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1、GSHP系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)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。GSHP空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷回路和地下换热器回路。根据需要也可以增加第四个回路生活热水回路。地源热泵是一种新型的高效、节能、环保的空调系统, 是我国调整能源利用结构, 发展利用可再生能源策略的重点推广项目之一。有蓄能作用！水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1 2m的地沟内. 水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响, 效率较低, 而且占地的面积比较大, 在国内建筑物比较密
2、集的情况下, 它的使用受到一定的限制. 水平埋管的地热换热器有以下几种形式: (1) 水平单管; (2) 水平双管; (3) 水平四管; (4) 水平六管（5）新开发的水平螺旋状和扁平曲线状。实践证明, 水平换热器的寿命较长。竖直埋管就是在地层中垂直钻孔, 孔的深度一般在30 150 米. 在竖直埋管方式中,由于地下深层土壤温度比较恒定, 占地面积小, 因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用. 竖直埋管的地热换热器的形式有以下几种: (1) 单U型管; (2) 双U型管（或W型管）; (3) 小直径螺旋盘管; (4) 大直径的螺旋盘管; (5) 立式柱状; (6) 蜘蛛状. 在竖直埋管换热器中,
3、 目前应用最为广泛的是单U型管。确定地热换热器的长度有两种方法: 一是估算法; 二是计算机模拟法. 所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量, 然后确定地热换热器的布置方式, 再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度. 这种方法简单, 比较适合工程设计, 但是系统的负荷大部分时间是处于部分负荷状态, 因此按照峰值负荷确定的地热换热器的长度往往过于保守, 这也增加了地热换热器的投资. 另外由于国内对地源热泵方面所做的研究工作多数仍处于实验研究阶段, 有关地热换热器在不同土壤温度和不同类型土壤的传热特性的数据比较缺乏, 因
4、此目前还无法利用该方法准确确定换热器的长度.计算机模拟法是根据建立的地热换热器的传热模型编制出相应的计算软件, 通过输入土壤的热物性参数和建筑物的负荷来确定地热换热器的长度.钻孔间距的大小是由钻孔的传热半径决定的, 而钻孔单位长度的换热量、连续运行时间及土壤的热物性决定了钻孔的传热半径的大小. 理想情况是钻孔间距应大于连续运行时间内钻孔的传热半径. 钻孔的传热半径可通过模拟软件计算.竖直埋管地热换热器的传热模型对于地热换热器，其整个传热过程是一个复杂的非稳态的传热过程，诸如土壤的热物性、含水量、土壤温度、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、流速等都对地热换热器的传热产生影响。在工程实际应用的模
5、型中，通常都以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域化分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部区域两部分, 采用不同的简化假定分别进行分析。热阻分析：热流从管内流体传到远离钻孔的恒温地层中需要克服的热阻由四部分组成：a.流体至管道内壁的对流换热热阻；b.塑料管壁的导热热阻；c.钻孔内部的导热热阻，即由管道外壁到钻孔壁的热阻；d.地层的热阻，即由钻孔壁到地层远处的热阻。有关地埋管换热器的传热，迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。国际上现有的传热模型大体上可分为两大类。第一类是以热阻概念为基础的解析解模型，第二类是以离散化数值计算为基础的数值解模型。第一类模型通常都是以钻孔壁为界将地埋管换热器传热区域分为两个区域
6、。地埋管换热器传热模型的理论基础是：（1）1948年Ingersoll和Plass提出的线热源理论。该理论是把埋地换热器的埋管中心轴视为一线热源，以该轴为中心呈辐射状以定热流形式向周围土壤传热。该模型对小管径、长时间运行的系统具有较高的精度，是目前大多数土壤源热泵系统设计的理论基础。（2）Carslaw和Jaeger提出的圆柱热源理论(包括定壁温和定热流两种模型)。该模型理论实际上是一种改进了的线热源理论，它和线热源理论的不同点在于它考虑了盘管内流体的流动性能特征。Deerman和Kavanaugh把这一理论发展为变热流的情况，使得对埋管换热器长期运行工况的模拟结果更加精确。（3）1986年V
7、. C. Mei等人提出的建立在能量平衡基础上的三维瞬态远边界传热模型。该模型有别于线热源理论，考虑了土壤冻结相界面的移动以及回填土等因素的影响。（4）建立在能量平衡和质量平衡基础上，综合考虑传热传湿相互藕合过程的瞬态传热模型。A钻孔壁以外区域的传热模型目前, 国内外学者提出了不同的简化传热模型。对钻孔以外部分，代表性的模型有无限长线热源模型、有限长线热源模型和柱热源模型。实际工程中，由于每年向地下排放的热量和提取的热量的不平衡，而导致地下土壤温度的变化。无限长线热源模型和无限长柱热源模型均未考虑到地表边界的传热影响，有限长线热源模型更接近于实际情况。B钻孔内区域的传热模型钻孔内的区域, 包括
