因地热能具有节能、环保、可再生等优良的特性,利用地热能作为冷、热源的土壤源热泵系统便受到了普遍的关注。但由于地埋管换热器与周围土壤热交换的不确定性,对地源热泵系统的设计产生了一定的阻碍。其中,地下水渗流与地埋管换热器的换热效率息息相关。在广西地区的地下水分布广泛,且岩溶裂隙发育,导致其地下水渗流速度较大,因此,对地埋管的换热效率影响显著。本文针对这一情况,选取来自桂林的中砂作为研究对象,利用3D打印技术,研制出可模拟一维水平向土壤热渗耦合传递的实验台,并探讨在温度场和水平渗流场共同作用下土壤的传热效能。在此室内模型实验的基础上,依托多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建模并进行了结果对比,分析校正所设计的实际物理模型。综合运用所建立的数值模型对砂砾、粉土、粉质粘土和粘土这4种土壤进行了模拟研究。取得如下研究成果:(1)自主研制的一维模型实验台能有效模拟地下水渗流作用下的土壤传热问题。当渗流沿热量传递方向(正向渗流)作用时,渗流速度越大,热量传递效率越高;在较低的渗流速度下,实验土柱内温度随时间呈先快后慢的变化趋势;当渗流速度较高时,其对于中砂在地埋管中传热的作用为可减少冷热端的温差,从而有效地缓解土壤中的热量堆积。当渗流反向热量传递方向(反向渗流)作用时,会减小热源的影响范围,即阻碍了热量的传递。(2)对以中砂作为典型渗流土壤进行室内模型实验研究,并通过COMSOL Multiphysics软件建立的三维物理模型进行了对比分析。结果表明,温度场的分布最大相对误差在正向渗流时为12%,在反向渗流时为6%;传感器变化的最大相对误差以T1传感器为例,在正向渗流时为6%,在反向渗流时为4%。满足一定的精度要求,可用所建模型对其它类土壤展开数值模拟研究。(3)通过对砂砾、粉土、粉质粘土和粘土换热规律的模拟研究,得出在渗流速度u≤1×10-5m/s时,正向渗流对土壤传热的作用小于反向渗流的情况,在渗流速度u≥5×10-5m/s时,正向渗流和反向渗流形成的温度场都趋向于水平线,但正向渗流传递的温度变化比反向渗流时高。在等渗流速度(u=2×10-5m/s)下,不同土壤的传热效能:砂砾>粉土>粉质粘土>粘土。各温度传感器记录的温度变化会随着时间沿渗流方向逐个达到固定的平衡值,这种热平衡在四种土壤之间产生的先后顺序为:粘土≥粉质粘土>粉土=砂砾。