面对化石能源被大量开采而日渐匮乏,可再生能源利用在城市建设中已占据重要地位。地热资源蕴藏丰富,是一种清洁可再生能源。土壤源热泵新技术可以高效利用浅层地热资源,实现夏季供冷、冬季供暖,在节能减排、优化能源结构上发挥着重要作用。与此同时,该项技术的研究受到高度关注,推动该技术走向成熟。土壤源热泵系统在夏、冬季工况运行时,会向地埋管换热器周围的土壤释放或吸收热量,土壤温度的变化反过来会影响热泵系统的换热能力。在使用地埋管换热器夏季夜间向地下蓄冷或寒冷地区冬季高强度取热时,地埋管换热器周围土壤温度可能会降到冰点以下,此时土壤孔隙中的水分会发生冻结现象,从而对埋管换热性能造成影响。地埋管换热器的换热性能关系到整个系统的初投资、运行费用等,因此得到与实际情况更相符的埋管换热性能很重要。但由于地埋管中流体与周围土壤耦合换热再加上土壤多孔介质液体相变,其传热机理很复杂,目前针对土壤冻结对地埋管换热器换热性能产生影响的研究还很少。针对埋管周围土壤多孔介质凝结条件下的管内外耦合换热,目前商业软件也很难应用自定义函数解决,因此本课题提出自编CFD软件对该相关问题进行仿真研究。本文将土壤源热泵竖直单U型地埋管换热器等效为横截面为方形的双管,采用固相增量法处理土壤相变传热问题,建立了考虑土壤冻结相变的管内紊流流场与周围土壤耦合换热的数学模型,使用Fortran语言编制了竖直埋管换热器周围土壤发生冻结的耦合管内外换热的三维动态数值计算程序。模拟分析了土壤冻结对地埋管出水温度及土壤温度的影响及多种影响因素对地埋管周围土壤发生冻结时的埋管换热性能的影响规律。由于土壤孔隙中的液态水发生凝结时会释放相变潜热,延缓土壤温度的降低速度,液态水变为固态后土壤导热系数也会改变,这些都会影响地埋管换热器的换热性能,若忽略土壤冻结的影响会造成埋管系统设计误差。本文在相同条件下,分别采用考虑与未考虑土壤相变传热模型进行模拟计算,分析两种工况土壤温度及出水温度的变化,进而通过改变几种重要影响因素大小,得到了在土壤发生冻结时埋管换热性能的变化规律及前后两者之间延米换热量的差异。研究表明,在土壤会发生冻结的情况下,未考虑土壤冻结的影响计算出的延米换热量偏小,改变几种影响因素的大小对埋管延米换热量造成不同程度的偏差。在地埋管设计时,需要根据具体情况考虑土壤冻结对埋管换热性能的影响。本研究的主要任务是为研究土壤冻结对地埋管换热器换热性能影响提供程序编制方法,研究埋管周围土壤冻结对埋管换热及周围土壤温度的影响规律,为地埋管换热器的可靠设计提供理论帮助。