎng)格劃分

物理模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 物理模型網(wǎng)格劃分

圖3中，左側(cè)部分長(zhǎng)方體為三維模式下土壤區(qū)域的網(wǎng)格劃分，右側(cè)部分為長(zhǎng)方體土壤區(qū)域水平橫截面的放大圖，綠色十字號(hào)為地埋管所在位置。使用Feflow軟件Meshing功能對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型選用Triangle，選用Refine Points，Point Gradation 設(shè)置為3，Point Target Size 設(shè)置為0.2 m。由于地埋管周圍土壤溫度梯度較大，因此，對(duì)地埋管周圍區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。選擇3D Layer Configuration，豎直方向上將土壤區(qū)域140 m每5 m分為1層以確保模擬精度，即每層Slice間隔設(shè)定為5 m。在Proposed elements選項(xiàng)中設(shè)定每層的網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，對(duì)每層網(wǎng)格數(shù)量為5 000、7 000、9 000的模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，3種網(wǎng)格數(shù)量的模型得到的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量基本一致。為了降低計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷，本文選取網(wǎng)格數(shù)為每層5 000，整體網(wǎng)格數(shù)量為140 000。

2.4 Feflow軟件設(shè)置

使用Feflow軟件進(jìn)行模擬，Problem Class中傳輸模型選取Heat(傳熱模型)，狀態(tài)均選取Transient(非穩(wěn)態(tài))。模擬流動(dòng)選用Standard groundwater-flow equation(標(biāo)準(zhǔn)地下水流動(dòng)方程)，在Simulation-Time Control(模擬的時(shí)間步長(zhǎng))中選用Automatic time-step control(自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng))，初始時(shí)間步長(zhǎng)為0，終點(diǎn)時(shí)間步長(zhǎng)為120 d，Predictor-corrector scheme選用First-order accurate(FE/BE)。Error tolerance采用1×10-3,Maximum number of iterations per time step 設(shè)置為30。求解器設(shè)定選項(xiàng)中，選用Standard iterative，對(duì)稱矩陣采用PCG-Preconditioned conjugate-gradient method，非對(duì)稱矩陣采用BiCGSTABP-Preconditioned and postconditioned BiCGSTAB。

3 模型求解

利用Feflow軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型中動(dòng)量方程、能量方程以及連續(xù)性方程進(jìn)行求解，得出土壤溫度場(chǎng)分布以及地埋管循環(huán)水溫度，并對(duì)得出的結(jié)果通過(guò)Origin軟件進(jìn)行后處理。

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該軟件對(duì)地源熱泵相關(guān)模擬結(jié)果的精確度，本文通過(guò)土壤熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，且本文中Feflow軟件設(shè)置的土壤物性參數(shù)、地埋管參數(shù)等均與該實(shí)驗(yàn)保持一致。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所用理論模型為線熱源模型，此模型計(jì)算得出的土壤體積熱容與平均熱導(dǎo)率已用于工程指導(dǎo)，現(xiàn)以熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)所得地埋管進(jìn)出口水溫為標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)Feflow模擬模型所得結(jié)果是否可信。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目位于山西晉城陽(yáng)城縣山區(qū)，于2018年10月16日進(jìn)行土壤熱響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為48 h，實(shí)驗(yàn)鉆孔直徑為150 mm，深度為120 m，從地面向下分別為石灰?guī)r、粗砂礫層、黏土層、石灰?guī)r，且未見(jiàn)出水。采用外直徑為32 mm的HDPE100雙U型地埋管，回填方式為原漿回填。測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用恒熱流法，實(shí)驗(yàn)裝置放置于地表，并連接地埋管的進(jìn)水口與出水口，裝置內(nèi)設(shè)電加熱器與水泵，水泵的流量為10 L/min，電加熱器加熱功率為2.8 kW，實(shí)驗(yàn)以此恒定功率加熱地埋管內(nèi)循環(huán)水，且在地埋管進(jìn)出口側(cè)各裝有測(cè)溫裝置，每10 min記錄1次地埋管進(jìn)出口水溫。

