地源熱泵系統獲取淺層地熱能的途徑是利用地下換熱系統。其工作原理是傳熱介質(主要是水或乙二醇)在封閉的垂直或水平地面管道中循環，利用傳熱介質與地下巖層和地下水之間的溫差進行換熱，從而達到利用淺層地熱能的目的，再通過熱泵技術對建築物進行供暖和制冷。工作原理圖見3-11和圖3。
圖3-11夏季地埋管地源熱泵工作原理圖
圖3-12冬季地埋管地源熱泵工作原理圖
除了地源熱泵的所有特性外，地源熱泵還具有以下顯著特性:
(1)工程需要根據冷熱負荷鉆大量的鉆孔，下入有壹定強度、耐腐蝕、傳熱性能好的封閉循環管，然後連接所有循環管進入機房和主機。
(2)地源熱泵系統通過傳導與地下巖體和地下水散熱(吸熱)，與地下水地源熱泵系統主要通過對流散熱不同，其換熱效率低於地下水地源熱泵系統。
(3)與傳統空調系統相比，地源熱泵系統的主要缺點是地源換熱器的初投資較高，且壹般高於地源熱泵系統，這也是阻礙地源熱泵系統發展的主要原因之壹。
(4)與地源熱泵系統相比，地埋管換熱器比地源熱泵系統占地面積大。這是阻礙地源熱泵系統在人口密集和建築密集地區發展的另壹個重要原因。地下換熱器壹般布置在綠地、道路、停車場、廣場、學校操場等下方。、以及建築物的地基下和建築物的樁基中。
(5)與地源熱泵系統相比，地埋管地源熱泵系統由於不從地下取水，對地下空間環境的影響較小，程序也比地源熱泵系統簡單。
(6)具有環保、高效節能、運行成本低、壹機多用、技術成熟、適用範圍廣(原則上適用於任何地層和建築物)、無需抽取地下水等特點，未來應用前景廣闊。
(7)從水文地質角度看，松散層孔隙地下水的富水性主要受含水層粒徑的影響。粒徑越大，孔隙度越大，水的豐度越好，地層的滲透性越強。因此，地下水源熱泵和地源熱泵項目對水文地質條件有壹定的互補要求，即不適合地下水的地區往往適合地源熱泵。以北京為例，地源熱泵主要分布在永定河沖積扇中上部的海澱和豐臺區，地源熱泵主要分布在順義、昌平、朝陽和海澱山區，即溫榆河、永定河、潮白河沖積扇中下部的廣大地區。
2.介紹了地源熱泵系統的組成和基本情況。
地源熱泵系統與地源熱泵系統類似，由三部分組成:地源換熱系統、機房系統和末端系統。從專業技術角度來說，末端系統的設計和施工屬於暖通專業；機房系統主要由主機、電氣自動控制系統和水流量控制系統組成，其核心是熱泵機組技術；地下換熱系統的設計和施工屬於地質和水文地質，必須由具有地質勘探和鑿井施工資質的專業部門完成。因此，地源熱泵系統的核心實際上是由單獨的暖通空調技術、熱泵機組技術和地質勘察技術支撐的，多學科協同、有機構成的綜合性新型、環保節能技術。
根據地下管道埋設方式的不同，地下換熱器系統可分為水平地下換熱器和垂直地下換熱器，如圖3-13和圖3-14所示。水平埋管是在地下挖的溝，溝深1.5 ~ 2.5m，每個溝內埋2、4或6根熱交換塑料管。由於水平埋管比垂直埋管占地面積大，效率比垂直埋管低，所以我國建設的地源熱泵系統大多采用垂直埋管系統。
圖3-13水平埋管換熱器
圖3-14垂直埋管換熱器
垂直埋管系統埋深壹般在50 ~ 150 m之間，大部分鉆孔埋深約100m，鉆孔直徑壹般在120 ~ 150 mm之間，大部分鉆孔在第四系松散層，少數工程鉆孔在基巖中，如北京市昌平區山水怡家別墅、房山區天湖國際。回填用於鉆孔與埋管之間的填充，回填方法主要有原漿回填、中砂回填、素土回填和水泥砂漿回填。埋地管道的材質主要是HDPE管，大多直徑為φ32mm。
根據換熱孔內垂直埋置的U型管數量，系統可分為單U型管系統和雙U型管系統，如圖3-15和圖3-16所示。埋管與周圍巖土的熱交換方式是傳導散熱或吸熱。為避免換熱孔之間相互幹擾，節省占地，埋管孔的設計間距壹般為4 ~ 6m；根據不同的設計要求，埋管內的循環液體(換熱介質)可以是水，也可以是防凍液。
圖3-15單U型垂直埋管地源熱泵換熱系統
圖3-16雙U型垂直地源熱泵換熱系統
3.地源熱泵系統的核心技術——單孔換熱量分析。
