一、引言
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。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，同时也实施了数百万平方米建筑的地源热泵工程。本文小
结了我们在技术研发方面的主要成果。
二、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；提出了钻孔内传热的准三维模型，
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。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。
三、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。
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，取得了满
意的结果。
四、现场测试深层岩土热物性参数的方法
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。我国
最早的有关地源热泵系统现场热物性测试的报道是2000年山东建
筑工程学院的项目。我国2005年颁布的《地源热泵工程技术规范
GB50366-2005》要求对工程场地岩土体地质条件的勘察应包括
岩土体的热物性；2009你的修订版对热响应试验做了进一步的规
定。近年来热响应试验已在我国地源热泵应用项目中广泛采用，
但一些理论和实际操作问题仍有待进一步研究和规范。
五、钻孔高性能回填材料的及施工设备
回填材料介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来
增强埋管和周围岩土的换热，同时防止地面水通过钻孔向地下
渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染。回填材料的选择
以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意
义。随着地源热泵技术的推广应用，人们越来越关注改善和优
化回填材料的性能。改善地埋管换热器钻孔回填材料的性能对
于提高地源热泵系统的性能、减少初投资和运行费用具有重大
意义。我们对回填材料的导热系数及其稳定性、工作性、保水
性、抗渗透性、强度、热压变形、耐久性、经济性等各个方面
进行了广泛的实验室研究。回填料试样导热系数的测定采用
Hot Disk热常数分析仪精密测定，从上百个实验配比中优选出
三种推荐配比，它们具有较好的流动性、传热性、膨胀性及
耐久性等，导热系数可分别达2.18-2.34 W/m.K，达到了美国
Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平，并且取
得了我国的发明专利。
实现高质量的回填施工不仅要有高性能的回填材料，也要
求高性能的施工机械。由于地埋管地源热泵技术在我国的推广
应用还刚刚开始，国内还缺乏地埋管钻孔回填的专用设备，这
已经成为提高钻孔回填质量的主要障碍。在取得高性能的专业
回填料的基础上，为研究钻孔回灌的工艺，我们也引进了具有
国际领先水平的美国的地源热泵专用砂浆回填设备，进行消化
吸收，迅速缩小我国地源热泵系统施工技术与国外先进水平的
差距。
六、地源热泵复合系统的研究
地源热泵系统通过竖直埋管地热换热器向土壤释放热量
或从土壤中吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。在很
多情况下地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。在这种情
况下，地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷
量）就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化，进而影响
地埋管换热器的性能。要使地热换热器的吸热和放热基本平
衡，切实可行的方法就是在原系统中增加辅助散热设备或辅助
加热设备。这种具有辅助散热设备或辅助加热设备的地源热泵
系统就是地源热泵复合系统。冷负荷占优地区的地源热泵复合
系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助散热装置构成。常用
的辅助散热装置有冷却塔和地表水系统。热负荷占优地区的地
源热泵复合系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助加热装置
构成。常用的辅助加热装置为锅炉。除了承担建筑物的热负荷
和冷负荷，地源热泵复合系统还可用于供应热水。在冷负荷占
优的地区采用空调加全年供应生活热水的复合系统是解决地热
换热器全年负荷不平衡问题的有效而经济的途径。采用地源热
泵复合系统减小了地热换热器的埋管长度，降低了系统的初投
资并通过补偿钻孔负荷的年不平衡改善了系统性能。此外，地
源热泵复合系统还可用在因地质条件和地面面积限制没有足够
的空间安装能满足建筑物冷热负荷的地热换热器的场合。
我们对地源热泵复合系统的设计和优化运行进行了深入的
研究，采用系统全年逐时模拟的计算机模拟技术，探讨了不同
建筑类型和不同气候条件下的地源热泵复合系统的合理设计和
运行优化控制策略。同时还针对北方热负荷占优的地源热泵系
统申请了一项国家发明专利“地源热泵空调/制冷复合系统”。
我们对采用太阳能或工业余热的季节性蓄热方式的地源热泵复
合系统也进行了研究和初步的应用。
七、桩基埋管地源热泵系统
为提高天然地基的承载能力或加固软弱地基，以满足建筑
物上部荷载的要求，确保建筑物的工程质量，桩基的使用已日
益普及。如果在建筑物建造时，直接将地源热泵系统的埋管换
热器置于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，成为
桩埋管地热换热器。这样可以省却钻孔工序，节约施工费用，
更能有效的利用建筑物的地下面积，不占用地面。因此把竖直
埋管与建筑桩基础结合的桩埋管地热换热器已成为应用地源热
泵技术的一个新热点。但是此前在国际上还没有见到关于桩埋
管换热器传热模型的成熟的研究成果。针对目前已经采用的U型
或W型桩埋管地热换热器的不足，我们首先提出了桩埋螺旋管
地热换热器；然后借鉴竖直埋管地热换热器传热分析的已有成
果，并针对它们应用于桩基地热换热器时的缺点提出适合桩基
螺旋埋管换热器的新的传热模型及其解析解。这些重要的理论
成果已经受到国际学术界的广泛关注。
桩基埋管地源热泵系统的工程应用不仅与传热问题有关，
也涉及复杂的土力学和结构力学问题，属于国际学术界关注的
学科交叉的最新前沿科学。我们对这一问题也在重点研究中。
八、结语
地源热泵技术具有节约能源、保护环境的优势，地埋管地
源热泵是建筑空调冷热源的合理可行的方案之一。它的市场竞
争力主要取决于系统研发的深度与广度、设计与施工质量、产
业化程度以及系统造价。不同地区、不同地质条件、不同能源
结构及价格决定着该系统初投资的高低及其经济性。该技术在
推广应用过程中还有一些问题需要解决，设计、施工和运行都
需要进一步规范。但同时也必须看到，我国具有应用地源热泵
技术的广阔市场与条件。近年来，地埋管地源热泵技术正在得
到政府的大力支持，已经在国内越来越多的地方开始得到推广
应用，因此地源热泵技术的应用前景十分广阔。
