一、引言
地埋管地源熱泵空調系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），
通過中間介質作為熱載體在埋設于大地中的封閉環(huán)路中循環(huán)流
動，從而實現(xiàn)與大地進行熱量交換的目的，并進而通過熱泵實
現(xiàn)對建筑物的空調。地源熱泵可克服空氣源熱泵冬季天氣越冷
供熱量越小的技術障礙，且效率大大提高。地源熱泵空調系統(tǒng)
與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)相比具有節(jié)能、運行費用低的優(yōu)點，是實現(xiàn)可
持續(xù)發(fā)展的綠色建筑的有效技術之一。
近年來我國對地源熱泵技術的研究與應用已成為建筑空
調領域的一個熱點，而且已相繼建設了一批地埋管地源熱泵的
工程。山東建筑大學地源熱泵研究所在消化吸收國外先進技術
的基礎上，堅持基礎理論的研究創(chuàng)新和工程技術的開發(fā)應用并
舉的方針，在地源熱泵領域不斷探索，得到了國內外同行的認
可，同時也實施了數(shù)百萬平方米建筑的地源熱泵工程。本文小
結了我們在技術研發(fā)方面的主要成果。

二、地熱換熱器傳熱理論
地熱換熱器設計是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經濟性和
運行的可靠性。由于地下傳熱的復雜性，地熱換熱器傳熱模型
的研究一直是地源熱泵空調系統(tǒng)的技術難點和應用基礎。
地熱換熱器設計的基本目標是要保證在系統(tǒng)整個運行期
內，循環(huán)液的溫度保持在限定的范圍內，以保證系統(tǒng)的性能達
到設計要求。對于地熱換熱器，其整個傳熱過程是一個復雜
的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，所涉及的時間尺度很長，空間區(qū)域很
大。因此在工程實際應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部兩部
分，采用不同的簡化假定分別進行分析。現(xiàn)有的設計手冊和教
科書中只能推薦以一維的線熱源或圓柱模型為基礎的半經驗公
式。在我們近年來的研究中，在前人研究成果的基礎上，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關于地埋管換熱器傳
熱問題的重要解析解：半無限大介質中豎直和傾斜的有限長線
熱源非穩(wěn)態(tài)導熱的解析解；提出了鉆孔內傳熱的準三維模型，
對單U型管和雙U型管換熱器中流體溫度分布和相應的熱阻求得
了解析解；有地下水均勻滲流時線熱源引起的非穩(wěn)態(tài)溫度場的
解析解。這些傳熱理論為地源熱泵空調技術的推廣應用提供了
條件。由于取消有關的簡化假設，提高了模型的精度；而且這
些顯式的函數(shù)關系式可以直接應用于地熱換熱器設計和模擬計
算，使計算工作量大大減少。

三、地熱換熱器設計模擬軟件“地熱之星”
在以上研究的基礎上開創(chuàng)性地形成了國內首個地埋管換熱
器設計軟件“地熱之星GeoStar”。地熱換熱器傳熱分析的基
礎是單個鉆孔的傳熱分析，對于多個鉆孔的情況可在單個鉆孔
分析的基礎上采用疊加原理進行分析處理。由于熱泵的負荷通
常是隨時間而變化的，因此地熱換熱器的放熱（吸熱）也是隨
時間變化的。這樣的隨時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，我們就可以計算在任意變化的負荷作用
下，任意配置的地熱換熱器在長達20年或更長的時間里的溫度變
化以及傳熱性能。
最新版本的地熱之星包括四部分核心模塊：地埋管換熱器的
傳熱模型、熱泵模型、建筑負荷計算模型與太陽能集熱器模型，
可以分別對地埋管地源熱泵系統(tǒng)和太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)的
地埋管換熱器進行設計計算與性能模擬。“地熱之星”設計及模
擬計算軟件的一個功能是模擬計算，允許用戶對已存在的地源熱
泵地熱換熱器系統(tǒng)進行模擬，模擬結果有循環(huán)液進入熱泵的月平
均溫度，循環(huán)液進出熱泵（或地熱換熱器）的極值溫度，熱泵每
月消耗的功及單位長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）。其另一個功能是設計計算，該軟件可以
根據(jù)用戶給定的溫度（即，循環(huán)液進入熱泵的最高溫度和最低溫
度）設計地熱換熱器的尺寸，也就是鉆孔的總長度。該軟件以可
視化圖形界面和對話框的形式面向用戶，使用戶使用起來簡單明
了。2009年“地熱之星（GeoStar）”軟件參加了由國際地源熱
泵協(xié)會組織的國際地源熱泵設計模擬軟件的對比測試，取得了滿
意的結果。

