U型地埋管换热器热短路性能：数值模拟与优化策略

地源热泵系统是利用地下土壤的稳定温度特性，通过埋置于地下的U型地埋管换热器来实现建筑供暖、制冷以及热水供应的一种高效能源利用方式。然而，U型地埋管换热器在运行过程中，往往会出现一个重要的问题——管间热短路。本文针对这一问题进行了深入的数值分析。 热短路是指在U型地埋管的两个并行支管之间，热量直接传递，导致原本应该通过土壤进行交换的热量部分被短路，从而影响了整个系统的换热效率。为了研究这个问题，研究人员建立了三维传热模型，使用了FLUENT这一流体动力学仿真软件，该软件广泛应用于热力学和流体力学的计算中。 通过模拟不同井深和不同流体速度条件下的换热情况，研究发现单位井深换热量随着井深的增加而减少。这是因为随着井深增加，热短路现象加剧，导致热量传递的有效性降低。同时，流体速度的减小会加剧热短路现象，因为流速慢会导致流体在管道内的停留时间增加，增加了热量在两个支管间传递的机会。 为了缓解热短路的影响，文章提出了两种有效的解决方案。首先，可以在出水管段敷设保温层，通过减少管壁的热损失，提高单井总换热量。实验证明，这种方法可以使得单井总换热量提升5.53%。其次，是在U型管的两个支管间添加隔热板，直接阻隔两管之间的热传导，进一步提高了换热效率，实施后单井总换热量提升了8.04%。 这两个措施的实施，不仅有助于提高地源热泵系统的能效比，还能延长系统的使用寿命，降低运行成本。对于设计和优化地源热泵系统，尤其是U型地埋管换热器的布置和选型，具有重要的指导意义。 U型地埋管换热器的管间热短路问题是一个不容忽视的工程问题，通过合理的数值模拟和实验验证，可以找到有效的解决策略。在实际应用中，结合保温层和隔热板的使用，能够显著改善换热性能，提高地源热泵系统的整体效能。这对于推动绿色建筑和可持续能源的发展，有着积极的促进作用。