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地源热泵土壤温度
（最新版）
目录
1.地源热泵的定义和组成
2.地源热泵的工作原理
3.地源热泵系统的分类
4.地源热泵的优点
5.地源热泵系统运行参数及土壤温度变化特性分析
6.垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土壤温度场的数值模拟
正文
地源热泵是一种以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源的供热中央空调系统。
它由水地源热泵机组、地热能交换系统和建筑物内系统组成。
地源热泵的工作原理是在制冷过程中，机组将空调空间的热量置换出来，并带入地下被土壤或水源所吸收。
在制热时，机组将地下土壤中的热能转换出来带入所需采暖的空间。
根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可以分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
地源热泵以供热为主，地下温度的显著特点是冬暖夏凉，这使得地源热泵成为一个理想的供热系统。
地源热泵系统运行参数及土壤温度变化特性分析是研究地源热泵系
统性能的重要环节。
通过对土壤温度、地源侧取热量、负荷侧供热量、机组耗电量、水泵耗电量等实测数据的分析，可以初步了解热泵设定温度、水泵频率等因素对于土壤温度、机组性能系数及系统性能系数的影响。
垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土壤温度场的数值模拟是研究地源
热泵系统土壤温度变化的另一种方法。
通过应用有限单元法对土壤源热泵
地下垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行数值模拟，可以得到与实验测得的结果相一致的模拟结果。
这为地源热泵系统的设计和优化提供了重要的理论依据。
总的来说，地源热泵是一种具有优良性能的供热中央空调系统。
建筑与预算CONSTRUCTION AND BUDGET2019年第7期DOI:10.13993/ki.jzyys.2019.07.017收稿日期：2019-02-11作者简介：潘欣（1993-），女，硕士，主要从事建筑节能方向研究。
E-mail：1462004347@中图分类号：TK122文献标志码：B文章编号：1673-0402（2019）07-0059-031土壤源热泵的概念土壤源热泵系统在日常生活中使用广泛，从能量角度理解，它是由三种能量系统组成。
首先是位于地下的埋管换热器进行热量的收集，也就是热量采集系统；第二部分是把从地下土壤中获得的热量进行提升，期间消耗少量的高品位能量电能，这种系统叫做能量提升系统；第三种系统是把经过消耗电能得到的能量进行释放，冬季时向室内供暖以提高室内温度，这种能量提升系统称作能量释放系统。
地源热泵就是由这三种能量系统组成。
冬季室内与室外温度相比，室内温度高，室外温度低，地下土壤的温度要高于室外气候温度，此时地源热泵系统从土壤中吸收热量在制热工况下工作，向室内供暖；夏季地源热泵处于制冷工况，同时把室内热量排到地下。
图1热泵工作原理示意图2模型的建立2.1模型假设模型的建立应该考虑实际工程情况，因此实际工程中应用的尺寸、条件、工况等都需要在建立模型时考虑进去。
埋管换热器位于地下，因此埋管换热器的形状、地下的结构也需要考虑进去。
以下是模型的假设条件:土壤源热泵夏季工况下运行温度场分析潘欣，刘冰红（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）摘要：地源热泵技术广泛应用在工业产业和日常活动中，地球不可再生能源日益短缺，地源热泵技术的作用也变得越来越重要。
地埋管换热器作为土壤源热泵系统的重要组成部分，其换热效果对热泵运行效率有着非常关键的作用。
本文根据地源热泵系统夏季工况运行对周围土壤温度产生的影响，研究埋管周围土壤的温度场变化。
对夏季土壤温度场用FLUENT 模拟软件进行分析，地埋管周围土壤在地下2m 处和地下30m 处会有明显的不同。
