n y
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00 16:00
L
图1
有限差分计算网格模型和边界条件
表1 用于计算的技术参数
指标 20． 7 － 10 45 2． 5 指标 22． 4 1． 3 1 695 指标 水平 b 聚乙烯 px50 0． 016 0． 3
时间
· 197·
土壤导热系数； t 为换热时间。
埋管周围土壤温度越低， 这主要是因为管内流体的质量流量越 在单位时间内从土壤中带走的能量越多， 造成土壤温度降低 大， 的速度也越快。
土壤
坠T =0 坠x
土壤温度/℃
管子
坠T =0 坠x
K
22 21 20 19 18 17 16 15
A C
B
坠T =0 坠x
y 方向的总长度分别为 0． 16 m 和 周围温度的分布对于换热器的设计和换热量的计算会起到关键 边长为 1 ， 整个计算区域在 x， 作用。由于描述地下换热器与周围土壤之间传热过程极其复杂， 0． 132 m。 对地下换热器的换热规律进行大规模试验也有很大的难度， 而且 ［4 ］ 试验成本很高， 很难顺利的开展 ， 因此， 本文利用有限差分法对 地埋管周围温度分布进行了数值计算， 找出了用于计算埋管周围 温度分布的计算模型， 为工程中土壤耦合热泵的设计奠定了基础。 2 ） 计算参数见表 1 。 3 ） 控制方程。
17 收稿日期： 2011-05-
★： 河南省重点攻关项目（ 项目编号： 092102310316 ） ； 河南省流体机械及流体工程重点学科（ 项目编 号： 507907 ） ； 河南省热能与动力工程特色专业（ 项目编号： 509927 ） 454750
男， 工程师， 河南中城建筑设计有限公司， 河南 孟州 作者简介： 宋学升（ 1966- ） ， 张
4 ） 初始条件和边界条件。 T（ x， y， t） = T d ； 当 t = 0 时， T（ x， y， t） = T w （ x， y， t） = 常数； 当 0 ＜ y ＜ A 且 x = 0 时， y， t） T（ x， = 0； 当 A + C ＜ y ＜ A + B + C 且 x = 0 时， t y， t） T（ x， = 0； 当 0 ＜ y ＜ A + B + C 且 x = L 时， t T（ x， y， t） = T d ； 当 0 ＜ x ＜ L 且 y = 0 时， T（ x， y， t） = T w （ x， y， t） ； 当 0 ＜ x ＜ D 且 y = A 时， T（ x， y， t） = T w （ x， y， t） 。 当 0 ＜ x ＜ D 且 y = A + C 时，
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
筑空间与平面、 院落与建筑体形的合理布局， 室内外空气流畅的 不同空间温度场的合理分布和沿纵向的分层控制来实 合理组织， 现建筑节能， 其理念和技术均充满了生态精神 。 参考文献： ［ 1］ 曹春平． 闽南传统建筑［ M］ ． 厦门： 厦门大学出版社， 2006．
图2
土壤温度变化清况 （ 质量流量为 0.018 kg/s）
20 19
全年气象信息 平均气温 / ℃ 最高温度 / ℃ 最低温度 / ℃ 平均相对湿度 / % 平均风速 / m·s － 1 土壤物性参数 地下 1 m 处土壤平均温度 / ℃ 土壤导热系数 / W·（ m·K） 土壤密度 / kg·m － 3 地下换热器参数 埋管方式 管子材料 埋管总长 / m 管子直径 / m 埋管间距 / m
［6 ］ 对于土壤的二维瞬态传热的控制方程为 ： 2 y， t ） 2 T （ x ， y， t） 1 T（ x， y， t） T（ x， + = 2 2 α t x y
1
土壤温度场的数学模型和数值算法
土壤的温度是随深度和时间变化的周期函数， 地下换热器和
（ 1）
T（ x， y， t） 为土壤温度， x 为水平距离， y 为垂直距离； α 为 其中， ［ 2］ 龚 洁． 到厦门看红砖厝［ M］ ． 武汉： 湖北美术出版社， 2004． ［ 3］ 施丽芬． 闽南官式大厝自然通风分析［J］ ． 山西建筑， 2009 ， 35 （ 3 ） ： 7071． ［ 4］ 缪小龙． 福建传统民居节能技术初探［J］ ． 建筑科学， 2007 （ 8 ） ： 11．
