近年來(lái)隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保相關(guān)政策出臺(tái)，新型能源系統(tǒng)應(yīng)用獲得極大發(fā)展，因其受資源限制因素少，應(yīng)用地域廣，節(jié)能效果顯著等優(yōu)勢(shì)，已在工業(yè)和民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。以地源熱泵系統(tǒng)尤為突出，加之輔助系統(tǒng)的配合使用，使之成為替代傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的重要形式之一。

    地源熱泵系統(tǒng)（GSHP）熱源來(lái)自取之不盡用之不竭的淺層地表土壤。冬季通過(guò)室外地埋側(cè)換熱將大地中的低位熱能提取出來(lái)，利用熱泵將溫度提高，用于建筑供暖，同時(shí)將冷量蓄存于土壤中，以備夏用。夏季通過(guò)室內(nèi)末端將建筑內(nèi)熱量借助熱泵轉(zhuǎn)移至地下，實(shí)現(xiàn)建筑降溫，同時(shí)蓄存熱量與既存冷量形成動(dòng)態(tài)平衡，充分發(fā)揮地下土壤蓄能作用，是一種維護(hù)環(huán)境綠色節(jié)能的系統(tǒng)形式。    我國(guó)北方地區(qū)氣候類型主要為溫帶季風(fēng)氣候和溫帶大陸性氣候，并且受高緯度及北半球的“寒極”影響，冬季寒冷，伴隨環(huán)境變化，冬季土壤換熱能力下降，采用合理措施保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行將是技術(shù)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

    以下是地大熱能地源熱泵研究人員關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果取決于室外地埋側(cè)換熱器的換熱情況，通常其影響因素主要為土壤熱平衡狀況、自然環(huán)境條件、換熱管內(nèi)工作流體性質(zhì)等的相關(guān)介紹。

    一、土壤熱平衡狀況

    土壤熱平衡本質(zhì)是動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)變化的，其過(guò)程中受諸多因素影響，如當(dāng)?shù)囟嗄隁夂蚍植?、土壤?gòu)成情況、地下水分布變化、冬夏負(fù)荷情況等均會(huì)改變當(dāng)?shù)赝寥罒崃科胶夥植记€，當(dāng)冬夏負(fù)荷相差大時(shí)曲線波動(dòng)尤為明顯。綜合以上因素并結(jié)合GSHP自身特點(diǎn)，其適用地域?yàn)槎臍夂蚍置髑邑?fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)，尤其適用于同時(shí)存在冬夏負(fù)荷需求的工程項(xiàng)目。    北方地區(qū)冬季寒冷供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，導(dǎo)致熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使冷量積累土壤溫度逐年降低，造成地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)取熱困難，蒸發(fā)溫度供熱量下降，同時(shí)壓縮機(jī)耗電量提高，COP下降。通常，機(jī)組蒸發(fā)溫度相對(duì)額定溫度降低1℃，機(jī)組的制熱功耗將增加3%。

    對(duì)于南方，地區(qū)夏季炎熱空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷，導(dǎo)致熱泵向地下土壤的放熱量大于冬季自土壤的吸熱量，致使熱量積累土壤溫度逐年升高，造成地源熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)放熱困難，冷凝溫度升高、制冷量下降，同時(shí)壓縮機(jī)功率提高，EER下降。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的可靠保證。

    常見地埋管形式為水平埋管和垂直埋管，一般水平埋管埋深較淺，在地表15～20m區(qū)域內(nèi)，此深度范圍的土壤受室外自然環(huán)境影響顯著，呈現(xiàn)年變化季節(jié)分布，通常夏季時(shí)土壤換熱系數(shù)要高于冬季值，但相對(duì)垂直埋管系統(tǒng)的換熱系數(shù)要低。垂直埋管埋深多在80～100m，土壤溫度波動(dòng)很小，基本恒定，可按照高于歷年平均溫度1.5℃計(jì)算，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)冬夏負(fù)荷相差較多時(shí)，很容易造成熱量失衡，導(dǎo)致土壤換熱效果變差，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定需要采取輔助系統(tǒng)，解決熱量失衡問(wèn)題，至此類似系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。    常用方法為太陽(yáng)

    能集熱器輔助加熱（適用于北方地區(qū)，多用于提供生活熱水）、冷卻塔輔助散熱（適用于南方地區(qū)）、電鍋爐輔助加熱（適用于小規(guī)模冬季極寒系統(tǒng)），混合式地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)初期投資成本增加，但與單獨(dú)的GSHP相比，具有調(diào)節(jié)靈活和運(yùn)行費(fèi)降低等優(yōu)點(diǎn)。

