新能源技術在建筑設計中的實踐探析

付占一

摘要： 針對傳統地源熱泵地下豎直換熱器與地層之間回填材料對能源的成本消耗高的問題，采用多模式的再生能源系統及一種以鞍山市鐵尾礦、低鈣灰煤灰為主加入納質膨潤土和聚羧酸緩凝劑制成的地源熱泵豎直地藕管高效回填換熱劑，改善常規的熱源塔熱泵系統。詳細敘述了中深層地源熱泵系統設計方案和工作原理、傳熱的過程和系統模型構建。根據實驗結果，該地源熱泵豎直的藕管高效回填換熱劑能夠大幅提升換熱率，相較傳統回填技術提升了導熱系數為20%，回填密度為1.9～2.2 g/cm3，制熱量和COP 隨著蒸發溫度的升高而升高，隨冷凝溫度的升高而降低。

關鍵詞： 地源熱泵 新能源技術 中深層地熱 建筑設計

中圖分類號： TU833 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0152-03

隨著人們生活水平日漸提升，對建筑的舒適性要求也越來越高，提出了一種實現綠色低碳發展迫切需求的自然能熱泵系統（Nature Energy Heat Pump System，NEHPS），該系統是國際可再生能源協會（InternationalRenewable Energy e.V.）聯合協作科研機構、高校及會員單位共同研發的一種新型熱泵系統。主要的能量來源為太陽能、空氣能與淺層土壤能，這三種能源都是大自然中的清潔可再生能源。國際可再生能源協會為命名詮釋一種新型的環保節能熱泵系統，將其統一定義為“自然能”。隨著目前對建筑供暖能耗容量持續快速增長：全球約10% 的能源消耗用于各類建筑物的冬季供暖，迫切需要使用清潔可再生能源高效供熱。

1 系統原理

地球內部普遍存在“梯度增溫”現象，平均每百米深度升溫3 ℃，中深層即地下2～3 km 處巖石地熱達60～120 ℃，屬于高溫位、清潔、可再生能源，應充分開發利用。采用深井套管技術，提取其中高溫熱能，輔以地面高效熱泵系統，為建筑供暖。中深層地熱無干擾供暖系統是一種清潔低碳、安全高效的新型供熱技術［1］。以中深層巖土體中層地熱能為熱源，通過鉆機向地下巖土體鉆孔，建造鉆深2～3 km、井底溫度60～120 ℃的地熱井。在鉆孔中以埋管形式為同軸套管式安裝一種密閉的金屬套管換熱器，利用換熱介質在井內閉式循環無干擾地將地熱能導出，最后通過高效熱泵機組和輸配系統實現為建筑末端供暖的目標［2］。

2 技術創新

2.1 井下換熱系統

利用深井技術向地下2～3 km 深處巖層鉆孔，在鉆孔中安裝封閉的金屬套管換熱器，實現巖層地下深處熱能通過地面熱泵機組及輸送系統向建筑物供暖［3］。其中需要注意的技術要點有以下幾個方面。

（1）需要將表層套管與生產套管采用微臺階懸掛器連接。在套管底部安裝定壓滑套，避免地下金屬換熱器出現泥漿導致套管出現滑動的情況，及時解除卡鉆風險。

（2）為了增強井下換熱系統導熱系數，在地溫90 ℃以上安裝無規共聚中心管，90～130 ℃區間安裝纖維復合中心管，主要采用的無規共聚中心管及纖維復合中心管，這兩種管材強度、韌性、抗壓能力均高于常規管材，提升井下換熱系統的導熱系數。

2.2 直供系統

嚴寒期開啟復合式供熱系統，中深層地熱直供系統承擔約30%～40% 的供熱負荷，該系統在一定程度上直接有效地降低供熱運行成本，提高供暖季系統COP 值［4］。通過增加鉆井深度到2 800～3 000 m，開發使用更高熱品位熱源，通過輸配系統調節，在供熱初期（11 月初到12 月初）和供熱末期（2 月底到3 月中旬）利用循環泵傳輸高品位熱源直供，可以有效降低能源的損耗。該直供系統峰谷調配方式如圖1 所示。

2.3 深淺層地熱源結合技術

將中深層與淺層地埋管結合布井，在供暖季全部用來取熱；供暖季結束后，利用中深層地熱使用低谷電為地埋管進行補熱，而且僅使用循環泵，無須熱泵開啟，將地埋管作為中深層地熱的蓄熱池，有效減少了能源的消耗，提升地熱源熱泵供熱的換熱效果。

2.4 地源熱泵豎直地藕管高效回填換熱劑

2.4.1 制作方法

在中深層地熱源熱泵無干擾系統中，應用了一種地源熱泵豎直地藕管高效回填換熱劑，其原料為鐵尾礦、粉煤灰、納質膨潤土等，將其進行晾曬至原材料含水量不大于10%，分別將合格的原材料進行攪拌均勻之后，添加粉狀的聚羧酸緩凝劑進行二次攪拌后，將攪拌后的固體送入球磨機進行均化破碎，破碎顆粒呈0.074～0.4 mm 顆粒狀。將粉碎細化之后的顆粒送入顆粒機制成1 mm 的球形顆粒之后將其送入烘干機進行烘干，制成完全脫水的成品。

