《大型地埋管群地热能高效可持续开发利用关键技术与应用》针对国内外大型地源热泵系统目前存在的冷/热堆积等影响浅层地源热泵发展的主要问题，在适宜区选择方面，依据工程地质、水文地质等条件提出一套适宜区评价体系；在管群设计优化方面，通过数值仿真、监测等方法对地下温度场、管间距、地下水、导热系数等因素进行详细分析，并通过对热响应测试方法与技术的改进，有效提升大型管群设计精度；在高效智能化控制方面，结合物联网、大数据、云计算、人工智能等技术，研制大型地埋管群全局性智能控制技术，保证系统高效可持续性运行；在综合解决地埋管群地下温度场不平衡问题和能效方面，结合管群布设、多能互补、运行策略控制等方法进行全面分析；*后结合一种典型的工程案例，对上述形成的大型地埋管群地热能高效开发利用一体化关键技术进行应用和评价。

目录
序
前言
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 4
1.3 存在的问题 10
1.4 主要研究内容 12
1.5 研究方法 12
1.6 小结 13
2 浅层地热能资源适宜性分区及评价 14
2.1 划分原则 14
2.2 适宜性划分依据 14
2.3 评价方法 14
2.4 地下水地源热泵适宜性区划与评价 15
2.5 地埋管地源热泵适宜性区划 21
2.6 浅层地热能资源开发利用适宜性区划 24
2.7 小结 24
3 大型浅层地埋管群长期运行性能研究及设计优化 26
3.1 大型地埋管群温度场迁移规律研究 26
3.2 大型地埋管群管间距对其稳定性的影响 42
3.3 地下水渗流对地埋管管群传热的影响 44
3.4 含水层及岩土导热能力对管群换热性能及地温场的影响 56
3.5 基于典型数值模型的人民大厦工程管群性能研究 63
3.6 不同形式地埋管换热器取热性能对比分析 72
3.7 小结 75
4 大型地埋管群岩土原位热响应测试方法与设备开发 77
4.1 热响应测试原理 77
4.2 现场热响应测试要求 80
4.3 岩土体导热参数分层测试方法 82
4.4 相关方法与设备研制 87
4.5 小结 101
5 大型地埋管群地源热泵供暖/制冷全局性智慧管控系统 102
5.1 浅层地热能地源热泵系统控制技术现状与问题 102
5.2 全局性智慧管控系统架构 104
5.3 示范应用案例及技术细节 115
5.4 小结 124
6 地源热泵系统能效提升途径 126
6.1 管群优化设计方法 127
6.2 储能和去能方法 128
6.3 辅助热/冷源 133
6.4 运行控制策略 136
6.5 小结 139
7 工程案例分析 140
7.1 工程地质情况描述 140
7.2 现场测试与数值分析模型验证 143
7.3 地埋管群三维模型构建与边界条件设置 145
7.4 优化设计与结果分析 146
7.5 小结 157
参考文献 158

1绪论
　　我国为能源消耗大国，能源短缺与消耗的化石能源比重过高是我国实现可持续发展的重要现实问题。据统计［1］，2024年全国能源消费总量为59.6×108t标准煤，比上年增长4.3%。煤炭消费量增长1.7%，原油消费量下降1.2%，天然气消费量增长7.3%，电力消费量增长6.8%，清洁能源消费量占能源消费总量的比重为28.6%，上升了2.2个百分点。2030年前二氧化碳排放量达到峰值与2060年前实现碳中和的“双碳”目标给中国可再生能源的开发利用带来了机遇与挑战，如地热能、太阳能、风能等可再生能源在近些年发展迅速。
　　地热资源在中国的储量约为全球地热储量的1/6，以中低温资源为主［2，3］。在中国南方地区，浅层地温梯度平均值为0.025℃/m，北方地区平均值为0.03℃/m［2］。浅层地热能作为一种可再生资源，具有分布广泛、资源丰富、稳定可靠、开发利用相对简单等优点，逐渐被应用于交通业、建筑业、畜牧业、农业等领域。北京大兴机场流体加热系统等工程实践表明，地源热泵系统的合理运行可在满足终端道路除冰雪需求的基础上达到节能减排的效果，助力中国机场交通基础设施在保障飞机滑行安全的同时实现“双碳”战略目标［4，5］。地源热泵系统（ground source heat pump system，GSHPS）以地热能作为冷源或热源，通过热泵机组将冷源或热源输送至用户端，达到节能目标［6］。比传统空气源热泵（air source heat pump system，ASHPS）可节省超30%的能耗［7］。近年来，中国浅层地热能的开发利用增速较高，浅层直接利用的地热能总装机容量在2020年底已达到2.6×104MW，连续20多年处于****地位［8，9］。地埋管是地源热泵系统的核心组成部分，合理提升地埋管的换热效果对推广地源热泵系统具有重要意义［10］。