測(cè)試開(kāi)始，先測(cè)定土壤初始溫度。此實(shí)驗(yàn)認(rèn)為地埋管進(jìn)出口水溫趨于一致時(shí)的溫度即為土壤初始溫度，故只開(kāi)啟水泵，待測(cè)定的進(jìn)出口水溫一致時(shí)記錄此時(shí)溫度，本實(shí)驗(yàn)記錄此時(shí)溫度為15 ℃。之后繼續(xù)保持水泵開(kāi)啟，并開(kāi)啟電加熱器，直至測(cè)試結(jié)束。

本實(shí)驗(yàn)得出的土壤區(qū)域平均熱導(dǎo)率為1.593 W/(m·K)，平均體積熱容為 1.702×106J/(m3·K)。將實(shí)驗(yàn)所得的土壤平均熱導(dǎo)率與平均體積熱容設(shè)定到Feflow軟件中，通過(guò)軟件模擬得出地埋管進(jìn)出口水溫，將其與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的水溫相比較。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

由于每10 min記錄1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，圖4中的數(shù)據(jù)是以離散點(diǎn)的形式表達(dá)。地埋管進(jìn)出口水溫趨于穩(wěn)定后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)擬合較好，僅在測(cè)試初期兩者存在差異，原因是實(shí)際測(cè)試的環(huán)境并非是模型假設(shè)的理想環(huán)境，前期土壤溫度未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，實(shí)際環(huán)境的影響因素很多，較為復(fù)雜?？梢钥闯鲕浖\(yùn)算采用的數(shù)學(xué)傳熱模型是正確可信的，以及設(shè)定的求解器、土壤參數(shù)、地埋管管壁熱導(dǎo)率等是合理的，整個(gè)模型的模擬結(jié)果是可信的。

5 數(shù)值模擬

5.1 有無(wú)滲流對(duì)地下溫度場(chǎng)的影響

以冬季120 d供暖期為例，除2.1節(jié)所設(shè)定的參數(shù)之外，另設(shè)地埋管入口循環(huán)水溫度為7 ℃，流速為0.7 m/s，以此進(jìn)行模擬，得出結(jié)果。無(wú)滲流情況下，以埋深40 m處為例，在第120 d的0：00,無(wú)滲流工況下40 m埋深處土壤溫度場(chǎng)見(jiàn)圖5，圖5中的色標(biāo)右邊的標(biāo)值為土壤溫度的數(shù)值，單位是 ℃，并且圖片展示的區(qū)域是截取土壤溫度場(chǎng)有效范圍的放大圖，非全部土壤區(qū)域，以下類似云圖均同樣表示。

圖5 無(wú)滲流工況下40 m埋深處土壤溫度場(chǎng)

在地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行之初，周圍土壤溫度保持在15 ℃左右，7 ℃的水流進(jìn)地埋管中立刻通過(guò)地埋管與土壤進(jìn)行換熱，此時(shí)地埋管的取熱量遠(yuǎn)大于周圍土壤的補(bǔ)熱量，地埋管周圍的溫度立刻下降，與較遠(yuǎn)處的土壤的換熱溫差大，故剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)換熱效果最好。隨著系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，熱作用半徑增大，地埋管周圍溫度梯度減小，換熱效果減弱。結(jié)果表明，連續(xù)運(yùn)行120 d后，中心位置地埋管的冷量積累略微高于其他地埋管，其出水溫度比其余地埋管出水溫度低0.1 ℃，對(duì)地埋管熱泵系統(tǒng)影響較小。

為了體現(xiàn)模擬結(jié)果的可對(duì)比性，在相同條件下，只在深度為38～42 m處施加滲流速度為2.4×10-6m/s的水平滲流，方向由西向東且均勻。為了不影響滲流場(chǎng)，地埋管位置不變，將土壤區(qū)域長(zhǎng)度向東增加至80 m，下文中存在滲流的工況均以此處理。仍以埋深40 m處為例，在第120 d的0：00,滲流速度為2.4×10-6m/s時(shí)40 m埋深處土壤溫度場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖6 滲流速度為2.4×10-6 m/s時(shí)40 m埋深處土壤溫度場(chǎng)