四、現(xiàn)場測試深層巖土熱物性參數(shù)的方法
深層地下巖土導熱系數(shù)是設計地源熱泵系統(tǒng)地熱換熱器的重
要參數(shù)。通過現(xiàn)場試驗確定地下巖土的平均導熱系數(shù)是國際上通
行的做法。這種試驗也被稱作地熱換熱器的“熱響應試驗”。在
1995年首先在瑞典和美國幾乎同時把該技術應用于工程實際。
具體做法是在將要埋設地熱換熱器的現(xiàn)場鉆孔，在鉆孔中埋設埋
U型管并按設計要求回填；在回路中充滿水并與測量裝置聯(lián)結，
在地下溫度場基本恢復后對循環(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，并測量回路中水的溫度隨時間的
變化。確定地下巖土的導熱系數(shù)需要求解傳熱反問題，通常采用
的數(shù)學模型是線熱源模，或數(shù)值分析模型。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，可
以采用參數(shù)估計方法計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試驗，，國際地源
熱泵協(xié)會（IGSHPA）的標準[14] 和美國采暖制冷與空調工程師
學會（ASHRAE）手冊都推薦這一方法。國際能源機構（IEA）
起草的關于熱響應試驗的指導文件中同樣采用恒熱流方法。我國
最早的有關地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場熱物性測試的報道是2000年山東建
筑工程學院的項目。我國2005年頒布的《地源熱泵工程技術規(guī)范
GB50366-2005》要求對工程場地巖土體地質條件的勘察應包括
巖土體的熱物性；2009你的修訂版對熱響應試驗做了進一步的規(guī)
定。近年來熱響應試驗已在我國地源熱泵應用項目中廣泛采用，
但一些理論和實際操作問題仍有待進一步研究和規(guī)范。

五、鉆孔高性能回填材料的及施工設備
回填材料介于地埋管換熱器的埋管與鉆孔壁之間，用來
增強埋管和周圍巖土的換熱，同時防止地面水通過鉆孔向地下
滲透，以保護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。隨著地源熱泵技術的推廣應用，人們越來越關注改善和優(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
于提高地源熱泵系統(tǒng)的性能、減少初投資和運行費用具有重大
意義。我們對回填材料的導熱系數(shù)及其穩(wěn)定性、工作性、保水
性、抗?jié)B透性、強度、熱壓變形、耐久性、經濟性等各個方面
進行了廣泛的實驗室研究。回填料試樣導熱系數(shù)的測定采用
Hot Disk熱常數(shù)分析儀精密測定，從上百個實驗配比中優(yōu)選出
三種推薦配比，它們具有較好的流動性、傳熱性、膨脹性及
耐久性等，導熱系數(shù)可分別達2.18-2.34 W/m.K，達到了美國
Brookhaven國家實驗室報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。
實現(xiàn)高質量的回填施工不僅要有高性能的回填材料，也要
求高性能的施工機械。由于地埋管地源熱泵技術在我國的推廣
應用還剛剛開始，國內還缺乏地埋管鉆孔回填的專用設備，這
已經成為提高鉆孔回填質量的主要障礙。在取得高性能的專業(yè)
回填料的基礎上，為研究鉆孔回灌的工藝，我們也引進了具有
國際領先水平的美國的地源熱泵專用砂漿回填設備，進行消化
吸收，迅速縮小我國地源熱泵系統(tǒng)施工技術與國外先進水平的
差距。

