地源热泵系统是一种利用可再生能源-浅层地热能的节能环保系统,但由于系统初投资过高尤其是地埋管换热器部分的成本过高,影响其普遍推广应用。纳米流体作为一种具有高导热系数的新型传热介质,在管壳式换热器、板式换热器等领域体现了良好的强化换热特性。地埋管换热器作为地源热泵系统的核心构件,管内换热介质的对流换热强度影响着地埋管换热器的换热性能。本文将纳米流体结合地埋管,利用纳米流体替代水作为管内换热介质,以期达到提升地埋管换热性能的目的,为减少地埋管换热器钻孔深度或者埋管长度提供可能性。本文通过实验和数值模拟手段展开研究,首先搭建了水平蛇形地埋管沙箱实验台,包含上、下双层独立埋管分别运行纳米流体和水,同时展开两种换热介质在地埋管中的换热实验,对比其在地埋管换热性能上的区别。通过相同条件下恒定功率加热实验数据,发现采用的Cu O-水纳米流体体现了更好的换热特性,相比水通过地埋管的进出口温差更大。采用地埋管换热量与泵功的比值η作为地埋管综合换热性能评价指标,实验数据显示质量分数3%粒径30nm左右的Cu O-水纳米流体通过地埋管的换热量远超过水,提升比例接近35%,虽然纳米流体粘度比水大导致系统运行阻力增加,纳米流体侧水泵运行功率相比水增加了约16.4%。但纳米流体地埋管换热量提升比例超过了泵功增加比例,在实验工况下ηCu O相比ηwater提升近16%,采用的Cu O-水纳米流体有效提升了水平蛇形地埋管的换热性能。同时研究纳米流体地埋管管壁温度变化,发现纳米颗粒的加入强化了U型弯管内二次流现象对壁面边界层的破坏作用,而且由于弯管离心力作用加强了纳米颗粒布朗运动,综合导致纳米流体在弯管段对流换热显著增强,弯管段壁温值有所上升但管壁温度整体呈现下降趋势。然后建立水平蛇形地埋管耦合土壤换热模型,考虑到实验用纳米流体浓度较低,将纳米流体作为考虑物性的单相流进行简化处理,通过实验数据从埋管进出水温度、沙箱土壤温度、管壁温度等方面验证模型的准确性。结合已验证的数值模型控制模拟条件一致连续运行2h,分别研究纳米流体流速、浓度、入口温度对地埋管换热性能的影响规律,结果显示:随着流速降低纳米流体地埋管换热量会随之减小,但地埋管所需泵功值受流速影响较大,泵功随流速下降而降低的比例远远超过地埋管换热量减小比例,因此导致了纳米流体地埋管综合换热性能随着流速下降而有所提升;随着纳米流体浓度增加地埋管换热量有一定提升,同时纳米流体粘度增加流动阻力增加,由于泵功对流体粘度较为敏感,泵功随着流体浓度增加而提升的比例大于纳米流体地埋管换热量提升比例,结果造成纳米流体地埋管换热性能的降低;随着入口温度增加,纳米流体地埋管换热量显著提升同时泵功有所降低,综合导致地埋管的换热性能的显著提升。在因素分析基础上研究了五种不同纳米颗粒对应的纳米流体在地埋管中的换热性能,包括Cu-水纳米流体、Cu O-水纳米流体、Al-水纳米流体、Al2O3-水纳米流体、Si O2-水纳米流体。分析得到不同种类纳米流体在地埋管中综合换热性能系数:42)>7)>723)>>,Cu-水纳米流体通过地埋管的换热量最大但同时产生的进出口压降也最大,Cu-水纳米流体地埋管换热量相比其余纳米流体提升比例小于其泵功增加比例,导致Cu-水纳米流体综合换热性能不佳;Al-水纳米流体和Si O2-水纳米流体通过地埋管的换热效果相近,Si O2-水纳米流体综合换热性能在五种流体中最佳。本文结合实验研究和数值模拟,同时对比了Cu O-水纳米流体与水在水平蛇形地埋管中的换热性能,研究了不同因素作用下纳米流体在水平蛇形地埋管中的换热规律,为后续纳米流体结合地埋管的研究提供一定参考。