隨著熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行，地埋管換熱器與土壤傳輸?shù)臒崃恳浴邦悪E圓”形向東擴(kuò)散，而向西的熱量擴(kuò)散受到抑制。從溫度場(chǎng)可以看出，在有滲流條件下地埋管周圍積累的冷量被帶向下游，地埋管周圍土壤更容易得到恢復(fù)。以地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為衡量標(biāo)準(zhǔn)與無(wú)滲流工況進(jìn)行對(duì)比，本文中的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量定義為9個(gè)鉆孔中共18根U型地埋管瞬時(shí)單位管長(zhǎng)換熱量的算術(shù)平均值。地埋管單位管長(zhǎng)換熱量見(jiàn)圖7(圖7～9中，橫軸采用常用對(duì)數(shù)坐標(biāo))。

圖7 地埋管單位管長(zhǎng)換熱量

可以看出，在地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行之初，兩種工況的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量都很高。當(dāng)運(yùn)行了一段時(shí)間后，地埋管周圍土壤冷量開(kāi)始積累，地埋管內(nèi)的循環(huán)水與周圍土壤的換熱溫差減小，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量隨之下降，而且在1 d內(nèi)下降幅度較大。1 d之后趨于穩(wěn)定，且下降幅度明顯減緩。由于滲流的存在，兩種工況呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。滲流工況下的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量明顯高出無(wú)滲流工況的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量，運(yùn)行1 d時(shí)，滲流工況下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為34.2 W/m，無(wú)滲流工況下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為23.9 W/m。在120 d供暖期結(jié)束時(shí)，滲流工況下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為27.3 W/m，無(wú)滲流工況下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為15.7 W/m。由模擬結(jié)果可知，有滲流且滲流速度為2.4×10-6m/s的工況下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量比無(wú)滲流工況下高出54%，效果明顯。

5.2 滲流速度對(duì)地埋管換熱的影響

依然以120 d供暖期為例，在深度38～42 m處施加滲流，方向由西向東且均勻，其余設(shè)定不變，只改變滲流速度，分別為1×10-4m/s、2.4×10-6m/s、2.1×10-7m/s，不同滲流速度下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量見(jiàn)圖8。

圖8 不同滲流速度下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量

存在滲流的情況下滲流速度對(duì)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量影響十分明顯，滲流速度越大，地埋管周圍土壤所積累的冷量被帶走得越快，管內(nèi)循環(huán)水與土壤的溫差越大，從而地埋管單位管長(zhǎng)換熱量越大。滲流速度為1×10-4m/s條件下，冷量積累現(xiàn)象被大幅度減緩，換熱量下降幅度很小且比較穩(wěn)定，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1 d時(shí)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為58.4 W/m，運(yùn)行120 d時(shí)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為55.7 W/m；而在滲流速度為2.1×10-7m/s條件下，地埋管周圍土壤冷量積累仍比較明顯，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1 d時(shí)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為24.2 W/m，運(yùn)行120 d時(shí)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量為17.8 W/m，與無(wú)滲流工況相近，即滲流速度低于1×10-7數(shù)量級(jí)，可忽略滲流帶來(lái)的影響。

5.3 滲流層厚度對(duì)地埋管換熱的影響

保持滲流速度為2.4×10-6m/s不變，改變滲流層厚度，滲流層位于埋深40～45 m、40～50 m、40～55 m，其滲流層厚度分別為5 m、10 m、15 m。不同滲流層厚度下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量見(jiàn)圖9。

圖9 不同滲流層厚度下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量

隨著滲流層厚度的增加，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量也隨之增加，在此工況條件下，運(yùn)行到120 d時(shí)，滲流層厚度每增加5 m，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量增加2 W/m。

