在現在科技日新月異的時代中，能源的使用是日益增長，舉凡綠建築、智慧電網等都需要使用到電力。本研究將著重於鑽井式U形管土壤熱交換器之排熱性能分析，嘗試改變水管之外型與材質並找出能提高土壤熱交換器效率的方式。吾人利用商用套裝軟體ANSYS Fluent建立幾何外型和網格劃分，並且利用Fluent求解器進行模擬計算，最後再將結果匯入Tecplot進行分析及討論。吾人維持U形管的截面積進行分形結構，並且改變管壁材質尋求更佳的散熱效果。模擬結果分析顯示，無論是PVC材質或是碳鋼材質，皆是分形後的星形管的出口溫度最低，而當中碳鋼材質所增加的熱傳效率亦是星形管增加最多，但是使用碳鋼材質的圓管，出口溫度已經低於使用PVC材質的星形管，因此若要使管內溫度下降，除了參考文獻所提到的採用不同的回填土材質，亦可從管壁材質上進行改變。

In the generation of ever-changing technology, the use of energy is increasing. Green buildings, smart grids, etc. are all required to use electricity. This study will focus on the analysis of the thermal performance of drilling U-tube soil heat exchangers and try to change the shapes and material of the pipes, then find out ways to increase the efficiency of the soil heat exchanger. The project will use the commercial software ANSYS Fluent to create geometric shapes and meshes, and use the Fluent solver to perform simulation calculations. Finally, the results will be imported into Tecplot for analysis and discussion. We maintain the cross-sectional area of the U-tube for fractal structures and change the material of the tube wall for better heat dissipation. According to the analysis of the simulation results, fractal star pipes have the lowest outlet temperatures in both the PVC material and the carbon steel material. And the star tube increasing the most heat transfer efficiency from the carbon steel material. The round pipe which use the carbon steel pipe, which the outlet temperature has been lower than the star tube using PVC material. So we can change the tube’s material to reduce the temperature in the tube except to the reference mentioned in the use of different backfill material.

目錄
目錄	III
圖目錄	VI
表目錄	VIII
第一章 緒論	1
1-1前言	1
1-2淺層溫能簡介	2
1-2-1 地源熱泵(Ground Source Heat Pump)	3
1-2-2地下熱能儲存(Underground Thermal Energy Storage)	7
1-3文獻回顧	9
1-4分形結構	12
1-5研究動機	13
第二章 數學及驗證模型	15
2-1驗證模型	15
2-2基本假設和統御方程式	15
2-2-1基本假設	15
2-2-2統御方程式	16
2-3初始條件與邊界條件	18
2-4土壤溫度推估式	18
2-5流體與管壁之熱傳	20
2-6熱阻計算式	21
第三章 數值模擬與數值計算	23
3-1數值分析簡介	23
3-2有限體積法(Finite Volume Method)	24
3-3數值方法	25
3-4數值模擬設定	28
3-5數值模擬流程	28
第四章　結果與討論	31
4-1 數值驗證	31
4-2 網格獨立性測試	32
4-3 結果分析	35
4-3-1 PVC管	35
4-3-2碳鋼管	42
第五章 總結與未來展望	48
5-1 總結	48
5-2 未來展望	51
參考文獻	52
附錄A	53

 
圖目錄
圖1-1 土壤溫度變化圖	2
圖 1-2 地源熱泵的基本原理	3
圖 1-3 開放式系統	4
圖 1-4 水平地面熱交換器	5
圖 1-5 能量井模擬圖	6
圖 1-6 地下熱能儲存示意圖	7
圖 1-7 路面除霜示意圖	8
圖 1-8 柏林ATES系統示意圖	9
圖 1-9 Von Koch’s curve	12
圖 3-1 二維有限體積法控制體積示意圖	24
圖 3-2 SIMPLE計算流程圖	27
圖 3-3 數值模擬流程圖	30
圖 4-1 驗證模型比較圖	32
圖 4-2 鑽井U管簡化模型	33
圖 4-3 網格獨立性上視圖	34
圖 4-4  網格獨立性側視圖	34
圖 4-5 圓管之溫度分布圖	36
圖 4-6 圓管之進口溫度分布	36
圖 4-7 圓管之出口溫度分布	37
圖 4-8 三角管之溫度分布圖	38
圖 4-9 三角管之進口溫度分布圖	38
圖 4-10 三角管之出口溫度分布圖	39
圖 4-11 星形管之溫度分布圖	40
圖 4-12 星形管之出口溫度分布圖	40
圖 4-13 星形管之出口溫度分布圖	41
圖 4-14 PVC管比較圖	42
圖 4-15 碳鋼圓管之溫度分布圖	43
圖 4-16 碳鋼圓管之進口溫度分布圖	43
圖 4-17 碳鋼圓管之出口溫度分布圖	44
圖 4-18 碳鋼三角管之溫度分布圖	44
圖4-19碳鋼三角管進口之溫度分布	45
圖 4-20 碳鋼三角管出口之溫度分布	45
圖 4-21 碳鋼星形管之溫度分布圖	46
圖 4-22 碳鋼星形管之入口溫度分布圖	46
圖 4-23 碳鋼星形管之出口溫度分布圖	47
圖 4-24 碳鋼管溫度比較圖	47

表目錄
表 2-1 驗證模型	15
表 4-1 驗證論文比較	31
表 5-1 PVC管溫度	49
表 5-2 碳鋼管溫度	50

[1]John W. Mitchell and Glen E. Myers (1968) An analytical model of the countercurrent heat exchange phenomena, Journal Biophysics Vol. 8, Issue 8, p. 897－911.
[2]Morino K, Oka T, Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile[J]. Energy and Buildings, 1994, 21(1): 65－78.
[3]張至中、郭軒志、陳希立(2010)，垂直埋設式U型管淺層土壤溫能熱交換器之熱傳增強研究，台灣礦業，第62卷，第1期:14－22.
[4]杨卫波，杨晶晶，孔 磊(2016)，桩基螺旋型地埋管换热器换热性能的数值模拟与验证，农业工程学报，第32卷，第5期:200－205.
[5]Qiang Zhao, Baoming Chen, Fang Liu(2016), Study on the thermal performance of several types of energy pile ground heat exchangers: U-shaped, W-shaped and spiral-shaped, Energy and Buildings Vol. 133, p.335－344.  
[6]F.C.G.A Nicolleau(2016), Fractal Orifices in pipe. In: Sakai Y., Vassilicos C. (eds) Fractal Flow Design: How to Design Bespoke Turbulence and Why. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), vol 568. Springer, Cham. 
[7]劉猛(2005) 某住宅地源熱泵系統夏季運行測試研究。暖通空調 HV&AC，Vol.36