近年來隨著國家節(jié)能環(huán)保相關政策出臺，新型能源系統(tǒng)應用獲得極大發(fā)展，因其受資源限制因素少，應用地域廣，節(jié)能效果顯著等優(yōu)勢，已在工業(yè)和民用領域獲得廣泛應用。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）熱源來自取之不盡用之不竭的淺層地表土壤。冬季通過室外地埋側換熱將大地中的低位熱能提取出來，利用熱泵將溫度提高，用于建筑供暖，同時將冷量蓄存于土壤中，以備夏用。夏季通過室內末端將建筑內熱量借助熱泵轉移至地下，實現(xiàn)建筑降溫，同時蓄存熱量與既存冷量形成動態(tài)平衡，充分發(fā)揮地下土壤蓄能作用，是一種維護環(huán)境綠色節(jié)能的系統(tǒng)形式。    我國北方地區(qū)氣候類型主要為溫帶季風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)定運行將是技術設計需要重點解決的問題。

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

    一、土壤熱平衡狀況

    土壤熱平衡本質是動態(tài)的實時變化的，其過程中受諸多因素影響，如當?shù)囟嗄隁夂蚍植?、土壤構成情況、地下水分布變化、冬夏負荷情況等均會改變當?shù)赝寥罒崃科胶夥植记€，當冬夏負荷相差大時曲線波動尤為明顯。綜合以上因素并結合GSHP自身特點，其適用地域為冬夏氣候分明且負荷相當?shù)牡貐^(qū)，尤其適用于同時存在冬夏負荷需求的工程項目。    北方地區(qū)冬季寒冷供熱負荷大于夏季供冷負荷，導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，造成地源熱泵機組蒸發(fā)器側取熱困難，蒸發(fā)溫度供熱量下降，同時壓縮機耗電量提高，COP下降。通常，機組蒸發(fā)溫度相對額定溫度降低1℃，機組的制熱功耗將增加3%。

    對于南方，地區(qū)夏季炎熱空調冷負荷大于冬季供暖負荷，導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，造成地源熱泵機組冷凝器側放熱困難，冷凝溫度升高、制冷量下降，同時壓縮機功率提高，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，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，通常夏季時土壤換熱系數(shù)要高于冬季值，但相對垂直埋管系統(tǒng)的換熱系數(shù)要低。垂直埋管埋深多在80～100m，土壤溫度波動很小，基本恒定，可按照高于歷年平均溫度1.5℃計算，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，當冬夏負荷相差較多時，很容易造成熱量失衡，導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

    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)建設初期投資成本增加，但與單獨的GSHP相比，具有調節(jié)靈活和運行費降低等優(yōu)點。

    二、土壤凍結對埋管換熱器傳熱的影響

    在北方寒冷地區(qū)，地埋側換熱器內液體溫度較低，在年極端天氣情況下若周圍土壤換熱效果差甚至會出現(xiàn)凍結的危險，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，其中土壤含水率對換熱量影響較為直接。當土壤中由于換熱導致水份凍結時，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，即使選用先進測量儀器，受試驗季節(jié)時間影響，也無法獲得最準確的數(shù)值，若未能充分考慮土壤中水份凍結的影響，計算得出地下埋管周圍的溫度場偏低，且隨含水率增大偏差越大，因此設計時應予以考慮。鑒于工程設計計算中多采用安全余量或保守的計算方式，對有關巖土凍結和其計算方法方面的研究有限，無論采用模型計算理論或經(jīng)驗估算方式，盡管在計算結果上存在差異，但可以肯定土壤凍結對地下埋管換熱是有利的。    三、埋管內工作流體參數(shù)影響

    目前常用經(jīng)軟化的自來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，換熱管內水溫在O～C以上，不存在凍結可能，無需考慮防凍。在北方地區(qū)，由于地下埋管進水溫度較低，換熱效果差將導致?lián)Q熱管內水的凍結危險，即使在最初設計中無具體說明，根據(jù)系統(tǒng)運行效果，一旦出現(xiàn)以上情況，需要及時添加防凍劑。選擇防凍劑的原則為：使用安全、無毒、無腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長等特點。添加防凍劑后的介質動力粘度增大，使得流動狀態(tài)維持難度加大。經(jīng)計算在相同管徑、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狀態(tài)，所謂臨界狀態(tài)即為Re（雷諾數(shù)）=2000時的流動情況。當Re（雷諾數(shù)）>2000時，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，為保證管內的紊流流動，與水相比需采用大的流速和流量，即運動阻力較大。

    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)展過程中不斷吸收完善新的技術，以適應越來越多工況環(huán)境要求，通常南方地區(qū)條件適宜對系統(tǒng)建設沒有諸多限制因素，在寒冷北方地區(qū)，系統(tǒng)建設時要考慮地下土壤熱平衡問題，凍結問題等因素，從保證換熱器管內工作介質流態(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、太陽能系統(tǒng)等措施，可有效提高系統(tǒng)運行效果，利于運行。    地大熱能由中國地質大學（武漢）組建，依托中國地質大學的學術優(yōu)勢，組建了一批由海內外學者組成的世界一流的交叉人才團隊，聚集了十大優(yōu)勢學科領域十多位專家學者，定期研討地熱科學問題、問診地熱實際難題，在地（水）源熱泵換熱不夠、冷熱不均、填充不實、漏水、土壤溫度過低、井深不夠、水質不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等問題有著豐富的經(jīng)驗及客戶案例。