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行到120 d時(shí)地埋管內(nèi)循環(huán)水沿豎直方向上的溫度分布情況見(jiàn)圖10，圖10中的循環(huán)水溫度為9個(gè)鉆孔共18根地埋管內(nèi)循環(huán)水溫度的算術(shù)平均值。

圖10 運(yùn)行到120 d時(shí)豎直方向循環(huán)水溫度分布

地埋管入口到底部為下降管，從底部到地埋管出口為上升管。地埋管內(nèi)循環(huán)水從進(jìn)入下降管開(kāi)始就與周圍土壤進(jìn)行換熱，循環(huán)水溫度逐漸升高，土壤溫度逐漸降低，循環(huán)水繼續(xù)循環(huán)至地埋管最底端，再繼續(xù)沿著上升管流動(dòng)，這段位置中換熱繼續(xù)進(jìn)行，但換熱強(qiáng)度要低于下降管，這是因?yàn)椋貉h(huán)水在下降時(shí)與周圍土壤進(jìn)行熱量交換，周圍土壤會(huì)形成冷量堆積，循環(huán)水繼續(xù)循環(huán)，沿著上升管返回地表，而在其上升的這段位置，由于前一階段土壤產(chǎn)生的冷量堆積，雖然土壤溫度仍高于地埋管內(nèi)循環(huán)水的溫度，但是周圍土壤與管內(nèi)循環(huán)水的溫差變小，這就導(dǎo)致了換熱能力的降低。不同的滲流層厚度會(huì)同時(shí)影響下降管與上升管的換熱，滲流層厚度越大，地埋管整體換熱能力越大，出水溫度越高。

5.4 周期性運(yùn)行對(duì)地下溫度場(chǎng)的影響

上述模擬條件都是以一個(gè)供暖期120 d作為模擬時(shí)長(zhǎng)，僅分析滲流對(duì)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量以及土壤溫度場(chǎng)的影響。而要考慮土壤冷熱平衡問(wèn)題，則需要對(duì)全年工況進(jìn)行模擬。現(xiàn)以周期性運(yùn)行模式運(yùn)行10 a，對(duì)比有無(wú)滲流所帶來(lái)的地埋管單位管長(zhǎng)換熱量與地下溫度場(chǎng)的變化。

運(yùn)行模式：從供暖期開(kāi)始，運(yùn)行120 d，間歇90 d，制冷90 d，再間歇60 d，循環(huán)往復(fù)。制冷工況下，地埋管入口循環(huán)水溫度為35 ℃，流速0.7 m/s。

除上述運(yùn)行模式的設(shè)置，其余均與第5.1節(jié)的設(shè)置相同。無(wú)滲流工況下，以埋深40 m處為例，無(wú)滲流工況下運(yùn)行10 a后土壤溫度場(chǎng)見(jiàn)圖11。

圖11 無(wú)滲流工況下運(yùn)行10 a后土壤溫度場(chǎng)

可以看出，地埋管群中心土壤溫度為14.2 ℃(由于云圖的比例較小，該處的溫度顯示不清晰)，與土壤初始溫度15 ℃僅相差0.8 ℃，未出現(xiàn)大量冷量或熱量堆積，在此周期性運(yùn)行模式中，無(wú)滲流工況下熱泵系統(tǒng)可以長(zhǎng)期使用。

存在滲流且滲流層位于38～42 m時(shí)，以埋深40 m處為例，滲流速度為2.4×10-6m/s時(shí)運(yùn)行10 a后土壤溫度場(chǎng)見(jiàn)圖12。

圖12 滲流速度為2.4×10-6 m/s時(shí)運(yùn)行10 a后土壤溫度場(chǎng)

由于滲流的影響，土壤堆積的熱量明顯向東偏移，地埋管群中心土壤溫度為14.6 ℃，接近土壤初始溫度，未出現(xiàn)大量冷量或熱量堆積。

綜合有無(wú)滲流工況來(lái)看，在此模式運(yùn)行下，因考慮了冬季地埋管對(duì)土壤的取熱與夏季地埋管對(duì)土壤的放熱，土壤冷熱平衡，熱泵系統(tǒng)在無(wú)滲流與有滲流條件下均可以持久使用。

