西安交通大学王沣浩教授团队在International Journal of Heat and Mass Transfer 发表浅层地埋管群管间热干扰与负荷迁移调控研究成果

近日，西安交通大学建筑节能研究中心王沣浩教授团队在传热传质领域顶级期刊 International Journal of Heat and Mass Transfer发表题为“Mitigating load-shifting behavior in shallow geothermal borehole arrays: Advection-driven thermal interference analysis”的研究论文，系统揭示了地下水渗流与地面管网耦合作用下，浅层地埋管群负荷迁移的时空演化规律与调控方法。中心成员郭思宇博士生为论文第一作者，蔡皖龙助理教授和王沣浩教授为论文通讯作者。

论文题目: Mitigating load-shifting behavior in shallow geothermal borehole arrays: Advection-driven thermal interference analysis
作者: Siyu Guo，Wanlong Cai*，Fenghao Wang*，Shuang Chen，Boyan Meng，Jun Liu，Yuping Zhang，Chaofan Chen
期刊: International Journal of Heat and Mass Transfer, 2026, 271: 129356

研究背景

在“双碳”目标驱动下，浅层地热能凭借分布广、能效高、环境友好等特点，成为建筑清洁供暖供冷的重要技术路径。地源热泵系统正向区域能源站、大规模集群化方向发展，地埋管阵列集群运行已成为行业主流形态。

然而，大规模地埋管阵列长期运行普遍存在“负荷迁移（load-shifting）”现象：阵列中心区域热干扰叠加导致换热能力衰减，负荷自发向边缘埋管转移，造成单管过载、土壤冷热累积，直接制约系统长期能效与运行稳定性。同时，含水层地区地下水渗流会通过对流输运重塑地下温度场，进一步改变阵列内部负荷分布规律。传统工程仿真普遍采用管网解耦简化，忽略地上水力-热平衡与地下换热的双向耦合作用，设计结果存在系统性偏差。因此，揭示渗流与管网耦合作用下的负荷迁移机理，并提出针对性调控方法，成为亟待研究的问题。

研究内容与结果

针对传统地埋管阵列仿真解耦偏差大、渗流作用下负荷分布规律不明的问题，研究团队构建了由OpenGeoSys（OGS）地下多场物理仿真模块与TESPy热力学计算模块全耦合的仿真框架。研究以西安关中盆地水文地质条件为背景，建立5×5共25根单U型地埋管阵列模型，结合15年长周期运行工况，系统探究了达西流速、埋管间距对负荷迁移行为的调控规律。模型验证结果显示，地下渗流传热模块与解析解的最大绝对偏差为0.16 K（相对误差0.70%），管网耦合模块与标准求解器的节点压头标准差为2.18×10⁻⁵ m，系统热平衡拟合度R²达99.89%。

图1  地下渗流-地埋管换热-地上管网水力热平衡全耦合计算框架（基于OGS-TESPy模拟仿真工作流程）

研究量化了管网解耦带来的系统性设计偏差。传统解耦模型假设所有埋管负荷均匀，会显著低估边缘埋管承载能力、高估中心区域热退化程度。运行至第15个供冷季末，解耦模型低估边缘埋管供暖负荷达26%，高估中心埋管出口水温1.9 K；15年累积土壤温升偏差达22%。阵列规模越大，解耦带来的设计偏差越显著。

研究揭示了渗流驱动负荷迁移的非线性规律：随地下水达西流速从0升高至1×10⁻⁶ m/s，阵列最大负荷迁移百分比呈现“先减小、后增大”的特征。低速渗流条件下（1×10⁻⁸～1×10⁻⁷ m/s），渗流弥散作用可将阵列内部堆积的冷热量输运出去，缓解中心热堆积、降低负荷迁移程度；当流速升至1×10⁻⁶ m/s时，平流作用主导换热，负荷迁移从“中心-边缘对称模式”转变为沿流向的非对称分布，最上游埋管峰值负荷迁移达41.4%。地下水渗流可改善土壤热恢复，但高流速场地需重点防控上游埋管过载风险。

图2  不同达西流速下阵列负荷迁移百分比（PSTL）演化

在高渗流条件下，上游埋管排出的热/冷羽流会随地下水沿流向向下游迁移，造成下游埋管温度剧烈波动、负荷大幅震荡，这是含水层地埋管工程中非常容易忽视的风险点。

图3  高渗流条件下热羽流沿地下水流向的迁移演化（下游温度震荡风险）

研究明确了埋管间距的调控效果：在高渗流工况（达西流速1×10⁻⁶ m/s）下，增大埋管间距可显著抑制负荷迁移。将埋管间距从3 m增至6 m，阵列峰值偏移负荷降低63%，下游区域土壤季节温度波动稳定在9 K以内，15年累积土壤温升控制在2 K以内，下游埋管负荷占比显著提升，阵列整体换热能力得到更充分利用。结合国标GB 50366-2009推荐范围，5～6 m埋管间距是兼顾土地利用效率与负荷均匀性的合理设计区间。

图4  不同埋管间距下阵列负荷迁移百分比（PSTL）演化

此外，参数敏感性分析表明，达西流速是控制负荷迁移非对称程度的第一主导因素，埋管间距次之，岩土及回填材料热物性属于次要影响参数。即使考虑地质弥散效应，高渗流下上游-下游非对称负荷迁移现象依然稳定存在；仅供暖工况的补充模拟亦证实该现象在北方以供暖为主项目中同样出现，具备工程普适性。

创新与价值

本研究构建了地下渗流传热-地面管网水力/热力平衡的全耦合仿真框架，形成了涵盖长周期动态仿真、负荷迁移量化、参数敏感性分析的完整研究体系。

研究进一步揭示了地下水渗流对负荷迁移“先抑制、后加剧”的非线性作用机制，明确了埋管间距的调控效果与参数影响层级，可为含水层地区地埋管阵列布局优化、运行策略制定和多能互补应用提供参考。

参考文献

[1] Siyu Guo, Wanlong Cai*, Fenghao Wang*, Shuang Chen, Boyan Meng, Jun Liu, Yuping Zhang, Chaofan Chen. Mitigating load-shifting behavior in shallow geothermal borehole arrays: Advection-driven thermal interference analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2026, 271: 129356.