本文是一篇土木工程论文，本文首先对地源热泵系统的国内外研究现状进行了研究，详细的阐述了地源热泵系统中地埋管换热器在存在地下水渗流以及不存在地下水渗流两个方面的换热理论，并以此为基础对石家庄市某地源热泵系统的实际项目进行了测试与分析。
第 1 章 绪论
1.1 背景研究
人类社会生活的发展和演变离不开能源的开发和应用，从古时的钻木取火到第二次工业革命，能源的应用成为了人类社会不断前进的动力。社会经济的发展可以通过人们在日常使用的能源消费水平来进行判断，能源消费速度自中国进入 21 世纪以来飞速上升，储量同过去相比已经大幅减少。2019 年 2 月国家统计局发布的数据表示，直到 2018 年我国消费总量折算后达到了 46.4 亿标准煤，同比增长了 3.4%[1]，但是煤炭消费总量从我国能源消费结构比重中的 2014 年的 65.6%降至 2018 年的59%[2]。清华大学建筑节能研究中心 2020 年发布了《中国建筑节能年度发展报告》[3]。在这份报告中清晰地指出：由于人们生活的需要，大量的商圈和民用住房在不断建造，其所需的能源也在逐步上升。2018 年我国传统化石能源在建筑行业的消耗相比较于二十世纪初期的 6.68 亿吨标准煤增长了约 2.5 倍，为 21 亿吨标准煤，年均增长6.8%，并且将继续保持增长趋势。与十五时期相比，十一五和十二五期间，由于国家的政策调控，我国的建筑能耗和碳排放增速有明显下降[4]。这一现象出现的原因主要是由于中国大力发展新能源和清洁能源的利用，高效利用可再生清洁能源可以有效地减少传统化石能源的应用以减少对环境的污染。
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21 世界初期，国家确立了可再生能源作为化石能源的替代能源，《十三五节能减排综合工作方案》明确提出到 2020 年为止，要求全国国内生产总值达到万元内所需能耗相比 2015 年下降 15%，能源消费总量争取控制在 50 亿吨标准煤之内，二氧化硫排放量和氮氧化物排放量要求控制在 1580 吨标准煤和 1574 吨标准煤以内[5]，提倡在日常生产工作中使用可再生能源替代传统能源，继续降低建筑能耗，打造更加节能的建筑体系，公共建筑的节能改造要求总平方米达到 1 亿平方米以上，促进新能源与可再生能源的循环利用，不同地域建筑应采用不同方法，因地制宜的完成建筑改造[6]。
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1.2 地源热泵系统国内外研究现状
1.2.1 地源热泵系统研究现状
Zoelly 首次提出了以地下热量作为热泵系统的地温热源的假设，并且申请专利[8]。Kelvin 提出了线热源模型，线热源模型主要是将地埋管简化模型成为一条无限延长的直线的热流，将周围土壤以及回填土壤材料的热物性参数简化甚至省略，模型整体分为仅存在地埋管和土体两个因素，将地埋管换热器模型进行了极致的化简，这种模型对于模拟管径较小、长时间运行的地源热泵系统具有比较高的精确度，但是对于埋管深度、进出口水温等小因素调校等关键性设计问题则无法实现较高精度的模拟[9]。Ingersoll 等人对过去在学术界常用的线热源模型进行了改进。Carslaw 和Jaeger 等人在过去的模型基础上继续改进，将钻孔内部假设成均匀物性的圆柱形热源来对地埋管内的传热过程进行模拟计算，这样能将回填材料以及土壤的热物性等参数考虑进模拟中，整个地下换热过程仍被视为仅存在热传导的换热过程[10]。V.C.Mei使用了瞬态传热模型，在使用三维模型的前提下将处于极端天气下土壤可能存在结冰现象从而使回填土发生偏移考虑进去，从竖直方向上模拟了地埋管的流体温度变化，并且将土壤冻结的工况也考虑进去[11]。Heyi Zeng 和 Nairen Diao 等人利用模拟软件绘制了地埋管的三维传热模型，利用该模型来模拟地源热泵系统的运行状态，该三维传热模型将地源热泵系统的钻孔、导热系数、流体流量以及土壤的热物性等较为关键的参数对地源热泵的影响都进行了考虑，利用这个模型得到的结果精度较高[12]。Benamar Bouhacina 等于 2013 年对地埋管在管内流体运动时的湍流流动状态和热量交换进行了分析计算，建立了当管内流体状态为湍流流动时的 k-ɛ 模型，并运用有限元方法求解控制方程，确定了管内循环流体的温度与时间的变化和温度和位置的变化规律[13]。Liang Pu 等研究了雷诺数以及管直径对于地埋管换热性能的影响，采用了无量纲准则以及综合评价的准则对地源热泵系统进行了分析，提出了当循环水处于层流状态时，增加雷诺数和竖直型地埋管的直径能够获得更好的换热性能[14]。