在地源熱泵技術推廣過程中，由於不同地區地質和水文地質條件的復雜性和多變性，特別是地下水位埋深和地下水滲流速度的差異，不同地區的巖(土)層導熱系數和每延米地埋管換熱量差異很大。在壹個地區可以成功應用的地下熱交換系統在另壹個地區往往不適用。即使在同壹地區，項目所在地也位於河流沖積扇的上、中、下遊。因此，與地源熱泵系統壹樣，地質勘探技術仍然是地源熱泵系統技術的核心，也是淺層地熱能開發利用項目成功應用的關鍵。
地下換熱器是地源熱泵技術的核心，它由許多地下管孔及其U形管和水平管組成。在壹定冷熱負荷下，如果埋管孔數過多，單孔換熱能力達不到最佳單孔換熱能力，則說明工程初投資過大，占地面積也較大，埋側末端循環泵也較大，降低了運行經濟性；如果地下管孔數量較少，單孔換熱量不能滿足負荷要求，則意味著冬季循環液出口溫度會越來越低，產生“端冷”現象，夏季出口溫度會越來越高，產生“端熱”現象，降低主機運行能效比，甚至導致主機停機保護，系統無法運行，其結果最終會影響系統的經濟性和穩定性。
地埋管換熱器的設計是否合理，決定了地源熱泵系統的經濟性和運行可靠性。因此，單孔傳熱能力的分析是地埋管換熱器設計的核心。地下換熱器強化傳熱的方法與傳統換熱器基本相同，即增大傳熱溫差，增大傳熱面積，減小傳熱阻力。
傳熱溫差的變化受地層溫度、循環液溫度和熱泵主機參數的限制。地層溫度在所有區域都是恒定的，不能改變。循環液體的溫度是蒸發器或冷凝器的出口溫度，由主機的性能和參數控制。出口溫度過高或過低都會降低主機的能效比，影響系統的經濟性。
增加換熱面積實際上就是增加地埋管換熱器的長度，意味著增加工程的初期投資，增加占地面積。過長的地埋管換熱器不會提高系統的經濟性，反而會降低地源熱泵工程的經濟性。
因此，強化地埋管換熱器傳熱的主要方法是降低傳熱阻力。循環液體與地下巖體和地下水之間的傳熱過程受以下兩個因素控制:壹是地下換熱器；二是巖土和地下水的傳熱性能。在工程實踐過程中，涉及的空間區域通常以孔壁為界分為孔內埋管、回填部分和孔外巖土部分。孔外傳熱由兩部分組成:壹部分是巖土層從孔壁到末端原狀遠程介質的熱阻，主要取決於巖土的導熱系數；二是埋管間溫度場相互幹擾產生的附加熱阻，主要取決於埋管的布置和間距以及放熱和放熱的平衡。鉆孔內傳熱熱阻主要由管內熱阻和管外填料熱阻組成，易於工程措施控制，可增加單孔傳熱能力。
1)鉆孔外部熱阻
巖土的導熱系數和熱擴散率對地埋管換熱器的設計至關重要，它決定了地埋管換熱器的長度、地埋管換熱器的布置和間距以及占地面積。巖石和土壤的導熱系數表示通過地球的導熱系數。熱擴散率是對地球傳遞和儲存熱量能力的壹種度量。巖土的含水量對巖土的導熱系數和熱擴散率有很大的影響。夏季，地下管道換熱器內循環液體溫度高於巖土溫度，導致地下管道周圍巖土水分擴散減少，巖土變幹，降低其導熱系數，形成熱不穩定。在設計換熱器長度時，地下水稀少或埋藏較深的地區尤其需要註意。
在地埋管換熱器運行過程中，地埋管換熱器周圍巖土體的溫度場會發生變化。隨著地溫變化的增加和面積的擴大，相鄰地埋管換熱器之間的換熱會受到影響。地溫變化引起的換熱阻力的增加和換熱的減少，稱為變溫熱阻。如果地埋管換熱器從巖土中吸收或放出的熱量在壹年內不平衡，就會造成多余熱量(冷能)的積累，引起地下恒溫的變化，導致熱阻增大。
地下水滲流對埋管的傳熱能力有非常重要的影響。由於地下水熱容量大，吸收或放出大量的熱量。在地下水滲流的情況下，熱量或冷能很容易被流動的地下水帶走，形成另壹個熱流通道，大大降低了傳熱阻力。即使在冷熱負荷不平衡的地區，地下水流也會削弱“熱阻”的影響。
2)鉆孔中的熱阻
鉆孔熱阻主要由埋管和回填土的傳熱性能控制。埋地管道應選用化學穩定性好、有壹定強度(主要考慮埋地管道較深時循環液體對埋地管道的壓力)、耐腐蝕、導熱系數高、流阻小的塑料管材和管件。在目前的技術經濟水平下，現有工程大多采用聚乙烯管(PE管)，是綜合考慮上述要求的結果。
