基于TOPSIS方法的垂直螺旋地-空气热交换器热力学与流体动力学性能多目标数值分析

本研究通过TOPSIS多目标优化方法，创新性地评估了垂直螺旋地-空气热交换器（EAHE-VH）在巴西沿海气候条件下的热力学性能（TP）与流体动力学压降（PD）平衡关系，揭示了螺旋间距（Ph）对系统效能的关键影响，为可持续建筑能源设计提供了量化依据。

　　

研究背景与意义

垂直螺旋地-空气热交换器（EAHE-VH）作为可持续建筑能源技术，通过土壤与空气的热交换实现环境温度调节。本研究针对巴西里奥格兰德市特有的海岸气候与双层土壤（沙土/饱和沙土）条件，采用计算流体动力学（CFD）与多目标优化方法，系统评估了螺旋间距（P_h）对系统热力学性能（TP）和流体阻力（PD）的影响。

研究方法与模型验证

研究通过ANSYS Fluent构建三维瞬态模型，采用k-ε湍流模型模拟空气流动，并验证了热力学与流体动力学模型的准确性。热力学模型与实验数据的年均误差为1.2%（MAPE），流体模型与经典关联式（White、Mishra-Gupta）的压降偏差小于15%。研究设置四组螺旋间距（100/200/300/400 mm），保持入口流速3.3 m/s，分析全年动态性能。

热力学性能分析

• 冷却模式：P_h=100 mm时表现最优，在最热10天实现平均降温4.93°C，出口温度21.05°C，较P_h=400 mm提升19%。全年冷却潜力集中于1-4月及11-12月，最大月均TP达-4.03°C（2月）。

• 加热模式：P_h=100 mm在极寒日升温5.15°C，但出口温度仅16.2°C，需辅助热源。与粘土层安装的EAHE对比，沙土环境加热效能提升9倍（年均TP 2.76°C vs 0.28°C）。

流体动力学特性

螺旋间距增大显著降低压降：P_h=400 mm的PD比100 mm减少65.33%，对应管道总长缩短69%（12.4 m vs 41.19 m）。验证实验显示，雷诺数Re_d=10,696时，PD与经典螺旋管关联式误差<14%。

多目标优化与对比

TOPSIS方法权衡TP与PD，发现：

• 热力学优先（权重0.95）时，P_h=100 mm最优；

• 平衡权重（0.5:0.5）下，P_h=300 mm综合性能最佳，TP仅降低5.38%而PD减少18.67%；

• 传统指标COP偏向高P_h（节能），而EPI倾向低P_h（高热效），突显TOPSIS的灵活性。

应用价值与创新

EAHE-VH在沙土环境展现独特优势：

1. 占地较水平式减少79%，适合城市密集区；

2. 双层土壤结构增强热惯性，冷却效能优于粘土；

3. 300 mm螺旋间距实现能耗与热效的最佳平衡，为沿海地区提供定制化解决方案。

未来方向

建议探索螺旋管径与深度协同优化，并扩展TOPSIS至其他几何构型（如U型、蛇形管）的多目标评估，进一步降低安装成本与能耗。