东南大学李文欣：地埋管地源热泵系统的多因素影响及性能评价

李文欣，东南大学能源与环境学院副研究员，博士生导师。研究方向为地热能利用与建筑节能技术。主持国家自然科学基金青年基金等，参与国家重点研发课题、江苏省建设系统科技项目等多个项目。在Renewable Energy、Applied Thermal Engineering等期刊上发表论文30余篇，其中SCI一作/通讯论文16篇，以第二作者身份参与出版地热能相关专著一部。2025年5月，入选中国技术监督情报协会地热产业工作委员会地热青年专家。

地埋管地源热泵系统的多因素影响及性能评价

地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源，我国地热资源丰富，地热利用市场潜力巨大。地热能利用主要包括地热发电以及地热能直接利用技术等，其中地源热泵系统是地热能直接利用技术的最主要形式，该系统的安装总量占地热能利用安装总量的70.9%。目前我国拥有世界最多的地源热泵机组安装台数及供能量等。为了实现“双碳”目标，“十四五”规划中明确提出积极推进中深层地热能供暖制冷及浅层地热能的开发，实现2025年全国地热能供暖（制冷）面积比2020年增加50%、2035年较2025年再翻一番的目标。

典型地埋管地源热泵系统通常包括三个部分：建筑末端系统、地源热泵机组以及地埋管换热器。若以其中最为重要的地埋管换热器为参照物，可将系统性能的影响因素分为外扰和内扰（图1）。外扰指代输入到地埋管系统中的负荷所受到的影响（即所承担的系统冷热负荷），而内扰指代地埋管系统本身会受到的影响，如埋管性能、埋管管群布置、地质结构等。系统的运行特性及效率受到内外扰的共同作用影响。

地埋管地源热泵系统受到的内外扰影响

受内扰影响下的地埋管传热性能会影响整个系统的运行效率。针对地埋管结构及内外参数，其中流体入口温度和流速、竖直管两管间距和螺旋管螺距，以及回填材料的导热性，均对系统性能有较大影响。相较于普通单双U地埋管换热器，套管式、螺旋管等地埋管换热器可提供更高的每延米换热量。通过减小内外管间热短路，采用具有内管壁保温结构的大管径套管式换热器，可实现12小时内每延米取热/释热量均高于120 W/m。在管内循环流体中加入合适浓度的纳米颗粒，可强化换热能力。为了提高地埋管的换热与蓄热能力，可将相变材料作为地埋管换热器的回填材料。此外，管群布置形式会影响埋管间的热扰，进而影响岩土的温度场分布，尤其对系统长期运行产生显著影响。

同时，地埋管换热器受到地质分层及地下水渗流这类复杂地质情况的影响。由于各地层热物性的不同，地埋管周围各地层传热量及传热能力不同。地质分层的影响虽然对埋管出水温度的预测结果影响很小，但对于换热量分布的影响较大，这将有助于地埋管长度的设计。对于输入负荷量大和存在严重热干扰的多管地埋管系统，应考虑地质分层的影响，特别是针对热扩散率低的材料。地下水渗流的存在可增强地埋管的换热能力，使得岩土温度分布更优，尤其是对位于上游的埋管。

地埋管系统受到的外扰影响主要来源于建筑负荷、热泵机组运行特性等因素。相较于埋管布局等内扰因素，建筑负荷这类外扰动因素对系统性能的影响更大。建筑的冷热负荷需求直接决定了岩土中储热与释热的不平衡。较长的间歇时间可使得岩土温度恢复得越好，有助于系统性能提升，缓解岩土蓄能的热不平衡问题。在地源热泵系统的计算方面，综合考虑动态建筑负荷、热泵机组输出负荷以及水泵能耗等可提高计算准确性。实际地源热泵系统同时受到内外扰的耦合作用，比如输入负荷量大时地质分层的影响更为严重，因而需要考虑二者的综合影响。

地源热泵系统的性能预测与评价应考虑内外扰因素的耦合影响，准确的结果有助于评估系统的热不平衡、优化系统设计。基于系统长期运行预测结果，分析长短期负荷及岩土温度场分布特征，对系统进行基于埋管出水温度的合格性、节能性指标评价以及冬夏季能效比性能评价的逐级评价。地源热泵系统的热不平衡问题本质上是建筑用能与埋管供能之间的需求匹配问题。对于存在严重热不平衡的地源热泵系统，考虑采用太阳能、中深层地热能、生物质能等可再生能源构成多能互补系统。如中深层与浅层地热能耦合利用系统可兼具中深层梯级利用系统与浅层地源热泵系统的优点，实现不同地层地热能与实际应用场景温度热量需求的多目标匹配。对于轻微热不平衡的地源热泵系统，可通过优化系统运行策略、管群布置、增加储能装置等策略来缓解系统的热不平衡，进而提高系统运行效率。