地源热泵系统经过几十年的研究发展已经是一项相对成熟的新能源开发方式。目前国内外已从多个角度针对地源热泵系统进行了研究,但是地源热泵系统在研究推广上并没有进入完善的阶段,在地质分层,渗流等方面的研究还尚有不足。地埋管换热器是地源热泵系统中与岩土直接换热的元件,是整个系统中的核心,弄清不同条件下地埋管的换热性能,研究地源热泵系统的关键。由于我国幅员辽阔,地质类型多样,不同地质结构的岩土同地埋管间的换热性能存在显著的差异,甚至在同一地区地质结构下也存在差异。现有的研究还没有集中在夏热冬冷地区典型地质结构上进行换热性能的差异性研究。由于夏热冬冷地区不同城市以及相同城市的不同地质区域存在地质的差异,从而影响了地埋管地源热泵系统的换热效率。具体项目的分析不能有效代表该区域典型地质状况下的地埋管换热能力。为此,有必要对不同地质状况下地埋管换热能力的影响进行评价与分析。本课题以地源热泵系统中垂直地埋管为研究对象,着重研究夏热冬冷地区不同地质结构对地埋管换热器与岩土换热性能的影响。通过前期调研数据,归纳总结出夏热冬冷地区典型地质结构,并以此建立三维多层管群传热模型。然后用基于热相似理论搭建的地源热泵相似实验台来验证地埋管换热数值模型及其建立方法的正确性后,输入夏热冬冷地区典型地质结构作为边界条件,用全年逐时建筑负荷作为输入热源进行数值计算,得到地埋管的进、出水温度以及岩土动态温度场后定量分析比较不同地质结构下各参数之间的差异。首先根据地质类型差异选用重庆、成都、贵阳、武汉、上海五个城市的典型地质结构来代表夏热冬冷地区的典型地质结构。通过调研和搜集夏热冬冷地区的热响应测试报告、地勘资料以及查阅大量的岩土地质类文献,归纳总结得出重庆、成都、武汉、上海、贵阳的地质结构类型,并从岩土地质资料记载和项目实测两个方面论证所得地质结构的合理性。在原有地埋管传热模型的基础上,利用所得典型地质结构,建立三维多层管群传热模型。然后基于达西定律和热相似理论搭建1:8的地埋管地源热泵热相似实验台,并根据试验台建立与之完全相同的数值模型,通过实测值与数值解的对比,验证换热器传热模型及其建立方法的正确性,证明数值计算模型以及方法可以运用于实际工程。基于重庆市某办公建筑建立负荷计算模型,计算全年逐时建筑负荷,并以此选择合适的热泵机组,然后通过matlab得出热泵机组的逐时出力负荷后,通过UDF程序将逐时出力负荷引入地下换热器传热数值计算中,使得地埋管进、出口水温能够与机组逐时负荷相互耦合。最后通过建立的三维多层管群传热模型耦合机组逐时出力负荷,计算得到重庆、成都、上海、武汉、贵阳典型地质结构下地埋管换热器全年的动态进、出水温度以及周围岩土动态温度场,并以此为基础计算得出相应的过余温度、平均换热系数、岩土过余温度变化比、岩土过余温度变化速率、热不平衡率等参数,从多角度来描述地埋管的动态换热过程以及全年的埋管运行情况。根据数值计算所得平均换热系数值,可以得出在该典型地质结构、初始温度、负荷特性等条件下,地埋管系统的换热性能排序:贵阳>武汉>重庆>成都>上海,其中贵阳和武汉的具体参数值接近,成都和上海的具体参数值接近。此外,五种地质结构的岩土在埋管运行的第一年中岩土季节间歇期基本都能恢复至岩土初始温度附近。五种地质结构的岩土全年的热不平衡率差异也不显著,均在49%附近,证明夏热冬冷地区普遍存在明显的热不平衡,如果地温恢复期岩土不能进行很好的恢复,长此以往可能会导致岩土蓄热失调,从而影响地源热泵系统的运行甚至瘫痪。以上结论对于评价夏热冬冷地区地埋管换热性能以及为相应工程提供初步的指导意见均有一定的参考价值,同时也为基于地质结构、负荷特性以及动态节能率等多参数状况下解决竖埋管地源热泵系统岩土蓄能不平衡问题、建立岩土蓄能失调模型和计算方法提供依据。