地源热泵系统抽灌模式下对地下水渗流场 温度场 应力场的影响作者简介：王科以（１９８６－），男，辽宁盖州人，本科，地质工程师，研究方向：地下水环境分析预测㊁机场软土工程勘察㊂王科以（中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁锦州１２１０００）摘㊀要：阐述了地下水源热泵的基本理论，建立地下水源热泵饱和土体渗流场 温度场 应力场耦合数学模型，运用ｃｏｍｓｏｌ软件模拟沈阳某地下水源热泵使用区的三场变化规律，结果表明渗流场的变化引起温度场和应力场的变化，温度场和压力场都是时间的函数㊂关键词：地下水源热泵；渗流场；温度场；应力场；数值模拟中图分类号：Ｐ６４１文献标识码：Ａ文章编号：２０９６－２３３９（２０１８）０１－００８３－０２１㊀地下水源热泵的基本理论地下水源热泵的工作原理是将浅层的地下水资源当作储存能量的场所，承压含水层或潜水层的水温是相对恒定不变的，将承压含水层或潜水层的水用泵抽到地面，输入少量的高位电能和运行压缩机的系统，在夏天将温度较低的水经过流动，吸收室内的高温再通过管道将水回灌到含水层内；在冬天通过水泵的作用将含水层中温度较高的水循环至室内，升高室温，循环后温度较低的水应用水泵回灌至含水层内，夏天实现冷能量从低位能转化到高位能，冬天实现热能量从高位能转化到低位能的目的，最终实现建筑物夏天制冷和冬天供暖的一种新型的无污染的能源系统㊂地下水源热泵系统的具体运行过程是将地下水应用水泵和管道的运行将水抽到地面，地下水在室内循环最终实现能量交换的过程，交换能量后将水再通过管路和水泵回灌至含水层内㊂在这个循环的过程中，夏天经过循环后的水温高于循环前的水温，冬天循环后的水温低于循环前的水温，最终实现制冷和供暖的目的㊂在地下水源热泵运行的过程中，如忽略灌水井和抽水井在运行中地下水在土壤和岩体多孔介质的运行规律，灌水井和抽水井的布置间距较近，非常容易产生热突破的现象，影响地下水源热泵的正常运行㊂当抽灌水的间距布置太远，水资源的能量就不能充分利用，降低资源的利用效率，因此必须合理布置间距㊂地下水源热泵在运行中，地下水在岩土体中的运移是渗流过程㊂在地下水流经的岩土体区域，岩土体和地下水间进行热量交换，地下水运用水泵从土壤和岩体中灌入和抽出的过程中其有效应力发生了改变㊂地下水源热泵运行中渗流场㊁温度场㊁应力场三场相互作用，如何在渗流场㊁温度场㊁应力场作用下布置抽灌水的合理间距是目前要解决的重要问题㊂２㊀模拟模型的建立本文以沈阳某地区的抽灌水井的布置实例，依照试验结果和该地区布置的实际灌水井和抽水井的位置，模拟范围为２８０ｍˑ２６０ｍ，该地区模拟的模型参数分别如下：抽水井温度：２８５Ｋ；地下水体积分数：０．２５；实体体积分数：０．７５；地下水导数系数：０．８Ｗ／（ｍ㊃Ｋ）；地下水比热：４２００Ｊ／（ｋｇ㊃Ｋ）；灌水井温度：２９８Ｋ；实体比热：８００Ｊ／（ｋｇ㊃Ｋ）；实体导热系数：２．２Ｗ／（ｍ㊃Ｋ）；实体密度：２４００ｋｇ／ｍ３；地下水流速依据条件变化；地下水初始温度：２８５Ｋ㊂按照沈阳的地理位置，每年的供暖期为４个月，休整期２个月，制冷期４个月，休整期２个月，制冷期和供暖期是互逆的过程，原理基本是一样的㊂文中以制冷期为研究对象，在制冷期中，含水层中的水温比室温低，水经过水泵和管道的运输达到室内，经过循环，吸收室内的温度后，水温温度变高，再经过灌水井回灌至含水层内㊂将研究区域的所有抽灌水井的平面布置图输入ｃｏｍｓｏｌ软件内，输入模型的各个设定参数，其中７口抽水井在模拟区域的下方位置，６口灌水井在模拟区域的上方位置，渗流方向是从北至南㊂３㊀实验模拟结果及参数分析（１）运用ｃｏｍｓｏｌ软件进行模拟，地下水源热泵制冷期运行１０ｄ㊁１２０ｄ应力场的变化特点如图１所示㊂图１㊀１０ｄ㊁１２０ｄ应力场（Ｐａ）变化的规律从图１的模拟结果可以看到，应力的大小沿着每个３８灌水井的周围向外面逐步增大：时间越久灌水井周边应力的颜色就越深，表明灌水总量增加应力加大㊂抽水井的应力变化和灌水井的应力变化是相反的㊂从图中可以看到，１０ｄ时抽水井和灌水井周边的应力有了一些变化，应力的变化主要集中在灌水井和抽水井周边的位置，应力变化范围比较小，１２０ｄ抽灌水井周边的应力变化范围更大，变化更明显㊂（２）运用ｃｏｍｓｏｌ软件进行模拟，地下水源热泵制冷期运行１０ｄ㊁１２０ｄ温度场的变化特点如图２所示㊂图２㊀１０ｄ㊁１２０ｄ温度场（Ｋ）变化规律从图２可见，时间增加，温度场的影响范围也会增加，