一、引言
地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），
通過中間介質(zhì)作為熱載體在埋設(shè)于大地中的封閉環(huán)路中循環(huán)流
動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱量交換的目的，并進(jìn)而通過熱泵實(shí)
現(xiàn)對(duì)建筑物的空調(diào)。地源熱泵可克服空氣源熱泵冬季天氣越冷
供熱量越小的技術(shù)障礙，且效率大大提高。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比具有節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)可
持續(xù)發(fā)展的綠色建筑的有效技術(shù)之一。
近年來我國對(duì)地源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為建筑空
調(diào)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，而且已相繼建設(shè)了一批地埋管地源熱泵的
工程。山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)
的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持基礎(chǔ)理論的研究創(chuàng)新和工程技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用并
舉的方針，在地源熱泵領(lǐng)域不斷探索，得到了國內(nèi)外同行的認(rèn)
可，同時(shí)也實(shí)施了數(shù)百萬平方米建筑的地源熱泵工程。本文小
結(jié)了我們?cè)诩夹g(shù)研發(fā)方面的主要成果。

二、地?zé)釗Q熱器傳熱理論
地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和
運(yùn)行的可靠性。由于地下傳熱的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器傳熱模型
的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是要保證在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期
內(nèi)，循環(huán)液的溫度保持在限定的范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)
到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于地?zé)釗Q熱器，其整個(gè)傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜
的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，所涉及的時(shí)間尺度很長(zhǎng)，空間區(qū)域很
大。因此在工程實(shí)際應(yīng)用的模型中通常都以鉆孔壁為界，把所
涉及的空間區(qū)域劃分為鉆孔以外的巖土部分和鉆孔內(nèi)部?jī)刹?br /> 分，采用不同的簡(jiǎn)化假定分別進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)和教
科書中只能推薦以一維的線熱源或圓柱模型為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公
式。在我們近年來的研究中，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，在地
埋管換熱器的傳熱理論方面較歐洲和美國的模型有重要的創(chuàng)
新，在地埋管換熱器的傳熱分析中提出了基于系列解析解和疊
加原理的方法，在國際上首次求得了多個(gè)關(guān)于地埋管換熱器傳
熱問題的重要解析解：半無限大介質(zhì)中豎直和傾斜的有限長(zhǎng)線
熱源非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的解析解；提出了鉆孔內(nèi)傳熱的準(zhǔn)三維模型，
對(duì)單U型管和雙U型管換熱器中流體溫度分布和相應(yīng)的熱阻求得
了解析解；有地下水均勻滲流時(shí)線熱源引起的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的
解析解。這些傳熱理論為地源熱泵空調(diào)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了
條件。由于取消有關(guān)的簡(jiǎn)化假設(shè)，提高了模型的精度；而且這
些顯式的函數(shù)關(guān)系式可以直接應(yīng)用于地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬計(jì)
算，使計(jì)算工作量大大減少。

三、地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)模擬軟件“地?zé)嶂?rdquo;
在以上研究的基礎(chǔ)上開創(chuàng)性地形成了國內(nèi)首個(gè)地埋管換熱
器設(shè)計(jì)軟件“地?zé)嶂荊eoStar”。地?zé)釗Q熱器傳熱分析的基
礎(chǔ)是單個(gè)鉆孔的傳熱分析，對(duì)于多個(gè)鉆孔的情況可在單個(gè)鉆孔
分析的基礎(chǔ)上采用疊加原理進(jìn)行分析處理。由于熱泵的負(fù)荷通
常是隨時(shí)間而變化的，因此地?zé)釗Q熱器的放熱（吸熱）也是隨
時(shí)間變化的。這樣的隨時(shí)間變化的熱流可以用一系列連續(xù)的矩形
脈沖熱流來近似。這樣，我們就可以計(jì)算在任意變化的負(fù)荷作用
下，任意配置的地?zé)釗Q熱器在長(zhǎng)達(dá)20年或更長(zhǎng)的時(shí)間里的溫度變
化以及傳熱性能。
最新版本的地?zé)嶂前ㄋ牟糠趾诵哪K：地埋管換熱器的
傳熱模型、熱泵模型、建筑負(fù)荷計(jì)算模型與太陽能集熱器模型，
可以分別對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)和太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的
地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與性能模擬。“地?zé)嶂?rdquo;設(shè)計(jì)及模
擬計(jì)算軟件的一個(gè)功能是模擬計(jì)算，允許用戶對(duì)已存在的地源熱
泵地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果有循環(huán)液進(jìn)入熱泵的月平
均溫度，循環(huán)液進(jìn)出熱泵（或地?zé)釗Q熱器）的極值溫度，熱泵每
月消耗的功及單位長(zhǎng)度的鉆孔平均每月從地下吸取的熱量（或每
月向地下釋放的熱量）。其另一個(gè)功能是設(shè)計(jì)計(jì)算，該軟件可以
根據(jù)用戶給定的溫度（即，循環(huán)液進(jìn)入熱泵的最高溫度和最低溫
度）設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器的尺寸，也就是鉆孔的總長(zhǎng)度。該軟件以可
視化圖形界面和對(duì)話框的形式面向用戶，使用戶使用起來簡(jiǎn)單明
了。2009年“地?zé)嶂牵℅eoStar）”軟件參加了由國際地源熱
泵協(xié)會(huì)組織的國際地源熱泵設(shè)計(jì)模擬軟件的對(duì)比測(cè)試，取得了滿
意的結(jié)果。

