地热能：使用地球加热和冷却建筑物

将地热的使用用于建设气候化是一种经济高效且可持续的方法。在我们的第三部分中地热能系列，我们将仔细研究浅管热收集器。考虑到管道布局和局部热性能，对其热性能的准确预测是对管道流量模块的合适工作。

地热收集器

现代建筑建设需要有效的气候控制，最好使用可持续能源。这样的资源可以是用于暖水支撑或环境空气或基于地热的热泵系统的太阳能收集器系统，可在夏季和冬季进行暖气。

地热应用主要包括用水或盐水作为流体的管道装置，以提供地下和热泵之间的热交换。这些所谓的闭环系统有两种主要类型：垂直钻孔热交换器（BHES），它们安装在钻孔中（请参阅本系列的第1部分）；和水平热收集器，它们沉积在大面积和仅一米的浅水深处。

虽然垂直的铃通常被简化为无限的热线源或水槽，但从建模的角度来看，水平系统更加复杂。这是因为它们必须以图案进行排列以覆盖大型表面积，并且这种简化的使用不再匹配。管道的总长度很容易达到100米或更高。由于流体和地下之间的较低的温度电阻率较低，因此流动状态优选为湍流。您可以想象，具有这些维度的系统的CFD模拟方法是一个挑战（尽管现代HPC群集的计算性能）。幸运的是，有一个解决方案解决此类任务。

让我们看看如何管道流量模块可用于地热收集器系统的生长领域。

使用管道流量模块专注于必需品

值得庆幸的是，我们不必关心模拟长管系统时可能出现的计算困难。管道流量模块提供了使用规定的3D弯曲边缘相关函数来计算压力下降，速度和最重要的 - 管流体和地下之间的热传输。我们要做的就是定义进气条件（温度，速度）以及管道，流体和地下特性。因此，我们可以完全专注于“您认为花园下方最好的水平管道排列是什么？”

让我们找出答案。

示例模型：将您的花园用作热源

传热示例，以最近的博客文章，显示了如何以数值量表的入口温度边界条件的形式实现规定的热提取率。通过这样做，可以给出任何所需的热量提取率，并可以计算相应的入口温度。假设流体特性是与温度无关的，那么入口温度的简化版本可以写为：

（1）

因此，它是出口温度的函数（t_ {out}）， 密度 （\ rho_f），热容量（C_ {P，F}）和体积流速（\ dot {v}）管道中的工作流体。入口和出口温度之间的温度差通过热泵提取的热量控制，p（t），这是时间的函数，因为热泵（用于房屋加热目的）通常不会整天运行。单户住宅热泵的典型加热速率为8 kW，需要2 kW的电力来运行它，并从地下提取6 kW。为了达到冬季在德国或北美的冬季，每天达到48 kWh的热量需求，热泵每天需要运行六个小时。

在三天的周期中，每天6 kW的热量提取六个小时。

如何在地下排列热量管道的可能性数量是无止境的。在这里，我们将查看三种随机选择的模式。让我们称它们为蛇，蜗牛和蜿蜒的设计。热收集器嵌入地下，并具有典型的热特性，您可以在花园的最高土壤层中找到。地下温度分布对应于1月份德国的温度。

地热收集器系统的三个不同层设计：1）蛇，2）蜗牛和3）曲折设计。

comsol多物理功能，几何子序列，允许我们在同一模型中创建所有三个不同的管道几何形状。它还允许我们执行为每个特定子几何而解决的参数研究。我们可以通过查看所得出口温度作为时间的函数来比较不同的设计。

比较三个收藏家设计的流出温度。

这三个收集器每个都显示出不同的热行为。这是由于管道之间的距离不同，其长度不同，因此可以进行传热。即使管道内的水 - 甘氨酸混合物的冰点约为-13°C，但出于环境原因，流出温度在法律上限制在德国的-5°C以上。

蛇的设计仅在几天后才倾向于低于此点，因此，这不是这里的首选设计。但是，地热工程师现在可以继续优化设计（修改管道长度，管道直径或覆盖区域以达到最高出口温度。季节性温度变化的影响，甚至在夏季使用管道进行冷却。

一旦找到了花园中的地热收集器的最佳设计，为什么不继续对房屋中的现代地板加热系统进行建模呢？该过程是直接的。由于这里注入热量，因此只有符号更改。

花园收集器的组合模型以及地板的房屋加热系统。收集器以6 kW的速度从地下提取热量，而房屋加热系统则在30°C的房屋地板中注入热量。

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