郭厉芳

太原理工大学电气与动力工程学院

摘要(Abstract)：

竖直地埋管地源热泵依靠浅层岩土完成跨季节热量存取，年度冷热负荷失衡引发地下岩土逐年热量累积或亏缺，造成地温单向漂移、埋管换热能力持续衰减，是制约系统二十年以上长期可持续运行的核心瓶颈。现有工程设计多仅依靠年度冷热负荷比值做粗略校核，缺少能够表征岩土自恢复能力的热平衡临界条件理论体系，可持续运行判定指标缺少分层量化标准，难以预判严寒、夏热冬冷地区长期地温漂移幅度与机组性能衰减趋势。本文首先界定地源热泵系统年度累计冷热负荷热平衡的标准化定义，揭示长期热失衡的传热物理本质，阐释系统维持岩土温度场自恢复能力的冷热负荷不平衡率临界条件理论内涵；分层剖析岩土导热系数、热扩散率、体积比热容三类热物性，地埋管间距与阵列布置形式，系统连续/间歇运行模式及停机恢复期时长三大类核心变量对热积累速率、临界不平衡阈值的调控作用，梳理临界不平衡率典型数值区间；构建分层式可持续运行判据体系，以地温年变化幅度、季节末地温恢复率为基础判定指标，建立匹配不同运行年限、地质条件的工程简化判定准则，给出现场监测与数值模拟两类落地应用路径。研究表明：岩土热扩散能力越强、埋管间距越大、年度间歇恢复期占比越高，系统允许的冷热负荷不平衡临界阈值越大；当年度冷热负荷不平衡率超出临界区间，地下热量单向累积效应不可逆，地温持续漂移将使热泵年均COP逐年下滑3%~8%；工程层面可通过地温年漂移幅度不大于1K、季节末地温恢复率不低于90%两条核心指标判定系统可持续性，冷热负荷不平衡率控制在0.8~1.25国家标准区间仅为基础约束，无法替代地温动态恢复特性作为长期运行判据。本文建立的临界条件理论框架与分层可持续判据，可为严寒、夏热冬冷地区地埋管换热器精细化设计、复合式辅助冷热设备配置、长期运行监测运维规范提供完整热力学与工程判定依据。

关键词(KeyWords)：地源热泵；地埋管；长期热平衡；热失衡；临界不平衡率；地温恢复；可持续判据；岩土热物性

参考文献(References)：