四、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試深層巖土熱物性參數(shù)的方法
深層地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的重
要參數(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定地下巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)是國際上通
行的做法。這種試驗(yàn)也被稱作地?zé)釗Q熱器的“熱響應(yīng)試驗(yàn)”。在
1995年首先在瑞典和美國幾乎同時(shí)把該技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際。
具體做法是在將要埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔，在鉆孔中埋設(shè)埋
U型管并按設(shè)計(jì)要求回填；在回路中充滿水并與測(cè)量裝置聯(lián)結(jié)，
在地下溫度場(chǎng)基本恢復(fù)后對(duì)循環(huán)回路以恒定的功率加熱（或冷
卻），讓水在回路中循環(huán)流動(dòng)，并測(cè)量回路中水的溫度隨時(shí)間的
變化。確定地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)需要求解傳熱反問題，通常采用
的數(shù)學(xué)模型是線熱源模，或數(shù)值分析模型。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可
以采用參數(shù)估計(jì)方法計(jì)算得到鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。
現(xiàn)在世界各國大體上都采用這一方法做熱響應(yīng)試驗(yàn)，，國際地源
熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）的標(biāo)準(zhǔn)[14] 和美國采暖制冷與空調(diào)工程師
學(xué)會(huì)（ASHRAE）手冊(cè)都推薦這一方法。國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）
起草的關(guān)于熱響應(yīng)試驗(yàn)的指導(dǎo)文件中同樣采用恒熱流方法。我國
最早的有關(guān)地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試的報(bào)道是2000年山東建
筑工程學(xué)院的項(xiàng)目。我國2005年頒布的《地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范
GB50366-2005》要求對(duì)工程場(chǎng)地巖土體地質(zhì)條件的勘察應(yīng)包括
巖土體的熱物性；2009你的修訂版對(duì)熱響應(yīng)試驗(yàn)做了進(jìn)一步的規(guī)
定。近年來熱響應(yīng)試驗(yàn)已在我國地源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目中廣泛采用，
但一些理論和實(shí)際操作問題仍有待進(jìn)一步研究和規(guī)范。

五、鉆孔高性能回填材料的及施工設(shè)備
回填材料介于地埋管換熱器的埋管與鉆孔壁之間，用來
增強(qiáng)埋管和周圍巖土的換熱，同時(shí)防止地面水通過鉆孔向地下
滲透，以保護(hù)地下水不受地表污染物的污染。回填材料的選擇
以及正確的回填施工對(duì)于保證地埋管換熱器的性能有重要的意
義。隨著地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用，人們?cè)絹碓疥P(guān)注改善和優(yōu)
化回填材料的性能。改善地埋管換熱器鉆孔回填材料的性能對(duì)
于提高地源熱泵系統(tǒng)的性能、減少初投資和運(yùn)行費(fèi)用具有重大
意義。我們對(duì)回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其穩(wěn)定性、工作性、保水
性、抗?jié)B透性、強(qiáng)度、熱壓變形、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等各個(gè)方面
進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)室研究?；靥盍显嚇訉?dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定采用
Hot Disk熱常數(shù)分析儀精密測(cè)定，從上百個(gè)實(shí)驗(yàn)配比中優(yōu)選出
三種推薦配比，它們具有較好的流動(dòng)性、傳熱性、膨脹性及
耐久性等，導(dǎo)熱系數(shù)可分別達(dá)2.18-2.34 W/m.K，達(dá)到了美國
Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的高性能回填材料的水平，并且取
得了我國的發(fā)明專利。
實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的回填施工不僅要有高性能的回填材料，也要
求高性能的施工機(jī)械。由于地埋管地源熱泵技術(shù)在我國的推廣
應(yīng)用還剛剛開始，國內(nèi)還缺乏地埋管鉆孔回填的專用設(shè)備，這
已經(jīng)成為提高鉆孔回填質(zhì)量的主要障礙。在取得高性能的專業(yè)
回填料的基礎(chǔ)上，為研究鉆孔回灌的工藝，我們也引進(jìn)了具有
國際領(lǐng)先水平的美國的地源熱泵專用砂漿回填設(shè)備，進(jìn)行消化
吸收，迅速縮小我國地源熱泵系統(tǒng)施工技術(shù)與國外先進(jìn)水平的
差距。