8、回填材料，管壁和管内传热介质，与钻孔外的传热过程相比较，由于其几何尺度和热容量要小得多，而且温度变化较为缓慢，因此在运行数小时后，通常可按稳态传热过程来考虑其热阻。在钻孔内的传热模型可以归结为以下几种：一维模型、二维模型。一维模型就是依据当量直径法将钻孔内U型管简化为一根管子。 二维模型，就是将U 型管的两根支管看作两个线热源, 钻孔壁的稳态温度场应该是这两个线热源产生的过余温度场的迭加。一维和二维模型由于均未考虑钻孔内U型管两支管之间的热短路, 因此模型过于粗糙也不合理，也无法将地热换热器的换热量与U型管内流体温度联系起来。为此提出了准三维模型，即在二维模型的基础上，考虑流体温度沿深度方向的
9、变化，此模型即为准三维模型。钻孔内的传热模型针对U型管、W型管、套管式换热器各有其具体的表达式。第二类模型是离散数值计算为基础的传热模型，可以考虑更接近现实的情况，采用有限元或有限容积法求解地下的温度响应并进行传热分析。随着计算机技术的进步，数值方法以其适应性强的特点已成为传热分析的基本手段，和进行地埋管换热器理论研究的重要工具。管群的热分析模拟计算是解决多热源群井应用中复杂因素交织关联关系的重要手段。通过充分认识多热源群井的特性关系, 诸如初始温度、井径、热负荷、排列布置等影响特性和规律, 建立群井适配控制方法和技术, 提出合理布置、优化系统运行模式的控制方法。实现地域空间的地能充分利用。(
10、1) 群井系统运行时, 各单井周围温度变化规律与相同条件下的单井系统运行时周围温度变化规律相近, 不同之处在于群井间可能发生传热交互影响, 引起整个布井区域温度场变化。随系统在供暖工况下运行, 整个温度场温度总体趋势下降,且逐渐趋于平稳。(2) 大地初始温度是决定土壤源热泵运行的重要因素, 初始温度提高1倍(12 24 ) , 系统运行至约定极限温度时, 运行时间和输出总热量增加约24倍, 整体温度场降幅明显, 地能利用更加充分, 换热过程中地温下降平缓, 有利于机组运行性能提高。(3) 在输出相同功率条件下, 增大井径使井壁单位面积热负荷变小, 井壁周围地温变化趋缓, 有利于系统更长时间保持
11、较地温。大负荷运行时, 井径影响尤为明显。(4) 对不同井径系统改变负荷, 小井径系统负荷因素影响更加敏感。采用低负荷大井径方式有利于系统高效运行和能量利用, 但不利于经济性的提高。(5) 总负荷相同时, 小间距密排布井使整体温度场变化明显, 地域空间利用率提高, 但应避免井间过分传热交互干涉。影响因素分析：在一定的假设条件下，建立埋管传热传质的数学模型，借助于计算机程序或者软件进行影响因素分析：土壤初始温度分布土壤及回填材料热物性管中流量对埋管换热性能的影响；管长对埋管换热性能的影响；进水温度对埋管换热性能的影响；埋管形式对埋管换热性能的影响；支管的间距等结构尺寸对埋管换热性能的影响；地下渗
12、流对埋管换热性能的影响；土壤初始温度场分布：在理论模型计算中, 需要大地初始温度. 常用的两种模型如下：A 土壤初始温度均匀一致。B 土壤初始温度按深度方向呈现三个分区。变温带：由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化；由于受地表温度年周期性变化和日周期性变化的影响, 大地初始温度Ts也具有周期性特点, 并且其变化的幅值随地层深度的增加呈自然指数规律减小. 考虑到日周期性波动的周期较小, 工程上一般忽略地表温度日周期性变化对地温的影响. 地温Ts(x,) 随地层深度x和时间的变化按Kusuda分析模型为：式中: x 为从地表面算起的地层深度,m；为从地表面温度年波
13、幅出现算起的时间,h； ts(x ,) 为在时该深度x 处的地温, ；tm为地表面年平均温度, ；Am为地表面年周期性波动波幅, ；w 为温度年周期性波动频率,w = 2/T = 0. 00071725；T 为温度年波动周期, T = 8760h；为大地导温系数,m2/s。恒温带：其温度变化幅度几乎等于零；增温带：在恒温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。例如天津变温带约在15m左右，1530m为恒温带，恒温带温度为13.5，30m以下为增温带。另外，夏热冬冷地区地温平均温度在15 - 20左右。参考文献S. Kavanaugh. Design considerat
14、ion for ground and water source heat pump s in southern climates J . ASHRAE Transact ions, 1989, 95 (1) : 113921148.Per Eskillson. Thermal Analysis of Heat Extract ion Bore holesM. Dep. Of Mathematical Physics University of L und, Sweden, 1987.Cane R L D, Forgas D A. Modeling of GSHP performance. In
15、: ASHRAE Trans. 1991，97(1). 909-925Ingersoll L R, Plass H J. Theory of the ground pipe heat source for the heat pump. HPAC, 1948, 20(7):119-122Ingersoll L R, Zobel O J, Ingersoll A C. Heat Conduction with Engineering, Geological and Other Applications. New York: McGraw-Hill Co, 195Carslaw H S, Jaege
16、r J C. Conduction of Heat in Solids. Oxford: Claremore Press, 1947. 260-265Carslaw H S, Jaeger J C. Conduction of Heat in Solids. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press,1959. 260-265Deer-man J D, Kavanaugh S P. Simulation of vertical U-tube ground-coupled heat pump systems using the cylindrical heat source
