利用地熱調節室內溫度具有成本低、可持續使用的特點。本文為地熱能系列的第三篇部落格文章，我們將詳細探討埋管集熱器。由於對埋管集熱器的熱效能已做了準確預測，並且考慮了管道佈置與區域性熱性質，因此“管道流模組”非常適合模擬這種集熱器。

地熱集熱器

現代房屋在建造時要求達到高效的氣候控制，因此優先考慮可持續能源。這樣的能源可以是提供溫水的太陽能集熱器系統，或是基於周圍空氣或地熱的可實現冬暖夏涼的熱泵系統。

地熱應用主要包括以水或海水作為流體在地下與熱泵之間進行熱交換的管道裝置。這種稱為閉環系統的裝置主要分為兩類：安裝於地埋管內的垂直地埋管換熱器 (BHEs)（見本系列第一篇部落格文章）；安裝在開闊地帶、淺層地表（深度為一到兩米）的水平集熱器。

垂直地埋管換熱器通常簡化為無窮大的熱線源或散熱器，而水平集熱器則更為複雜，尤其從模擬建模的角度而言。這是因為水平集熱器必須按照一定的模式排列，以便覆蓋較大表面積，而簡化方法就無法實現這一點。管道總長達到 100 米甚至更長是很稀鬆平常的。由於流體在湍流時與地表之間的熱阻率較低，因此我們首選湍流。可以想象，對具有以上這麼大資料量的系統進行 CFD 模擬模擬是一個多麼大的挑戰（儘管使用現代高效能計算機叢集可以提供很好的計算效能，但這仍是個難題）。幸運的是，我們找到了解決辦法。

讓我們看看管道流模組是如何模擬應用日益廣泛的地熱集熱器系統的。

管道流模組概要

值得慶幸的是，使用此模組我們不必擔心模擬長管系統時要面臨的大量計算。在管道流模組中使用指定的三維曲邊相關函式，可以實現所有必需的功能，如計算壓降和速度，以及最重要的——計算管道內流體與地表之間的傳熱。而我們只須定義入口條件（溫度和速度）及管道、流體和地表屬性。因此，可以集中精力考慮這樣的問題：“花園下面的管道怎樣水平佈置效果最好？”

讓我們來找出答案。

示例模型：花園作為熱源

近期的部落格文章中演示的傳熱案例描述瞭如何對入口溫度邊界條件進行數值計算來實現指定的熱提取率。透過這種方式，任何熱提取率都可以給定，且可以計算相關入口溫度。假設流體屬性不受溫度影響，那麼入口溫度的簡化方程如下：

(1)

如此一來，它是管道中流動流體的出口溫度 (

)、密度 (

)、熱容 (

) 及體積流率 (

) 的函式。熱泵提取的熱量

控制出入口溫度之間的溫差，它是一個時間函式，因為熱泵（用於住宅供暖）通常不會全天運轉。單戶住宅典型的熱泵熱耗率為 8 kW，其中執行熱泵需要 2 kW 的功率，從地表提取 6 kW 的熱量。要達到每天的熱量需求，例如，德國或北美的冬季需要 48 kWh，熱泵每天需要執行 6 小時。

熱泵每天執行 6 小時，每小時提取 6 kW 熱量，3 天為一個週期。

地下集熱器管道的佈置方式可以有無數種。在這裡，我們看一下三種隨機選擇的模式。我們稱之為蛇式設計、蝸牛式設計以及曲流式設計。集熱器埋入花園地下，其表層土壤具備典型的熱效能。地表溫度為德國一月份的溫度。

地熱集熱器系統的三種不同鋪層設計：1）蛇式設計，2）蝸牛式設計，3）曲流式設計。

COMSOL Multiphysics 的幾何子序列功能可以在同一個模型中建立這三種不同管道的幾何。該功能還能執行引數化研究來求解每個特定的子幾何。查看出口溫度隨時間的變化，比較這三種不同的設計。

三種集熱器設計出口溫度比較。

三種集熱器展示了三種不同的熱效能，這是由於管道之間的距離不同，管道長度不同，因此可進行傳熱的表面積也不同。儘管管道內的水-乙二醇混合物的冰點約為 -13°C，但在德國出於環境考慮，法律規定出口溫度必須高於 -5°C。

蛇式設計的管道幾天後溫度往往就低於 -5°C，因此，不會優先考慮這種設計。不過，現在也有地熱工程師考慮最佳化這種設計（例如，改變管道長度、管道直徑或覆蓋面積使出口溫度達到最高）。當然，比較簡單的方法就是長時間執行熱泵，研究季節性溫度變化帶來的影響，甚至管道僅用於夏季降溫。

花園地熱集熱器的最佳設計方案確定後，為什麼不連帶對室內的現代地暖系統也進行模擬模擬呢？過程非常簡單。與上面討論的相比，只須將負號改為正號，因為是注入熱量。

花園集熱器與室內地暖系統的組合模型。集熱器從地表提取 6 kW 的熱量，而室內地暖系統將熱量傳入地板內，使溫度維持在 30°C。