地埋管地源热泵系统具有高效、节能环保、一机多用等特点,近年来在国内得到了快速发展和广泛关注。地埋管地源热泵系统的换热性能与很多因素有关,其中地下水渗流和地质分层的影响不可忽视。由于实际工程中渗流难以准确检测,且地质情况复杂,搭建可以模拟地下水渗流及地质分层的模型实验台来研究地源热泵系统的性能将比现场实测更具优势。然而在众多已建的地源热泵地埋管实验台中,往往缺乏对地质分层和局部渗流的考虑,且多是进行单根地埋管的研究;同时少有对根据相似理论建立的模型实验台与原型的相似度进行检验的研究。本文综合考虑地下水渗流和地质分层现象,以相似理论和达西定理为指导,依据原型建立存在双根地埋管的地源热泵地埋管相似模型实验台,并对其与原型的相似度及影响因素进行研究。首先基于相似理论,根据地源热泵系统中地埋管与土壤的换热微分方程组,推导出在考虑渗流和地质分层情况下模型与原型相似应满足的4个相似准则数,同时分析确定各参数的相似常数。以某工程为原型,建立满足相似条件的双层地质双管渗流模型实验台,并验证原型与实验台的相似性。为此,在不考虑渗流的情况下,建立双根地埋管的分层换热数值模型;根据实验台的测试数据,对建立的地埋管分层换热模型进行计算精度及可靠性验证;由于缺乏原型的实测数据,利用建立的地埋管分层换热模型对原型进行模拟计算,并将其计算结果与实验台实测结果进行对比,从出水温度、管壁温度及土壤温度多方面验证原型结果与实测结果的相似性。此外,还验证了相似模型在地源热泵地埋管数值模型中的应用。最后针对原型与实验台间由于实际情况的限制导致相似模型条件不能完全满足要求的现象,对影响实验台与原型相似性的因素利用数值模型逐一进行了分析。研究结果表明,对存在地下水渗流和地质分层的情况下,形成地源热泵地埋管相似模型的条件为:当原型与模型中的土壤、埋管及管内流体性质相同时,原型和模型的四个相似准则数H_o、_oF、_eR、N_u分别对应相等。将原型数值计算结果与实验台实测结果进行对比分析,得到在恒定进水温度工况中和运停比为2:1的间歇运行工况中,地埋管出水温度的实测值和计算值之间的相对误差平均值分别为1%和1.7%;所对比处土壤温度的相对误差平均值分别为1.3%和1.43%。相对误差均较小,证明实验台与原型具有相似性且相似程度较高。利用同样性能的计算机对原型的数值模型和完全满足相似条件的小模型进行计算,所建小模型的计算耗时仅为原型计算耗时的23.88%;原型和小模型中出水温度的平均相对误差为0.20%,所对比处土壤温度平均相对误差为0.08%。证明了小模型与原型的相似性,说明本研究建立的相似模型可以有效且准确的应用于地埋管地源热泵系统的数值模型计算中。原型与实验台间相似性的影响因素研究表明,原型与实验台的流速比从1/8变为1/1、土壤初始温度相差1℃以上时,原型与实验台之间地埋管出水温度或土壤温度的相对误差平均值将会大于5%;当实验台中采用铜管代替PE管时,两者中地埋管出水温度和土壤温度的相对误差平均值分别为0.73%和0.78%。说明此时管内流速及土壤初始温度对原型与实验台利用相似模型关系所获得的结果之间的准确性影响较大,而地埋管材质对其影响较小。