制冷过程中吸收室内的温度，回灌水井的温度就会变高，随着运行时间增加，灌水井的温度影响整个模拟区的温度场更明显，１０ｄ影响灌井周边的温度，１２０ｄ影响整个区域的温度场㊂从图中可以看出１０ｄ时，高温使回灌井周边的小部分的温度升高，地下水是从北向南流动，沿着渗流的方向温度会有一定的拉伸作用，但不非常明显㊂制冷时间变长后，１２０ｄ时温度的影响范围已经遍布整块模拟区，１２０ｄ抽水井周边的温度也受到影响㊂抽水井和灌水井的距离布置越近，发生热贯通现象的时间就会越早，因此必须布置合理间距㊂温度场的变化随着时间的变化而变化，上面的模拟是定性分析，没有进行定量分析，下面依据模拟的数据和实际检测数据对比，来检验运用软件模拟的实用性和准确性㊂（３）图３是一号抽水井不同时间的温度变化曲线㊂一号抽水井位于模拟区的左下方，图３可以看出实值和软件模拟数值差别比较小，抽水井的周边水温在合理的范围内，没有发生热贯通的现象，表明模拟软件的模拟结果可信度高，可以作为未来设计类似地下水源热泵抽水井灌水井的井距布置的依据㊂将一号抽水井作为研究对象，由于制冷期灌水井水温高于抽水井水温，因此容易发生热贯通现象㊂本文定义温度变化大于１Ｋ表明发生热贯通现象㊂在沈阳的夏天，抽水井的初始温度约２８５Ｋ，灌水井因为水进行了热交换作用，灌水井的温度就会高于抽水井的温度㊂从图中看出抽水井的温度低于２８６Ｋ，在地下水源热泵运行期间，没有发生热贯通的现象㊂模拟软件的参数选择和输入以及实测仪器有一定的误差等问题，只要实测数据和模拟数据的误差在一定范围内就是合理的㊂模拟地区的地下水源热泵系统的抽水井和灌水井的井间距的布置很好，没有出现热贯通现象，地下水源热泵系统运行的比较稳定㊂图３㊀一号抽水井实测和模拟温度变化曲线４㊀结论本文运用ｃｏｍｓｏｌ软件，以沈阳某地下水源热泵为实例，对该地区的三场规律进行了模拟分析，得出如下结论：（１）温度场和应力场随着回灌水量的变化而变化㊂在制冷期间，增加回灌水量，最终进入土壤中的热量就会增多，温度场随之发生变化㊂回灌水的水量变大，土壤和岩体的孔隙水压力也变大，有效应力减小，回灌水井周围的应力变小㊂（２）温度场和应力场的变化都是时间的函数，时间越久，温度场和应力场受到的影响范围就越大，应力场随时间的变化和灌水量的变化而变化明显㊂参考文献：［１］㊀周学志．抽灌井群地下水运移能量传输及其传热研究［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１３．［２］㊀王慧玲．区域流场作用下地下水地源热泵系统抽灌模式对地温场的影响［Ｊ］．地下水，２０１０（４）：４２－４４．４８。
有限元线法在土壤源热泵地下瞬态温度场分析中的应用近年来，随着环境保护意识的增强和能源危机的严峻形势，土壤源热泵作为一种高效能源利用方式，受到了广泛关注和应用。
在土壤源热泵系统中，地下瞬态温度场的分析对于系统的设计和优化具有重要意义。
而有限元线法作为一种常用的数值模拟方法，可有效地应用于土壤源热泵地下瞬态温度场的分析。
有限元线法是将有限元法和线法相结合的数值模拟方法。
在土壤源热泵系统中，可以将地下土壤划分为有限数量的单元，通过对每个单元进行数值分析，得到地下瞬态温度场的分布情况。
有限元线法的优势在于可以同时考虑土壤的热传导和热对流，能够更准确地模拟土壤的温度变化。
在土壤源热泵地下瞬态温度场分析中，有限元线法可以应用于以下几个方面：首先，有限元线法可以用于分析土壤源热泵系统的地下换热器的设计和优化。
通过对地下换热器进行有限元线法分析，可以得到地下换热器的温度分布情况，进而判断其换热性能是否满足要求。
根据分析结果，可以对地下换热器的尺寸、材料等参数进行调整，以达到更好的能源利用效果。
其次，有限元线法可以用于分析土壤源热泵系统的地下温度场随时间的变化规律。
通过对地下温度场进行有限元线法模拟，可以得到不同时间点下的地下温度分布情况。
这对于系统的运行和控制具有重要意义，可以帮助确定最佳的运行策略，提高系统的能源利用效率。
此外，有限元线法还可以用于分析土壤源热泵系统的地下热储层的性能。
通过对地下热储层进行有限元线法分析，可以得到热储层的温度分布和储热能力，为系统的设计和优化提供依据。
综上所述，有限元线法在土壤源热泵地下瞬态温度场分析中具有广泛的应用前景。
通过该方法的应用，可以更准确地了解土壤源热泵系统的地下温度场分布情况，为系统的设计、运行和优化提供科学依据，进一步提高能源利用效率。