六、地源熱泵復合系統(tǒng)的研究
地源熱泵系統(tǒng)通過豎直埋管地熱換熱器向土壤釋放熱量
或從土壤中吸收熱量，通過熱泵實現(xiàn)對建筑物供冷供熱。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）就會在地下積累，引起地下年平均溫度的變化，進而影響
地埋管換熱器的性能。要使地熱換熱器的吸熱和放熱基本平
衡，切實可行的方法就是在原系統(tǒng)中增加輔助散熱設備或輔助
加熱設備。這種具有輔助散熱設備或輔助加熱設備的地源熱泵
系統(tǒng)就是地源熱泵復合系統(tǒng)。冷負荷占優(yōu)地區(qū)的地源熱泵復合
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成。常用
的輔助散熱裝置有冷卻塔和地表水系統(tǒng)。熱負荷占優(yōu)地區(qū)的地
源熱泵復合系統(tǒng)是在普通的地源熱泵系統(tǒng)中加入輔助加熱裝置
構成。常用的輔助加熱裝置為鍋爐。除了承擔建筑物的熱負荷
和冷負荷，地源熱泵復合系統(tǒng)還可用于供應熱水。在冷負荷占
優(yōu)的地區(qū)采用空調加全年供應生活熱水的復合系統(tǒng)是解決地熱
換熱器全年負荷不平衡問題的有效而經濟的途徑。采用地源熱
泵復合系統(tǒng)減小了地熱換熱器的埋管長度，降低了系統(tǒng)的初投
資并通過補償鉆孔負荷的年不平衡改善了系統(tǒng)性能。此外，地
源熱泵復合系統(tǒng)還可用在因地質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荷的地熱換熱器的場合。
我們對地源熱泵復合系統(tǒng)的設計和優(yōu)化運行進行了深入的
研究，采用系統(tǒng)全年逐時模擬的計算機模擬技術，探討了不同
建筑類型和不同氣候條件下的地源熱泵復合系統(tǒng)的合理設計和
運行優(yōu)化控制策略。同時還針對北方熱負荷占優(yōu)的地源熱泵系
統(tǒng)申請了一項國家發(fā)明專利“地源熱泵空調/制冷復合系統(tǒng)”。
我們對采用太陽能或工業(yè)余熱的季節(jié)性蓄熱方式的地源熱泵復
合系統(tǒng)也進行了研究和初步的應用。

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量，樁基的使用已日
益普及。如果在建筑物建造時，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，使其與建筑結構相結合，成為
樁埋管地熱換熱器。這樣可以省卻鉆孔工序，節(jié)約施工費用，
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
埋管與建筑樁基礎結合的樁埋管地熱換熱器已成為應用地源熱
泵技術的一個新熱點。但是此前在國際上還沒有見到關于樁埋
管換熱器傳熱模型的成熟的研究成果。針對目前已經采用的U型
或W型樁埋管地熱換熱器的不足，我們首先提出了樁埋螺旋管
地熱換熱器；然后借鑒豎直埋管地熱換熱器傳熱分析的已有成
果，并針對它們應用于樁基地熱換熱器時的缺點提出適合樁基
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
成果已經受到國際學術界的廣泛關注。
樁基埋管地源熱泵系統(tǒng)的工程應用不僅與傳熱問題有關，
也涉及復雜的土力學和結構力學問題，屬于國際學術界關注的
學科交叉的最新前沿科學。我們對這一問題也在重點研究中。

八、結語
地源熱泵技術具有節(jié)約能源、保護環(huán)境的優(yōu)勢，地埋管地
源熱泵是建筑空調冷熱源的合理可行的方案之一。它的市場競
爭力主要取決于系統(tǒng)研發(fā)的深度與廣度、設計與施工質量、產
業(yè)化程度以及系統(tǒng)造價。不同地區(qū)、不同地質條件、不同能源
結構及價格決定著該系統(tǒng)初投資的高低及其經濟性。該技術在
推廣應用過程中還有一些問題需要解決，設計、施工和運行都
需要進一步規(guī)范。但同時也必須看到，我國具有應用地源熱泵
技術的廣闊市場與條件。近年來，地埋管地源熱泵技術正在得
到政府的大力支持，已經在國內越來越多的地方開始得到推廣
應用，因此地源熱泵技術的應用前景十分廣闊。