    二、土壤凍結(jié)對(duì)埋管換熱器傳熱的影響

    在北方寒冷地區(qū)，地埋側(cè)換熱器內(nèi)液體溫度較低，在年極端天氣情況下若周圍土壤換熱效果差甚至?xí)霈F(xiàn)凍結(jié)的危險(xiǎn)，土壤換熱受巖土類型、地下水分布、土壤常年溫度分布、土壤含水率等諸多因素影響，其中土壤含水率對(duì)換熱量影響較為直接。當(dāng)土壤中由于換熱導(dǎo)致水份凍結(jié)時(shí)，隨著相態(tài)變化，有大量潛熱放出，在換熱量相同情況下，溫度降低幅度小，可保證換熱器周圍土壤溫度較高。反之，則土壤溫度較低。由于工程的不確定性，即使選用先進(jìn)測(cè)量?jī)x器，受試驗(yàn)季節(jié)時(shí)間影響，也無(wú)法獲得最準(zhǔn)確的數(shù)值，若未能充分考慮土壤中水份凍結(jié)的影響，計(jì)算得出地下埋管周圍的溫度場(chǎng)偏低，且隨含水率增大偏差越大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。鑒于工程設(shè)計(jì)計(jì)算中多采用安全余量或保守的計(jì)算方式，對(duì)有關(guān)巖土凍結(jié)和其計(jì)算方法方面的研究有限，無(wú)論采用模型計(jì)算理論或經(jīng)驗(yàn)估算方式，盡管在計(jì)算結(jié)果上存在差異，但可以肯定土壤凍結(jié)對(duì)地下埋管換熱是有利的。    三、埋管內(nèi)工作流體參數(shù)影響

    目前常用經(jīng)軟化的自來(lái)水作為地源熱泵系統(tǒng)的工作流體，水是理想載熱流體，適用工況多，熱熔性好，氣液相態(tài)區(qū)間溫度可滿足多種用途。在南方地區(qū)，土壤溫度較高，換熱管內(nèi)水溫在O～C以上，不存在凍結(jié)可能，無(wú)需考慮防凍。在北方地區(qū)，由于地下埋管進(jìn)水溫度較低，換熱效果差將導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)水的凍結(jié)危險(xiǎn)，即使在最初設(shè)計(jì)中無(wú)具體說(shuō)明，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行效果，一旦出現(xiàn)以上情況，需要及時(shí)添加防凍劑。選擇防凍劑的原則為：使用安全、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。添加防凍劑后的介質(zhì)動(dòng)力粘度增大，使得流動(dòng)狀態(tài)維持難度加大。經(jīng)計(jì)算在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。紊流和層流為流體兩種不同的兩種流動(dòng)狀態(tài)，所謂臨界狀態(tài)即為Re（雷諾數(shù)）=2000時(shí)的流動(dòng)情況。當(dāng)Re（雷諾數(shù)）>2000時(shí)，為紊流，此狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)大效果好，由以上臨界流速比可知，采用CaCl和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量，即運(yùn)動(dòng)阻力較大。

    地源熱泵系統(tǒng)是目前發(fā)展較為完善的節(jié)能系統(tǒng)，在其發(fā)展過(guò)程中不斷吸收完善新的技術(shù)，以適應(yīng)越來(lái)越多工況環(huán)境要求，通常南方地區(qū)條件適宜對(duì)系統(tǒng)建設(shè)沒(méi)有諸多限制因素，在寒冷北方地區(qū)，系統(tǒng)建設(shè)時(shí)要考慮地下土壤熱平衡問(wèn)題，凍結(jié)問(wèn)題等因素，從保證換熱器管內(nèi)工作介質(zhì)流態(tài)、換熱效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性角度考慮，采取防凍液、輔助電加熱、太陽(yáng)能系統(tǒng)等措施，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效果，利于運(yùn)行。    地大熱能由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）組建，依托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，組建了一批由海內(nèi)外學(xué)者組成的世界一流的交叉人才團(tuán)隊(duì)，聚集了十大優(yōu)勢(shì)學(xué)科領(lǐng)域十多位專家學(xué)者，定期研討地?zé)?/a>科學(xué)問(wèn)題、問(wèn)診地?zé)?/a>實(shí)際難題，在地（水）源熱泵換熱不夠、冷熱不均、填充不實(shí)、漏水、土壤溫度過(guò)低、井深不夠、水質(zhì)不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等問(wèn)題有著豐富的經(jīng)驗(yàn)及客戶案例。