　　地热产业是新能源开发利用的重点领域。地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，根据资源赋存深度可分为浅层地热资源与中深层地热资源。浅层地热资源具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种切实可行且具有竞争力的清洁能源。面对“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的奋斗目标，浅层地热能作为清洁非碳基可再生能源迎来空前的发展机遇。《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》（国发〔2021〕4号）明确指出，要因地制宜发展地热能，加快大容量储能技术研发推广。同时，随着绿色低碳循环发展经济体系的健全，可以预见地热能将在能源结构中扮演更加重要的角色，具有广阔的市场需求。
　　1.1研究背景与意义
　　地热能属于可再生清洁新能源，其具有储量大、分布广、用途广泛、利用效率高、稳定性好等优势。浅层地埋管系统可以提供供暖、制冷双向功能，比传统空调系统运行效率高，比常见的水热型地热能供暖初期成本低，且整个系统为封闭系统，不抽采地下水，不会引发环境、生态方面的危害。同时，中深层地热温度较高，仅适用于供暖，相关热源稳定性、可靠性和应用效果还需进一步验证，应用受限。因此，从能效比、环境保护、双向供热/制冷、设备寿命、水资源消耗量等方面，大型地埋管群地源热泵供热技术系统是*为理想、环保的供暖技术，是我国实现绿色建筑供暖的*佳选择。
　　浅层地热能的开发主要依赖热泵技术，其显著优势在于节能减排，效率系数（coefficient of performance，COP）通常超过4.0。这意味着仅需消耗约0.25kW h的电能便可获取1kW h的供暖热量。相比之下，燃煤、燃气锅炉以及电热水器的热效率普遍为1.0或在1.0以下。地源热泵系统的这一技术特性在建筑供暖和制冷中的主要能量来源于地下，电力仅用于提升能源品位，而非主要能量来源。得益于这一优势，地源热泵行业在我国快速城市化和巨大清洁供暖需求的推动下，实现了迅猛发展。自20世纪90年代中期引进地源热泵技术以来，尤其是进入21世纪后，随着热泵技术的成熟，浅层地热能的利用规模得以迅速扩大。
　　浅层地热资源具有长期可持续开发的潜力，资源量丰富、普适性强、不受区域限制。我国浅层地温场恒温带地温梯度呈现东南低、西北和东北地区高的特征。在200m深度内，陆地浅层地温场地温梯度总体上北高南低，南方平均值为2.45℃/100m，而北方大部分地区则由西向东逐渐升高，平均值为3℃/100m。中温带（高寒区）因气温低、恒温带深、深部温度高，适合采用深孔施工，以应对长供暖周期；南方地区则因气温高、地层上部温度低，以夏季排热利用为主，适合采用浅孔施工。我国987个地级以上城市的浅层地热能资源量为每年2.78×1020J，相当于95×108t标准煤（图1.1）。每年浅层地热能可利用资源量为2.89×1012kW h，相当于3.56×108t标准煤。扣除开发消耗电量，则每年可节能2.02×1012kW h，相当于标准煤2.48×108t，可以减少CO2排放6.52×108t。我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可采量折合标准煤7×108t（图1.1），可实现建筑物供暖制冷面积320×108m2。
　　图1.1各省（市）、地级市规划区范围浅层地热能可采量
　　“十三五”期间，我国可再生能源实现跨越式发展，装机规模、利用水平、技术装备、产业竞争力迈上新台阶，取得了举世瞩目的成就，为可再生能源进一步高质量发展奠定了坚实基础。国家发展和改革委员会在《“十四五”可再生能源发展规划》中指出：到2025年，地热能供暖、生物质供热、生物质燃料、太阳能热利用等非电利用规模达到6×107t标准煤以上。国家能源局也在《“十四五”现代能源体系规划》中指出应当积极推进地热能供热制冷，在具备高温地热资源条件的地区有序开展地热能发电示范。可见，浅层地热能的利用是我国推动可持续发展的重要环节。近年来，全国多省（市）出台了若干促进地热开发利用的有力措施，以陕西省为例：2018年6月陕西省发展和改革委员会等十部门发布了关于印发《陕西省冬季清洁取暖实施方案（2017—2021年）》；2019年4月，陕西省人民政府发布《陕西省蓝天保卫战2019年工作方案》；2019年10月，西安市人民政府办公厅印发《西安市清洁取暖试点城市建设工作方案》；2020年3月，陕西省住房和城乡建设厅印发《关于规范和加强地热能建筑供热系统建设管理工作的通知》；2020年7月，陕西省住房和城乡建设厅印发《蓝天保卫战2020年工作方案》，方案要求深入推进地热能建筑供热；2020年10月，陕西省住房和城乡建设厅印发《陕西省绿色建筑创建行动实施方案》；2021年3月9日市住房和城乡建设局、市发展和改革委员会、市教育局等九部门印发《西安市绿色建筑创建行动工作方案》；2023年，《陕西省“十四五”节能减排综合工作实施方案》中指出：深入推进太阳能、地热能、生物质能等可再生能源在城乡建筑领域的规模化应用。以上政策均提到浅层地热能开发利用的适用性及重要性，也说明地热能开发利用相关政策机制和保障制度进一步完善，当前正是地热能开发的大好时期。