雖然有無(wú)滲流工況下地源熱泵系統(tǒng)均能夠以周期性模式持久運(yùn)行，但是有滲流與無(wú)滲流工況對(duì)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量是有影響的。引入月平均地埋管單位管長(zhǎng)換熱量的定義：在地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的10 a中，在每1 d的0:00記錄1次單位管長(zhǎng)換熱量的數(shù)據(jù)，并且將每個(gè)月30 d的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值， 即為月平均地埋管單位管長(zhǎng)換熱量。月平均地埋管單位管長(zhǎng)換熱量對(duì)比見(jiàn)圖13。

圖13中，橫坐標(biāo)0 d對(duì)應(yīng)第1 d的0:00，第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為30 d，是第1 d的0:00到第30 d的0:00內(nèi)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值;第2個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為60 d，是第31d的0:00到第60 d的0:00內(nèi)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，以此類推?？梢詮淖兓厔?shì)上看出，每年的換熱量穩(wěn)定，隨著運(yùn)行年限增加，并沒(méi)有明顯的變化，也印證了周期性運(yùn)行模式下地源熱泵系統(tǒng)在有無(wú)滲流時(shí)均可以長(zhǎng)期使用的觀點(diǎn)。但在有滲流條件下，換熱效果明顯加強(qiáng)，且夏季制冷時(shí)換熱溫差大，換熱量高于冬季供暖時(shí)換熱量。

圖13 月平均地埋管單位管長(zhǎng)換熱量對(duì)比

6 結(jié)論

通過(guò)Feflow軟件對(duì)地下水滲流影響下地埋管單位管長(zhǎng)換熱量以及土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。地下水滲流的存在，使地埋管周圍的冷熱量隨著地下水滲流而遷移，緩解了地埋管周圍的冷熱量堆積的問(wèn)題，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量比無(wú)滲流時(shí)有較大的提高，若在相同的地埋管設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷下，地埋管的設(shè)計(jì)數(shù)量或長(zhǎng)度會(huì)減少，對(duì)節(jié)省造價(jià)十分有利。具體結(jié)論如下：

① 地下水滲流的存在使地埋管傳輸給土壤的冷量、熱量以“類橢圓”形沿滲流方向擴(kuò)散，有利于解決地埋管周圍冷、熱堆積問(wèn)題。與無(wú)滲流工況對(duì)比，在滲流層位于38～42 m，且滲流速度為2.4×10-6m/s工況下，供暖期120 d運(yùn)行結(jié)束時(shí)，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量比無(wú)滲流工況下高出54%，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量有明顯提高。

② 在滲流工況下，滲流速度與滲流層厚度對(duì)地埋管單位管長(zhǎng)換熱量均有影響。在120 d供暖工況中，滲流層位于38～42 m時(shí)，隨著滲流速度的增大，地埋管周圍土壤所積累的冷、熱量被帶走得越快，地埋管內(nèi)循環(huán)水與土壤的溫差越大，從而地埋管單位管長(zhǎng)換熱量越大。當(dāng)滲流速度低于1×10-7m/s 時(shí)，滲流影響可以忽略。當(dāng)滲流速度一定時(shí)，隨著滲流層厚度增大，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量增加，當(dāng)供暖期120 d結(jié)束時(shí)，滲流層厚度每增加5 m，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量增加2 W/m。

③ 熱泵系統(tǒng)按照1 a中供暖運(yùn)行120 d，間歇90 d，制冷運(yùn)行90 d，再間歇60 d的模式周期性運(yùn)行，得出土壤區(qū)域可以保持冷熱平衡，熱泵系統(tǒng)可以周期性長(zhǎng)期運(yùn)行，并且地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行10 a后的土壤溫度場(chǎng)變化不大。但是有滲流存在的工況下土壤溫度更接近初始溫度，且地埋管單位管長(zhǎng)換熱量明顯高于無(wú)滲流工況。