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第 2 章 地埋管换热器的传热理论
2.1 土壤的热物性参数
土壤是地球构造的重要组成部分，在日常生活中对我们的影响无处不在，也是地源热泵系统设计中必须重视的一个部分。土壤由不同状态的矿物质和不同状态的有机物质构成，一般存在三相包括固相、液相和气相。而因为全球气候不同以及其他一系列的因素，土地状态皆不相同，初始温度等一系列热物性因此而存在差异，而初始温度存在的差异则会导致换热器的换热效率产生差异。土地通常受到地表覆盖不同等一系列因素的影响，这种影响会导致地温不断变化，而地下深层土壤则基本常年不变，通过这条特性可知，在夏季状态下，室外温度随着大气温度升高而升高，土壤地下温度比室外环境温度低；在冬季状态下，室外温度则会不断降低，使得土壤表面温度一般比室外温度要低许多，地下深层区的土壤温度则比室外空气温度高很多。这条特性使土壤能够成为贮藏热量的良好容器，成为在冬季或者夏季储存大量能量，且不需要投入较大成本就能够获得充分回报。
土壤的热物性参数是一个很重要的参数，它会对地埋管的换热产生较大的影响，同时它是在地源热泵的设计过程中的重要一环，也是所有研究地埋管换热的文章中都不可或缺的一环[38]。它的变化直接关系到整个系统的埋管数量，换热机组的运行效率以及最终整体换热量，它是在计算土壤总热容量时的重要参数。这项参数对于地热系统的设计具有很大的影响，对最终换热效果产生较大的偏差。含水率、土密度、热扩散系数、比热容、导热系数等一系列相关参数，需要在热泵系统设计之前精确的确认，最终设计出的地源热泵系统才能充分发挥系统的优势将换热效果发挥到最佳。
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2.2 土壤的初始温度
土壤的初始温度是热泵系统中最重要的一环，主要受经纬度，坡面，海洋，海拔以及土壤的组成和性质等方面所影响，由于土壤自地面到地心性质不同，可将土壤分为不同温度层，通常地下 5m 以内的土壤受到大气气温以及太阳辐射强度，太阳辐射时间等呈现规律性的变化，通常称其为变温层；深度达到 5m 以上的土壤温度随着深度的增加而变化率大幅度的降低，温度在一定深度可以认为几乎不变，是一个恒定值，不随外界条件的变化而改变，通常称其为恒温层。热泵系统项目通常地埋管埋管深度为 40m~200m 的范围内，位于恒温层区域；而在变温层中，会随着土壤深度的增加而使温度升高[40]。
多孔介质是指由多种不同相态同时存在于区域内的组合体。多孔介质中由固体组成的外部区域部分一般称为固体骨架，由气体或者液体组成的另一部分称为孔隙，一般孔隙由气液两种相态的物体共同构成。以固体骨架为基础，固体骨架内孔隙空间一般相互连通，其他两相同时存在于孔隙内，这样状态的物体称之为多孔介质。
地埋管与土地的换热过程是一个复杂且不稳定的过程，需要通过长时间的计算，依据真实情况进行模拟后数据分析具有量较大且不可控制的难度，因此在本文中对无关的温度进行简化，对本文针对的不同埋管深度、不同回填材料以及不同地下水渗流工况进行详尽分析，不仅对关键因素有较为直观的比较作用，同时也降低了网格的数量，使其在运行过程中保证准确的计算。在本文中对物理模型进行了一些条件上的简化，具体简化如下：
(1) 假设土壤的初始温度是一定且均匀的； (2) 假设土壤、换热器、地埋管、回填材料以及管内流动液体的热物性是均匀的； (3) 假设土壤及回填材料均匀且各项同性，即在传热过程中保持稳定，温度不随传热过程的进行而发生改变；
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第 3 章 地埋管模型的建立 ······················· 15
3.1 地埋管换热数学模型的建立 ···················· 15
3.1.1 管内流体模型 ························ 15
3.1.2 多孔介质模型 ··························· 16