六、地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的研究
地源熱泵系統(tǒng)通過豎直埋管地?zé)釗Q熱器向土壤釋放熱量
或從土壤中吸收熱量，通過熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物供冷供熱。在很
多情況下地埋管換熱器全年的冷熱負(fù)荷是不平衡的。在這種情
況下，地埋管換熱器的吸熱和放熱不平衡，多余的熱量（或冷
量）就會(huì)在地下積累，引起地下年平均溫度的變化，進(jìn)而影響
地埋管換熱器的性能。要使地?zé)釗Q熱器的吸熱和放熱基本平
衡，切實(shí)可行的方法就是在原系統(tǒng)中增加輔助散熱設(shè)備或輔助
加熱設(shè)備。這種具有輔助散熱設(shè)備或輔助加熱設(shè)備的地源熱泵
系統(tǒng)就是地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)。冷負(fù)荷占優(yōu)地區(qū)的地源熱泵復(fù)合
系統(tǒng)是在普通的地源熱泵系統(tǒng)中加入輔助散熱裝置構(gòu)成。常用
的輔助散熱裝置有冷卻塔和地表水系統(tǒng)。熱負(fù)荷占優(yōu)地區(qū)的地
源熱泵復(fù)合系統(tǒng)是在普通的地源熱泵系統(tǒng)中加入輔助加熱裝置
構(gòu)成。常用的輔助加熱裝置為鍋爐。除了承擔(dān)建筑物的熱負(fù)荷
和冷負(fù)荷，地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)還可用于供應(yīng)熱水。在冷負(fù)荷占
優(yōu)的地區(qū)采用空調(diào)加全年供應(yīng)生活熱水的復(fù)合系統(tǒng)是解決地?zé)?br /> 換熱器全年負(fù)荷不平衡問題的有效而經(jīng)濟(jì)的途徑。采用地源熱
泵復(fù)合系統(tǒng)減小了地?zé)釗Q熱器的埋管長(zhǎng)度，降低了系統(tǒng)的初投
資并通過補(bǔ)償鉆孔負(fù)荷的年不平衡改善了系統(tǒng)性能。此外，地
源熱泵復(fù)合系統(tǒng)還可用在因地質(zhì)條件和地面面積限制沒有足夠
的空間安裝能滿足建筑物冷熱負(fù)荷的地?zé)釗Q熱器的場(chǎng)合。
我們對(duì)地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了深入的
研究，采用系統(tǒng)全年逐時(shí)模擬的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，探討了不同
建筑類型和不同氣候條件下的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和
運(yùn)行優(yōu)化控制策略。同時(shí)還針對(duì)北方熱負(fù)荷占優(yōu)的地源熱泵系
統(tǒng)申請(qǐng)了一項(xiàng)國家發(fā)明專利“地源熱泵空調(diào)/制冷復(fù)合系統(tǒng)”。
我們對(duì)采用太陽能或工業(yè)余熱的季節(jié)性蓄熱方式的地源熱泵復(fù)
合系統(tǒng)也進(jìn)行了研究和初步的應(yīng)用。

七、樁基埋管地源熱泵系統(tǒng)
為提高天然地基的承載能力或加固軟弱地基，以滿足建筑
物上部荷載的要求，確保建筑物的工程質(zhì)量，樁基的使用已日
益普及。如果在建筑物建造時(shí)，直接將地源熱泵系統(tǒng)的埋管換
熱器置于建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成為
樁埋管地?zé)釗Q熱器。這樣可以省卻鉆孔工序，節(jié)約施工費(fèi)用，
更能有效的利用建筑物的地下面積，不占用地面。因此把豎直
埋管與建筑樁基礎(chǔ)結(jié)合的樁埋管地?zé)釗Q熱器已成為應(yīng)用地源熱
泵技術(shù)的一個(gè)新熱點(diǎn)。但是此前在國際上還沒有見到關(guān)于樁埋
管換熱器傳熱模型的成熟的研究成果。針對(duì)目前已經(jīng)采用的U型
或W型樁埋管地?zé)釗Q熱器的不足，我們首先提出了樁埋螺旋管
地?zé)釗Q熱器；然后借鑒豎直埋管地?zé)釗Q熱器傳熱分析的已有成
果，并針對(duì)它們應(yīng)用于樁基地?zé)釗Q熱器時(shí)的缺點(diǎn)提出適合樁基
螺旋埋管換熱器的新的傳熱模型及其解析解。這些重要的理論
成果已經(jīng)受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
樁基埋管地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用不僅與傳熱問題有關(guān)，
也涉及復(fù)雜的土力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，屬于國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的
學(xué)科交叉的最新前沿科學(xué)。我們對(duì)這一問題也在重點(diǎn)研究中。

八、結(jié)語
地源熱泵技術(shù)具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，地埋管地
源熱泵是建筑空調(diào)冷熱源的合理可行的方案之一。它的市場(chǎng)競(jìng)
爭(zhēng)力主要取決于系統(tǒng)研發(fā)的深度與廣度、設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量、產(chǎn)
業(yè)化程度以及系統(tǒng)造價(jià)。不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同能源
結(jié)構(gòu)及價(jià)格決定著該系統(tǒng)初投資的高低及其經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)在
推廣應(yīng)用過程中還有一些問題需要解決，設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行都
需要進(jìn)一步規(guī)范。但同時(shí)也必須看到，我國具有應(yīng)用地源熱泵
技術(shù)的廣闊市場(chǎng)與條件。近年來，地埋管地源熱泵技術(shù)正在得
到政府的大力支持，已經(jīng)在國內(nèi)越來越多的地方開始得到推廣
應(yīng)用，因此地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。