2.4.2 回填技術

將制成的成品運用在沙土孔回填中時，將地源熱泵豎直地藕管高效回填換熱劑與施工現場取回的泥漿以質量比1∶1 的比例進行混合后配置回填漿，采用注漿回填或是沉積回填的方法一次性注滿孔徑。將該種方法應用于中深層地源熱泵中，在水泥活性成分的催化下凝固成低強度的水泥強度和混凝土孔柱，可以有效提升熱泵換熱率［5］。

2.4.3 技術優勢

按照特殊比例拌和而成的回填材料不會快速吸水膨脹，進一步保障了回填后的效果，而吸水膨脹后的黏度、密度以及導熱系數是最接近土壤環境的，有利于維持低地溫［6］。該材料進行拌和之后既能夠很好地保持回填孔和結合部位的水分，又不會像傳統回填材料那樣快速變化而形成空隙，導致產生空谷鼓包的現象，為后期施工節省了大量的人力、物力。

3 研究方法

對該系統的供暖效果進行實驗檢測，測試該系統在建筑室內供暖的效果，并且計算出地熱源熱泵系統的制熱量、吸熱量、制熱性能系數COP 及系統制熱效能比COPsys，根據公式（1）計算出地熱源熱泵機組制熱量Qw：

式（1）中，Qw 為地熱源熱泵機組系統的制熱量，單位為kW；ρ為土壤密度，單位為kg/m3；op為泥土比熱容，單位為kJ/（kg ×K）；V 為測試冷水和熱匯的循環水流量，單位為m3/h；Ddw為該供暖系統回暖熱差，單位為℃。

地熱源熱泵機組系統的吸熱量可以通過公式（2）進行計算：

式（2）中，Q'w 為地熱源熱泵機組系統的吸熱量，單位為kW；V'為測試地熱井外冷水和熱水的循環管道水流量，單位為m3/h；Dt'w為該供暖系統的回暖熱差，單位為℃；公式內其他參數的意義同式（1）。

地熱源熱泵機組系統的制熱性能系統數COP 通過公式（3）進行計算：

式（3）中，COP 為地熱源熱泵機系統的制熱性能系數；Qi 為地熱源熱泵機組的制熱量，單位為kW；Prb 為污水源熱泵的瞬時功率，單位為kW。

最后，通過公式（4）計算出地熱源熱泵系統的制熱能效比COPsys：

式（4）中，COPsys 表示的是地熱源熱泵系統的制熱能效比；Pi 表示系統中熱泵系統的實時功率，單位為kW；其他參數含義同式（3）。

4 實施效果

以我國首個中深層地熱無干擾供熱項目《長安信息大廈項目》為例，該項目從2013 年運行至今，供暖面積為3.78 萬 m2，供暖季單孔累積取熱量穩定，熱源水溫也基本穩定，出水溫度僅降低0.7 ℃。該供暖系統在所在項目區域內開鑿的地熱井供暖效果和運行效果良好，根據2021 年該長安信息大廈的供暖數據顯示，在兩個供暖季（包括在極寒情況下）辦公室的溫度均達到23 ℃以上，而公共區域的過道和走廊、大堂等空間的溫度均保持在20 ℃以上（如表1 所示），實現了新能源技術在建筑供熱設計中良好的運行效果。

5 結語

綜上所述，文章針對當前社會快速發展，人們的環保意識和對生活水平的提升要求越來越高，隨之而來對供暖系統的發展和變革也提出了更新的要求。文章設計的中深層地熱無干擾供暖系統在一定程度上解決了其他清潔能源在運行中不穩定，受環境影響大等不足之處。利用深層地熱結合淺層地熱的技術，調節中深層鉆井成本較高和淺層平衡調節難度大的問題，利用中深層與淺層地埋管結合布井的技術，在供暖季取熱。在供暖季結束后，利用中深層地熱使用低谷電位埋管進行補熱，并且使用循環泵，不需要開啟熱泵，可直接將地埋管作為中深層地熱的蓄熱池。

參考文獻

[1] 閆冬梅，沈魯光，李東旭，等. 超低溫自然能熱泵供暖系統運行性能研究[J]. 山東工業技術， 2023（3）：121-127.

[2] 黨鵬飛，馬國遠，許樹學. 新型帶自然對流散熱末端的熱泵系統性能分析[J]. 制冷與空調（四川），2022，36（2）：196-202.

[3] 孫洪鵬，張廣智，李曉萍，等. 新疆地區太陽能熱水系統輔助熱源選型及效益研究[J]. 建筑節能（中英文），2021，49（4）：107-110，129.

[4] 何海亮，陳曉春，潘云鋼，等. 中國建筑設計研究院創新科研示范樓暖通空調設計新技術應用[J]. 暖通空調，2018，48（10）：34-37.

[5] 景源，楊杰，姚娜. 多能互補分布式能源系統在數據中心的應用[J]. 煤氣與熱力，2021，41（9）：20-24，42-43.

[6] 馬一太，劉忠彥，李敏霞，等. 以自然度和完善度為基準的制冷和熱泵系統環境性能評價探討[J]. 制冷學報，2012，33（5）：1-4.