　　浅层地热能在替代民用散煤供热（冷）方面发挥积极作用，使区域供热（冷）用能结构得到优化，现阶段，中央及地方政府出台了若干地热能开发利用的有力措施，更加说明了国家对地热能的重视。高效地开发利用浅层地热能对我国调整能源结构、降低化石能源的比例具有极大的促进意义。
　　西方国家的地源热泵系统普遍规模小，单系统一般只有几根到十几根地埋管。由于特殊国情，我国的地源热泵系统具有规模化、大型化的特点，常达到成百上千个钻孔，如上海世博会世博轴、北京国奥村、北京城市副中心、北京大兴国际机场、南京江北新区等项目。我国大型地埋管地源热泵系统现行标准是参考国外规范所制订的，这种标准是否有利于我国地埋管系统的开发仍有待研究。例如，关于地埋管之间的*小距离：国家标准《地源热泵系统工程技术规范（2009版）》规定地埋管之间的距离应当保持在3～6m，并未考虑地埋管长期运行中的热干涉过程。
　　总之，可对区域浅层地热能进行适宜性分区，确定浅层地热开发有利区。在此基础上，针对国内土壤源热泵技术的应用情况，建立大型土壤源热泵系统监测试验平台，从土壤源热泵地埋孔的温度场迁移规律、换热性能影响因素、相关设备和供暖/制冷智能控制等方面，通过实验总结出土壤源热泵系统中不同布置形状、间距的埋管换热能力情况，得出较佳的地埋孔布置形式，并试验监测矩阵布置地埋孔中心位置温度随时间的衰减情况，从而优化浅层地埋孔换热系统设计，提高地源热泵在工程应用中的效能，保障供热/制冷系统的长期稳定性和可靠性和对大型地埋管群地热能高效可持续开发利用，助推实现国家提出的“碳达峰”与“碳中和”目标，为我国能源结构调整、产业转型升级和经济社会发展做出贡献。
　　1.2国内外研究现状
　　地源热泵空调系统是一种高效节能的绿色空调技术，既能在夏季为建筑提供制冷，又能在冬季高效供暖。这项技术*早可追溯至1853年，当时Thomson*次提出利用热泵为建筑制冷、供热。随后，Zoelly申请了*个地源热泵专利。然而，直到20世纪40年代，该技术才真正进入实际应用阶段。1948年的一篇杂志记载了*早的地源热泵安装案例。20世纪70年代，受能源危机影响，人们迫切需要更节能的供暖制冷方式，地源热泵技术因此重新受到重视并迅速发展。与此同时，相关理论研究也在不断深入。1948年，Ingersoll等基于Kelvin线热源模型进行研究，假设岩土为温度均匀的介质，并将地埋管视为无限长恒定功率的热源。1986年，Couvillion和Hart利用该模型计算出了钻井周围岩土温度的数值解。
　　直至20世纪70年代，能源危机的爆发，让人们不得不重新重视能源的高效利用和环境保护。在此背景下，地源热泵技术因其显著的节能优势而受到广泛关注。北欧国家率先推进该技术的规模化应用——以瑞典为例，至20世纪70年代末，已建成上千套地源热泵系统。20世纪80年代初，美国及北美其他国家针对建筑冷热联供需求展开深入研究与实践，推动该技术逐步走向成熟。20世纪90年代后，全球范围内地源热泵工程应用规模迅速扩大。多国政府出台激励政策以推广该技术应用，如财政补贴、税收优惠等举措显著加速了市场普及进程。2007年以来，国际研究重点转向关键技术优化与创新：地下换热器结构改进，通过优化设计增大换热面积以提高换热量；新型回填材料研发，提升土壤与换热管间的传热效率；专用软件工具开发，针对地埋管传热特性进行精确模拟与系统设计优化。
　　1.2.1浅层地热能适宜性分区评价方法
　　针对评价方法，浅层地热能资源开发利用方式适宜性分区是一项复杂的系统工作，涉及众多因素，因素之间又相互关联和制约。浅层地热能适宜性分区评价的核心是通过多指标综合模型实现科学分区。主流方法有层次分析法（AHP），其通过专家经验构建指标权重体系，结合空间叠加技术划分适宜等级（如适宜区、较适宜区等）。为提升权重客观性，近年研究引入模糊AHP-粒子群优化模型，利用智能算法修正权重一致性，降低主观偏差；或采用熵权法基于数据本身信息熵确定权重，增强评价客观性。评价方法创新聚焦于动态权重优化与非线性处理。例如，变量权重理论通过反演模型动态调整指标权重，克服传统常权重模型对复杂地质条件的局限性，显著提升分区离散性和准确性。依据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225—2004）［11］，评价需区分地下水源热泵和土壤源热泵两种开发方式，综合工程地质、水文地质、经济等因素划分“适宜区/不适宜区”。评价面积需扣除不可利用区域（如建筑、道路），涉及农田时需专项生态评估。资源量计算仅针对适宜区，采用热流量法或热储法，并依赖原位热传导试验参数。
　　1.2.2大型地埋管阵列模拟方法和设计优化
　　地埋管换热器是地源热泵系统获取浅层地热能的关键部件，通常根据建筑物负荷来决
　　定地埋管换热器的管数规模，目前常见的铺设方式主要有水平式及垂直式。与水平式地