地埋管地源热泵的技
术集成
地埋管地源热泵的技术集成
地埋管地源热泵空调系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质作为热载体在埋设于大地中的封闭环路中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。地源热泵可克服空气源热泵冬季天气越冷供热量越小的技术障碍，且效率大大提高。地源热泵空调系统与传统空调系统相比具有节能、运行费用低的优点，是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。
近年来我国对地源热泵技术的研究与应用已成为建筑空调领域的一个热点，而且已相继建设了一批地埋管地源热泵的工程。在消化吸收国外先进技术的基础上，中国的研究人员和工程技术人员近年来在地源热泵的研究和应用方面都进行了不懈的努力。其中，山东建筑大学地源热泵研究所在消化吸收国外先进技术的基础上，坚持基础理论的研究创新和工程技术的开发应用并举的方针，在地源热泵领域不断探索，得到了国内外同行的认可[1，2]。山东建筑大学完成的山东省重点科技攻关项目“地热综合利用关键技术”在地源热泵空调技术的理论基础、应用技术和工程应用三个方面都取得重要成果；于2001年在山东建筑大学建成我国最早的地埋管地源热泵示范工程之一，并投入实际使用，此后又进一步承担了多个地源热泵工程的设计施工任务，为在我国推广应用这一新技术积累了宝贵的经验。2004年该成果获山东省科技进步二等奖。近年来，山东建筑大学地源热泵研究所和山东方亚地源热泵空调技术有限公司、山东中瑞新能源技术有限公司一起致力于推广地源热泵供热空调技术，
在省内外建成了一批公共建筑、住宅和工业建筑的地源热泵示范工程，包括济南市西区建设工程指挥部办公楼（2005）、
北京山水文园小区（2007）、瑞典SKF公司济南厂区（2011）、山东济宁医学院校区（2011）等，取得了突出的节能和环保效果。
本文小结了山东建筑大学地源热泵研究所在地埋管地源热泵技术研发方面的主要成果。
1. 地热换热器传热理论
地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。由于地下传热的复杂性，地热换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础。
地热换热器设计的基本目标是要保证在系统整个运行期内，循环液的温度保持在限定的范围内，以保证系统的性能达到设计要求。对于地热换热器，其整个传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程，所涉及的时间尺度很长，空间区域很大。因此在工程实际应用的模型中通常都以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部两部分，采用不同的简化假定分别进行分析。现有的设计手册和教科书中只能推荐以一维的线热源或圆柱模型为基础的半经验公式。在我们近年来的研究中，在前人研究成果的基础上，在地埋管换热器的传热理论方面较欧洲和美国的模型有重要的创新，在地埋管换热器的传热分析中提出了基于系列解析解和叠加原理的方法，在国际上首次求得了多个关于地埋管换热器传热问题的重要解析解：半无限大介质中竖直和倾斜的有限长线热源非稳态导热的解析解[3-5]；提出了钻孔内传热的准三维
模型[6，7]，对单U型管和双U型管换热器中流体温度分布和相应的热阻求得了解析解；有地下水均匀渗流时线
热源引起的非稳态温度场的解析解[8，9]。这些传热理论为地源热泵空调技术的推广应用提供了条件。由于取消有关的简化假设，提高了模型的精度；而且这些显式的函数关系式可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算，使计算工作量大大减少。
2. 地热换热器设计模拟软件“地热之星”
在以上研究的基础上开创性地形成了国内首个地埋管换热器设计软件“地热之星GeoStar”。地热换热器传热分析的基础是单个钻孔的传热分析，对于多个钻孔的情况可在单个钻孔分析的基础上采用叠加原理进行分析处理。由于热泵的负荷通常是随时间而变化的，因此地热换热器的放热（吸热）也是随时间变化的。这样的随时间变化的热流可以用一系列连续的矩形脉冲热流来近似。这样，我们就可以计算在任意变化的负荷作用下，任意配置的地热换热器在长达20年或更长的时间里的温度变化以及传热性能[10]。
最新版本的地热之星包括四部分核心模块：地埋管换热器的传热模型、热泵模型、建筑负荷计算模型与太阳能集热器模型，可以分别对地埋管地源热泵系统和太阳能-地源热泵复合系统的地埋管换热器进行设计计算与性能模拟。“地热之星”设计及模拟计算软件的一个功能是模拟计算，允许用户对已存在的地源热泵地热换热器系统进行模拟，模拟结果有循环液进入热泵的月平均温度，循环液进出热泵（或地热换热器）的极值温度，热泵每月消耗的功及单位长度的钻孔平均每月从地下吸取的
热量（或每月向地下释放的热量）。其另一个功能是设计计算，该软件可以根据用户给定的温度（即，循环液进入热泵的最高温度和最低温度）设计地热换热器的尺寸，也就是钻孔的总长度。该软件以可视化图形界面和
对话框的形式面向用户，使用户使用起来简单明了。2009年“地热之星（GeoStar）”软件参加了由国际地源热泵协会组织的国际地源热泵设计模拟软件的对比测试[11]，取得了满意的结果。
3. 现场测试深层岩土热物性参数的方法及仪器[12, 13]
深层地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数。通过现场试验确定地下岩土的平均导热系数是国际上通行的做法。这种试验也被称作地热换热器的“热响应试验”。在1995年首先在瑞典和美国几乎同时把该技术应用于工程实际。具体做法是在将要埋设地热换热器的现场钻孔，在钻孔中埋设埋U型管并按设计要求回填；在回路中充满水并与测量装置联结，在地下温度场基本恢复后对循环回路以恒定的功率加热（或冷却），让水在回路中循环流动，并测量回路中水的温度随时间的变化。确定地下岩土的导热系数需要求解传热反问题，通常采用的数学模型是线热源模，或数值分析模型。根据测得的数据，可以采用参数估计方法计算得到钻孔周围岩土的平均热物性参数。现在世界各国大体上都采用这一方法做热响应试验，，国际地源热泵协会（IGSHPA）的标准[14] 和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）手册[15]都推荐这一方法。国际能源机构（IEA）起草的关于热响应试验的指导文件中同样采用恒热流方法[16]。我国最早的有关地源热泵系统现场热物性测试