第 4 章 基于现实项目的土壤热响应实验验证 ······················ 25
4.1 地源热泵系统的热响应实验 ····························· 25
4.1.1 土地热响应的测试意义和测试目的 ·························· 25
4.1.2 土地热响应的测试原理介绍 ······························· 25
第 5 章 地埋管换热器换热性能的模拟结果分析 ························ 33
5.1 埋管深度对地埋管换热器的换热性能影响 ························· 35
5.1.1 地埋管进出口水温分析 ······························ 35
5.1.2 地埋管换热量分析 ····························· 37
第 6 章 系统运行分析
6.1 系统用能效益分析
系统用能效益分析主要是通过将地源热泵系统的能耗量与传统使用的空调系统的能耗量进行对比分析，最后得到用能效益分析。通常用两种方法来评价系统的用能效益分析，一种是通过分析一次能源利用率和常规能源替代量来分析用能效益；第二种是基于热力学第二定律中的熵和㶲的变化来分析用能效益[44]。在本文中主要是对系统的用能进行分析，因此采用第一种方法，通过分析常规能源替代量来评价系统的用能效益。
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地源热泵系统的经济效益分析主要是相比于传统供热和制冷系统在投资方面与成本方面的分析评价。经济效益分析通常是从动态分析和静态投资分析两个方面来进行分析。动态分析主要应用于整个系统长期运行时的分析，目的是在系统长期运行时期保持其高效节能的运行，主要是资金的时间成本。而静态分析主要偏向于在系统投入使用前进行投资预估，包括初投资方面分析、运行费用分析、投资回收期年限等等方面。在本文中因考虑的是地源热泵系统的换热性能，因此仅从静态分析方面来对该项目进行分析。
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结论
本文首先对地源热泵系统的国内外研究现状进行了研究，详细的阐述了地源热泵系统中地埋管换热器在存在地下水渗流以及不存在地下水渗流两个方面的换热理论，并以此为基础对石家庄市某地源热泵系统的实际项目进行了测试与分析。其次根据此实际项目利用 ANSYS 和 Fluent 软件建立了系统的仿真模型，在模拟运行过程中参照实际项目中的参数进行了设置，通过热响应实验验证了模型的正确性并得到等效热响应参数，然后根据仿真模型对地源热泵系统影响较大的换热性能中有针对性的选取了五个因素进行了仿真研究。分别是埋管深度对比、不同的回填土材料对比、有渗流与无渗流的对比、渗流区域土壤孔隙率不同的对比以及渗流速度不同的对比，最后对该地源热泵项目与传统空调进行了用能分析、经济效益分析以及环境效益分析三个方面的综合研究。具体结论如下：
(1) 模拟了深度为 80m、90m、100m 工况下地埋管换热性能。80m、90m、100m埋深的进出口温差分别为 1.44°C、1.66°C、1.75°C，相比分别增加了 0.22°C、0.09°C，变化率为 0.15、0.05；80m、90m、100m 总换热量分别为 6120.89W、6617.18W、6924.41W，分别增加了 496.29W、307.23W，变化率为 0.081、0.046；80m、90m、100m 单井换热量分别为 43.86W/m、43.58W/m、41.35W/m，分别减少了 0.28W/m、2.23W/m。因此埋管深度不是越深越好，埋管越深，单井换热量反而下降，因此应根据建筑物实际需求选择合适的埋深。
(2) 模拟了回填土分别为黏土、沙土、砂岩工况下地埋管换热性能。当回填材料分别为黏土、岩土、砂岩时，出口温度分别为 279.567K、279.569K、279.572K；单井换热量分别为 36.08W/m；36.85W/m；37.16W/m；变化率分别为 0.021、0.0008；可以得出回填土材料导热系数越大，换热量就越大，但是增长的趋势逐渐变缓。导热系数越大的回填土热量的传递就越快，温度场冷堆积现象越容易缓解。因此应该综合情况下采用导热系数较大的回填土。
参考文献（略）