U形地埋管换热器（地源热泵）换热仿真研究

地源热泵这几年用得越来越多，核心部件就是埋在地下的换热器。其中U形地埋管是最常见的一种形式——一根管子下去，到底部弯个U型再上来，两根管并行埋在地下，通过土壤跟周围介质做热交换。冬天从地下吸热，夏天往地下排热，原理不复杂，但真正要把它做好，光靠经验不够，得靠仿真。

为什么要做仿真？因为地下的情况你看不见也摸不着。土壤的导热系数、含水率、地温梯度，这些参数在不同地区差异很大，甚至同一块地不同深度都不一样。你不可能每个工况都去现场打洞测数据，成本太高。但如果仿真模型建得准，参数调得对，算出来的结果跟实测数据能对上，那后面的设计优化就有底了。

仿真主要看什么？第一是温度场分布，管子周围的土壤温度随时间怎么变化，运行一年、五年、十年之后地温会不会衰减。第二是换热效率，进出水温差多少，COP能到多少。第三是管间距和埋深的影响，管子埋太近会互相干扰，埋太深施工成本又上去了，这中间有个最优解，仿真能帮你找到。

目前做这类研究，用Fluent的比较多。把U形管的几何建出来，周围土壤域画好网格，设定好边界条件和材料属性， transient算一跑，温度场和流场就都出来了。有些研究还会耦合地下水渗流，考虑渗流对换热的影响，那就更复杂一些，但结果也更贴近实际。

说白了，U形地埋管换热器的仿真研究，就是用数值手段把地下看不见的换热过程算清楚，给设计提供依据，少走弯路。

01 模型图

02 仿真工况

入口条件：流体速度0.6m/s，velocity inlet，水温36℃，直径26mm。

土壤原始温度：16℃。

计算域外围和底部设为初温16℃，计算域顶部设为绝热边界。

03、Case A3考虑土壤中地下水渗流的仿真结果

（1）1天结果

（2）301天结果

04、Case A4基于相变回填并同时考虑地下水渗流的仿真结果

（1）1天结果

（2）301天结果

05

结果对比

（1）工况说明

（2）水平截面温度分布对比

（3）监测说明

出口命名为out，前述的四个坐标为（xi,0,20）的监测点（其中xi=0，0.5，1，1.95），分别命名为P1、P2、P3和P4。

例如下述图中，“A1-P1”指的是A1工况下P1监测点的温度数据。

（4）不同工况下监测数据对比

出口温度数据：

所有监测点温度：

A1工况监测点数据：

A2工况监测点数据：

A3工况监测点数据：

A4工况监测点数据：

不同工况下P1监测点数据对比：

不同工况下P2监测点数据对比：

不同工况下P3监测点数据对比：

不同工况下P4监测点数据对比：

07 软件版本

Workbench2022R2-SCDM（模型处理）-ANSYS MESHING（网格）-FLUENT（仿真）

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