在目前的技術經濟水平下，選擇合適的回填土是大多數地源熱泵項目降低投資、提高系統運行經濟性的最合適手段。回填土在埋管與孔壁之間，其目的是增強埋管與周圍巖土的熱交換能力，同時防止地表水通過鉆孔滲入地下，汙染地下水，避免不同含水層地下水之間的交叉汙染。回填材料的選擇和正確的回填施工對保證地埋管換熱器的性能具有重要意義。使用導熱性差的回填材料會顯著增加鉆孔中的熱阻，這將導致相同情況下鉆孔總長度的增加，也意味著系統初始投資和運行成本的增加。
根據《地源熱泵工程技術規範》(GB50366—2005)，“註漿回填材料應為膨潤土和細砂(或水泥)的混合漿液或特殊回填材料；當局部埋地換熱器位於致密或堅硬的巖土中時，應采用水泥基材料進行灌漿和回填；回填材料及其比例應符合設計要求”。作者建議地下水位以下回填采用粗砂和礫石，地下水位以上回填采用水泥砂漿。原因如下:
(1)在地下水位以下的鉆孔區域，用粗砂石(D2 ~ 4 mm，要求圓度好)回填，將充分利用地下水熱容量大、流動性好的特點，盡快帶走產生的熱量或冷能，形成對流(吸)熱通道。由於存在地下水交叉汙染的風險，在地下水分層汙染的地區應謹慎使用；
(2)地下水位以上的鉆孔區，回填土必須密實完整，完全隔絕空氣與埋地管道的接觸，完全避免空氣混入回填土中。上述要求將通過使用水泥砂漿回填來實現，更重要的是，水泥砂漿回填具有良好的導熱性、經濟性和足夠的耐久性。
4.地源熱泵系統設計和施工技術要求
地源熱泵系統的設計和施工應嚴格遵守《地源熱泵工程技術規範》(GB50366—2005)。根據多年的地源熱泵工程施工和運行監測經驗，應註意以下幾點:
(1)在現場條件允許的情況下，地下換熱器應盡量靠近控制室建造，以最大限度地節省地下側的循環功率，提高系統的效率比。據調查，北京昌平區某地源熱泵工程夏季運行期間，循環泵(包括末端循環泵)耗電量占總耗電量的40% ~ 50%，明顯高於正常值。原因是地源換熱器施工場地距離機房較遠，循環泵功率過大。
(2)有條件的話，最好在地源熱泵工程完工後先運行制冷季，目的是保證冬季運行效果，防止循環液(如果是水)結冰的風險。
(3)地下水對地下管孔的換熱能力有非常重要的影響。但壹般情況下，地下水滲流速度快的地區，含水層顆粒較大，地下管孔施工難度較大，增加了工程建設成本。因此，應綜合考慮建築成本和換熱量的關系。
(4)當建築物比較分散，場地條件允許時，宜采用分布式機房，有利於提高工程的經濟性。
(5)地下管孔深度約為100m·m，地源熱泵系統壹旦建成並投入運行，需要永久占用地下空間(2m以下的區域)，對區域規劃(如地鐵線路)和管線布置有影響；
(6)回填施工時，壹定要用鏟子回填，速度不能太快，防止因回填過快而回填不實。禁止用手推車和整車回填。
(7)在工程運行階段，應密切關註並記錄主機的供回水溫度、主機和循環泵的耗電量，為科學分析工程運行情況奠定基礎。
(8)由於測試時間有限(壹般約65，438+00天)，且未考慮“依賴溫度的熱阻”的影響，熱物理結果往往不能完全反映壹個供暖或制冷季節的運行情況。建議設計時參考同地區、同水文地質條件下已建工程的經驗。
(9)埋地管孔的布置應綜合考慮“變溫熱阻”的影響和工程經濟性。
(10)地源熱泵工程設計時，需要保證各個地方的埋管孔水力平衡，保證各個循環管內的流速基本相同。
(11)應準確計算埋管中的流速。過大的流速不會增加熱交換，反而會降低工程的經濟性。流速過小，單孔傳熱能力會降低。
由於地源熱泵工程中有大量的地下埋管鉆機，地下埋管鉆機的造價往往是初期投資的主要決定因素。建議在工程論證階段必須進行勘探試驗孔的施工，以掌握工程的施工難度和施工成本，為工程預算奠定基礎。根據《地源熱泵工程技術規範》(GB50366-2005)，在地源熱泵系統方案設計前，還應調查工程場地條件，並調查淺層地熱能資源。在地源熱泵系統方案設計前，應調查項目所在地的巖土地質條件，包括:
(1)巖土層結構；
(2)巖土的熱性質；
(3)巖土溫度；
(4)地下靜止水位的埋深、水溫、水質及分布；
(5)地下水徑流的方向和速度；
(6)凍土厚度。