专题研讨暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１４年第４４卷第３期１１９ 地埋管地源热泵土壤温度场实验分析上海理工大学 刘业凤☆ 艾永杰△ 熊月忠摘要 利用地埋管地源热泵实验系统，研究了地埋管地源热泵在冬季供暖和夏季制冷工况下，埋管间距分别为５．６５ｍ和４ｍ情况下，地下土壤温度随时间的变化；在夏季制冷工况下，对比了两种埋管间距下，地埋管热干扰现象对热泵机组运行效率的影响；研究了夏季制冷工况下，埋管间距为５．６５ｍ时，热泵采取间歇性运行方式下地下土壤温度随时间的变化。
结果显示，埋管间距为５．６５ｍ时，周围土壤温度变化幅度较小，地埋管换热器换热效果更好，比埋管间距为４ｍ情况下约节能１３％；与连续运行方式相比，间歇运行方式下热泵机组的运行效率约提高７％。
关键词 地埋管地源热泵 土壤温度场 埋管间距 热干扰 运行效率 间歇运行Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈｇｒｏｕｎｄ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍＢｙ Ｌｉｕ Ｙｅｆｅｎｇ★，Ａｉ Ｙｏｎｇｊｉｅ ａｎｄ Ｘｉｏｎｇ ＹｕｅｚｈｏｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｍｍｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ ａｒｅ５．６５ｍａｎｄ ４ｍ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ ｓｕｍｍｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｕｎｉｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ．Ｉｎ ｓｕｍｍｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｕｎｉｔ ａｄｏｐｔｓ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｉｓ ５．６５ｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｉｓ５．６５ｍ，ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｓｍａｌｌ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ，ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｅｓ ｂｙ ａｂｏｕｔ １３％ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅｃａｓｅ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ４ｍ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｕｎｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓｂｙ ａｂｏｕｔ ７％ｉｎ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｇｒｏｕｎｄ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｏｉｌ，ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｓｐａｃｉｎｇ，ｔｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ★Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ 地埋管换热器是地埋管地源热泵的重要组成部分，对地埋管地源热泵的运行起着决定性作用，对热泵系统的运行稳定性和运行效率起着重要作用。