关键词： 地源热泵， 地埋管换热器， 换热规律 中图分类号： TU831 由于可开采的自然资源是有限的， 而且在开采供人们利用的 自然资源的同时， 会对人类赖以生存的自然环境造成破坏， 因此 就迫使人们利用可再生的能源 。 我们周围环境中一些低品味的 能源可以通过热泵系统将其转化为高品位的能源， 其中土壤耦合 热泵就是将地热能这种低品位能源转化为可供人们利用的高品 ［1 ］ 位能源的能量转化系统 。土壤在一定的深度时， 其温度相对于 地面环境温度而言是相对稳定的， 而且符合人体舒适性的要求。土 壤耦合热泵能通过地埋管换热器和土壤进行换热， 地下换热器在 地下的埋管形式主要有水平埋管和垂直埋管两种形式， 水平埋管 ［2 ］ 一般在地下 1 m ～ 1． 5 m 处， 垂直埋管可以深入地下 200 m 处 。 土壤耦合热泵系统是目前公认的较好的空调设备， 在美国和 欧洲一些国家， 应用土壤耦合热泵系统进行室内空气调节和建筑 物热水系统已经有很多年的历史， 在土耳其和日本等国家也有广 ［3 ］ 泛的应用 。近几十年来， 许多学者对土壤耦合热泵系统设计 、 系统测试、 数值计算等方面进行一些研究， 研究资料表明： 地埋管
Analysis of soil temperature distribution around buried tube for groundsource heat pump
－1
土壤温度/℃
38． 9
18 17 16
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
时间
图3
土壤温度变化清况 （ 质量流量为 0.041 kg/s）
3
结语
本文着重介绍了基于有限差分法计算土壤耦合热泵地埋管 并计算了埋深 1 m， 不同质量流量 周围土壤温度分布的计算方法， 时埋管周围土壤温度的变化规律 。计算结果表明： 埋管周围土壤 的温度分布随管内流体流量的变化而变化， 其变化规律是管内流 体质量流量越大， 埋管周围土壤温度越低 。上述理论研究成果为 地热换热器的设计和数值计算提供了更加精确的理论基础和计 算方法， 也为提高地热换热器换热效能指出了方向 。 参考文献： ［ 1］ 杨卫波， 施明恒． 基于元体能量平衡法的垂直 U 型埋管换热 J］ ． 热能动力工程， 2007 （ 1 ） ： 9697． 特性的研究［ ［ 2］ 高 青， 李 明， 闫 燕． 地下井群换热强化与运行模式影 J］ ． 太阳能学报， 2006 （ 1 ） ： 8388． 响规律［ ［ 3］ 唐志伟， 时晓燕． 地源热泵 U 型地管下换热器的数值模拟 ［ J］ ． 北京工业大学学报， 2006 （ 1 ） ： 62-63． ［ 4］ Yawzturk C， Andrew D． Chiasson． Performance Analysis of UTube， Concentric Tube， and Standing Column Well Ground Heat Exchangers Using a System Simulation Approach［ J］ ． ASHRAE 2002 ， 108 （ 2 ） ： 925938． Transactions， ［ 5］ 方肇洪， J］ ． 工程热物理学 刁乃仁． 地热换热器的传热分析［ 2004 （ 7 ） ： 686． 报， ［ 6］ 陶文铨， M］ ． 北京： 中国建 陈在康． 计算流体力学与传热学［ 1991． 筑工业出版社，
· 196·
第 37 卷 第 27 期 2 0 1 1 年 9 月
山
西
建
筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol． 37 No． 27 Sep． 2011
文章编号： 1009-6825 （ 2011 ） 27-0196-02
土壤源热泵水平埋管周围土壤温度分布的分析 ★
宋学升
摘
张
丹
王发辉
要： 着重介绍了基于有限差分法计算土壤耦合热泵地埋管周围土壤温度分布的计算方法， 并计算了埋深 1 m， 不同质 量流量时埋管周围土壤温度的变化规律 。计算结果表明： 埋管周围土壤的温度分布随管内流体流量的变化而变化， 其变 埋管周围土壤温度越低 。 化规律是管内流体质量流量越大，
文献标识码： A 周围实际土壤之间的传热过程十分复杂， 它与土壤的类型、 土壤 含水量、 热湿迁移等因素密切相关， 要想建立能精确模拟实际工 以现有的计算技术几乎不可能 况的模型来精确求解，
［5 ］
， 本文在
计算时也做了如下假设： 1 ） 土壤性能均匀， 且其类型也不随埋管的变化而变化； 2 ） 在 埋管周围一定距离上， 土壤温度只随昼夜和季节的交替而变化； 3 ） 传热过程是轴中心对称分布； 4 ） 埋管间距足够大， 忽略管间换 热的相互影响； 5 ） 忽略与管轴中心平行方向上的热量交换； 6 ） 空 气与地表的边界换热为对流换热 。 1 ） 计算区域的网格划分。 B， C， D， L和K 有限差分计算的网格模型如图 1 所示， 图中 A， y 方向的有效距离， 表示用于计算土壤温度分布时计算区域在 x， x， y 平面被分成很多方形区域， 网格中实线的交点是计算节点， 每 一个小方格是控制体积 。 控制体积在 x 与 y 方向的宽度分别为 Δx 和 Δy， 本文在划分计算网格时， 取 Δx = Δy， 控制体在 z 方向的