《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Comprehensive assessment of a geothermal heat pump cooling for thermal management of high-power laser systems
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•提出了一种地热热泵用于高功率激光器的热管理。•进行了全面的能量、?、环境和经济分析。•实现了3.984的性能系数，且不可逆性较低。•增加冷却液流量可将径向温度梯度降低最多58.38%。•与传统冷却系统相比，年节省成本为378美元。引言高功率工业系统的热管理仍然是主要的工程挑
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提出了一种地热热泵用于高功率激光器的热管理。
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进行了全面的能量、?、环境和经济分析。
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实现了3.984的性能系数，且不可逆性较低。
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增加冷却液流量可将径向温度梯度降低最多58.38%。
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与传统冷却系统相比，年节省成本为378美元。
引言
高功率工业系统的热管理仍然是主要的工程挑战，尤其是涉及集中热量产生的应用，如激光器、功率电子器件、反应堆和先进制造设备[1]。此类系统的传统冷却方案通常依赖于机械冷水机或冷却塔，这些方案能耗大、对环境条件敏感，且运行和维护成本高[2]。随着各行业向更可持续和更节能的解决方案迈进[3]，将可再生能源冷却技术融入工业热管理变得越来越重要。
在可再生能源冷却技术中，地热热泵（GHPs）具有独特优势，因为地下温度全年几乎恒定，提供了热稳定且能效高的热阱，不受室外温度波动的影响[4]。地热热泵广泛应用于建筑供暖和制冷领域[5]、[6]，其高性能系数（COP）、降低的能耗和环境效益已被充分证实[7]、[8]、[9]、[10]。先前的研究已表明地热热泵具有优异的?性能，报告的性能系数超过4.5，?分析表明能量损失极小且能量利用效率高[11]。研究还强调了地面?特性在增强系统竞争力和低地温地区地热热泵技术经济可行性方面的重要性，尤其是对于回收周期短的温室供暖应用[12]、[13]。虽然地热热泵系统在建筑供暖和制冷领域已得到广泛应用，但其在工业高功率系统中的应用在很大程度上仍未被探索。高功率激光系统依赖由增益介质（如Nd:YAG、Yb:YAG或Nd:Glas）制成的固体激光器棒[14]、[15]，由于内部强烈的热量产生，可能降低光学和结构性能，因此面临重大的热管理挑战[16]、[17]、[18]。先前的研究已经解决了高功率激光系统中的温度分布问题[19]、[20]、[21]、[22]。激光器棒可以通过对流或导热边界条件进行冷却。对流冷却，特别是在光纤边界处，已广泛应用于长纤维激光器[23]和短纤维激光器[24]。导热冷却可通过与导热材料的直接接触来实现，将产生的热量传递到外部散热片[25]。尽管这些冷却方法可以有效地散发产生的热量，但它们通常依赖传统的冷却循环，在持续高功率运行下仍可能面临高温应力、热透镜效应和较高能耗的问题。
了解激光介质内部的温度分布对于减轻热损伤和维护光束质量至关重要[26]、[27]。由于端面泵浦导致的不均匀热量产生，数值建模通常被用来求解激光介质中复杂的共轭传热问题[28]、[29]。传统激光器棒的冷却策略依赖传统冷水系统，消耗大量电力和污染物，且性能随环境条件波动[30]。相比之下，地热冷却提供了热稳定且可持续的热阱，这对于高功率激光器尤为有利，因为在高功率激光器中微小的温度变化可能导致热透镜效应和光束退化[31]、[32]。然而，现有研究主要关注固定条件下的局部热建模，对组合运行和几何参数如何影响温度梯度和热点形成的关注度有限，且未将这些效应与可再生能源相关的能效问题联系起来。开发高效节能且环保的热管理技术与全球和国家的可持续发展战略紧密相关，旨在减少能源消耗和温室气体排放[33]、[34]。将基于地热的冷却系统融入高功率工业过程（如激光系统），与传统冷却方法相比可显著降低电力消耗，同时由于地下温度几乎恒定，可提高热稳定性。由于地面温度在全年的某一深度保持相对恒定，地热热泵的表现优于标准空气源热泵，因为它们消耗的电力更少，且能在恶劣天气条件下运行[35]。因此，将GHP技术应用于激光热管理不仅有助于提高系统性能，还通过减少污染物排放和促进环保能源使用支持更广泛的可持续发展目标。
这一空白促使我们研究将地热冷却作为高功率固体激光器棒热控制的可替代方案。本研究对基于GHP的工业激光器棒冷却进行了全面评估，从多个角度评价该可持续技术的性能，并将其与传统冷却方法进行比较。在现实的不均匀热量产生条件下，进行了能量、?、经济和环保（4E）分析，以研究所提出的冷却方法的可行性。据作者所知，这是首次研究将地热能可再生能源冷却与工业高功率激光系统相结合的研究。进行了能量-?分析以探索地热热泵在冷却方面的潜力，并确定总体评估所需的性能系数。建立了详细的计算流体动力学（CFD）模型并与能量-?分析相结合，以研究激光器棒的热特性及影响该设备机械和光学特性的温度梯度。建立了努塞尔数与冷却液质量流量之间的关系，并通过参数化研究考察了运行和几何参数对最高温度和温度梯度的影响。所提出的冷却技术还从技术经济和环境角度与传统冷却方法进行了比较。结果表明，GHP系统在高热通量应用中替代传统冷水机具有潜力，提供更优的热稳定性和显著的可持续效益。所提出的配置可直接应用于实际安装，并为系统集成、运行和优化提供定量设计指南。
章节摘要
系统描述与尺寸
图1展示了用于冷却目的的地热热泵示意图，其中GHP的工作流体为R134a。该GHP同时用于供暖和制冷。饱和状态的蒸气进入压缩机，其温度和压力升高后以过热蒸气的形式离开压缩机。该过热蒸气随后进入冷凝器，在其中冷却并凝结成为饱和液体。由于饱和液体的温度仍然较高，热量
结果与讨论
本研究从多个角度对所提出的GHP冷却系统进行了全面评估。进行了能量和?分析，以评估GHP的?性能并在实际运行条件下确定其性能系数。然后利用该分析结果从技术经济和环境角度将所提出的冷却方法与传统系统进行比较。此外，建立了一个CFD模型以
结论
本研究对将地热热泵冷却作为高功率激光器棒热管理可持续方案的可行性进行了全面研究和技术经济评估。据作者所知，这是首次将GHP系统与高功率激光热管理相结合并整合能量、?、经济和环保（4E）分析以评估所提出冷却方法性能的研究。该方法能够实现详细的物理
CRediT作者贡献声明
Ahmed Amine Hachicha：初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Mamdouh Assad：审阅与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。MD Shouquat Hossain：审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。
Ahmed Amine Hachicha|Mamdouh Assad|MD Shouquat Hossain
