地源热泵是在能源危机、环境污染、生态破坏背景下应势而生的一种浅层地热能的应用形式,它具有节能、环保的特性,是我国“十三五规划”中重点支持、发展的可再生能源应用形式之一。通过对国内外地源热泵研究的现状的查阅,竖直埋管形式的地源热泵系统实际应用比较广泛,竖直埋管换热器与土壤导热是地源热泵系统研究的重点及难点。土壤是典型的多孔介质,其传热传质是一个比较复杂的过程,而实际工程中土壤的一些物性参数又难以得到,土壤物性参数对竖直埋管换热器的换热会有一定的影响,因此限制了竖直埋换热器与土壤换热的深入研究。本文首先通过设计并搭建实验台,筛选三种不同粒径的土壤及改变土壤含水率的方法改变土壤孔隙率,来研究改变土壤粒径及改变土壤含水率而改变的土壤孔隙率对竖直埋管换热器换热的影响;然后以实验台参数建立物理模型,以试验测得的土壤参数为边界条件,用Fluent软件对实验进行模拟对比,建立数值模拟模型;最后以建立的模型为基础,进行不同土壤孔隙率对竖直埋管换热器换热影响的模拟研究。实验结果表明:(1)将土壤粒径从小到大编号,土壤粒径介于0.25~0.5 mm之间为土壤1、土壤粒径介于0.25~0.5 mm之间为土壤2、土壤粒径介于0.25~0.5 mm之间为土壤3。土壤含水率相同,改变土壤粒径而得到不同的土壤孔隙率进行实验。实验表明:土壤平均导热系数随着孔隙率的增大而减小。从土壤1到土壤2孔隙率增加了10.3%,平均导热系数下降了2.4%;平均换热量下降了3.0%;从土壤2到土壤3孔隙率增加了8.6%,平均导热系数下降了1.9%;平均换热量下降了2.5%。分析得到:对于此实验,土壤孔隙率变化对土壤平均导热系数的影响不大,土壤孔隙率变化对换热量的影响也不大。(2)土壤粒径相同,改变土壤3含水率而得到不同的土壤孔隙率进行实验,实验表明:土壤平均导热系数随着孔隙率的增大而上升,平均换热量随着孔隙率的增大而上升。土壤3从含水率5%到含水率10%孔隙率增加了3.8%,平均导热系数上升了9.8%;平均换热量上升了7.2%;土壤3从含水率10%到含水率20%孔隙率增加了3.9%,平均导热系数上升了8.3%。平均换热量上升了6.8%。分析得到:对于此实验,土壤孔隙率的变化对土壤平均导热系数有较大的影响;土壤孔隙率变化对换热量也有较大影响。(3)通过两组实验对比可以得到:通过改变土壤含水率而改变的土壤孔隙率对竖直埋管换热器换热的影响大于改变土壤粒径而改变的土壤孔隙率对竖直埋管换热器的影响。模拟结果表明:(1)通过对比Fluent模拟实验工况与实验结果,两者差值很小,可以认为模拟与实验能很好的对应,以实验为物理模型建立的数值模拟模型是正确的。(2)保持其他土壤物性不变,只改变土壤孔隙率,相当于改变土壤粒径,随着孔隙率的增大,换热量在减小,土壤孔隙率从0.2增加到0.5时,换热量仅降低了4.3%,说明只对于改变土壤粒径下的不同土壤孔隙率对换热量的影响不大。(3)通过改变不同含水率而改变的不同土壤孔隙率实验,将得到的模拟参数进行模拟,得到土壤孔隙率从0.441到0.482上升了9.2%,换热量增加了20%,通过改变含水率下的不同土壤孔隙率对换热量有较大的影响。