科创中国

研发团队开展了大型土壤源热泵系统高效供能与安全运行关键技术攻关研究，本技术成果主要涵盖两方面内容：

1）目前大型土壤源热泵独立供能系统地下能量热堆积问题突出，影响地源热泵长期安全稳定运行。项目组构建了大型土壤源热泵系统地埋换热器管群模型与求解方法，并结合大量工程应用数据，详细分析了大型土壤源热泵系统地下能量堆积效应与地温变化特性，发现了独立供能系统实际运行中运行时间特征及平稳性特征等负荷不平衡度问题，并针对性地提出了地下源头能量补偿技术及工艺实现方法，彻底解决了目前大型土壤源热泵供能系统地下能量热堆积效应突出问题。

2）针对大型土壤源热泵独立供能系统地下换热器管群布置不合理、管路水力失调严重等问题，在地埋换热器管群模型与求解方法理论研究基础上，开展了大型地埋换热器管群布管分析、垂直地埋管系统水力优化目标研究、地埋管系统中分集水器的配管研究、基于场地有限条件下的布管优化研究及地埋换热器流速对管群水力自平衡影响研究等工作，综合形成了大型地埋换热器管群优化及水力自平衡设计技术。

该技术成果为土壤源热泵设计及安全高效运行提供必要的技术方式及运行策略，保障了大型地源热泵系统长期安全稳定运行。目前该项成果已在龙信广场、朗诗街区、杭州金茂府、桂林华御公馆、海门云起苑等几十余项大型土壤源热泵独立供能项目中进行了成功应用。

长期以来，国外发达国家一直致力于浅层低温热能建筑高效利用等方面的研究，取得了一定成绩。相比国外，我国在该领域的研究起步较晚，但发展速度较快，尤其从“十一五”以来，国家持续加大对可再生能源领域的科研投入，取得了一定进展。但是针对低温热能资源化安全稳定利用的工况条件、规模化建筑高效利用技术模式等亦缺乏深入系统的研究，部分理论方法、关键技术、标准规范和配套产品装备缺失，很多实践均停留在直观应用状态，不少项目出现了“水土不服”的现象，在一定程度上阻碍了该技术在我国的规模化应用和快速化发展。鉴于此，项目团队针对大型土壤源热泵室外取放热系统因冷热负荷不平衡导致的地下能量堆积和水力失调问题，本着低碳高效供能与安全稳定运行的基本原则，展开技术攻关：

（1）发明了大型土壤源热泵系统地埋换热器管群模型与求解方法

以传热学基本知识、能量守恒定律、脉冲以及叠加理论等为理论依据，构建钻孔内和钻孔外三维模型并求解，建立了管群变热流密度长期运行模型数学模型，应用虚拟热源法处理土壤边界条件，进行长期运行工况求解计算，并提出了土壤代表平面与土壤累积代表温度，该指标比平均土壤温度更能有效和直接反应土壤温度对地埋管能效的影响。该方法大幅度提高了地埋换热器管群热堆积效应模拟计算精度和效率，模拟计算误差可控制在10%以内，模拟计算效率相比常规方法提升20%以上。

（2）提出了源头能量补偿优化设计关键技术

源头能量补偿技术主要涵盖机组冷凝热回收补偿技术、辅助冷却塔散热平衡技术、地埋换热器间歇时间运行技术及地埋换热器分区运行技术等四种技术形式。该技术是对传统地下能量补偿技术的显著改进,大幅度的缓解了地下能量堆积效应，保障了地源热泵长期安全稳定运行。

（3）形成了大型地埋换热器管群优化及水力自平衡设计关键技术

通过地埋换热器管群优化及水力自平衡设计技术，结合管路水力平衡计算优化技术，实现地埋换热器管水力平衡失调率控制在10%以内，大大降低了土壤源热泵系统地埋管水量平衡调试难度。

本项目大型土壤源热泵系统地埋换热器管群模型的建立与求解方法的提出，大幅度提高了地埋换热器管群热堆积效应模拟计算精度和效率，该项研究成果同时在土壤侧能量补偿优化技术、大型地埋换热器管群优化技术等多项技术开发中得到了应用。

该技术成果技术可以广泛应用于土壤源热泵系统优化设计，提高设计咨询水平以及可再生能源应用比例，为全面丰富浅层低温热能建筑高效利用领域内的产业结构优化升级和实现行业技术跨越起到积极促进作用，为浅层低温热能建筑高效利用关键技术及规模化应用提供了有力的科学支撑和理论实践。

本项目显著提升了我国浅层低温热能建筑高效利用水平，研究成果完全符合国家“双碳”及可持续经济发展战略，具有广阔的推广应用前景。

本项目研究团队由中国建筑技术集团有限公司、中国建筑科学研究院有限公司、哈尔滨工业大学、重庆大学、同方人工环境有限公司多家科研院所、高校及高新企业核心研发人员组成，一直致力于可再生能源技术开发应用，团队承担了国家自然科学基金课题“建筑复合能源品位互补与协同调控机制研究”、住建部科技计划项目“建筑复合能源系统集成优化设计成套应用技术研究”、国家重点研发计划：既有公共建筑机电系统高效供能与能效提升改造关键技术体系研究、科学基金面上项目：地表水热能资源化对水体环境的影响与对策研究及水源热泵利用对地表水体热污染评价及对策研究等相关课题，在可再生能源高效供能领域有丰富的科研积累和设计实践经验。

团队成员主编参编了北京市地方标准《建筑新能源设计规范》（DB11/T1774-2020）、国家标准《水源热泵机组》（GB/T19409-2003）、专业图集《污水源热泵系统设计与安装》（12K512 12R116）及地方标准《地表水水源热泵系统设计标准》（DBJ50-115-2010）等，取得相关发明专利及实用新型专利24项。

近几年团队设计完成了上百项可再生能源应用工程，部分项目取得了国家三星级绿色建筑标识、德国被动房PHI认证和德国DGNB铂金级认证等，获得了多项北京市优秀工程勘察设计奖、全国绿色建筑创新奖等奖项。承担了20多个可再生能源建筑规模化应用示范城市技术支撑工作，为可再生能源的应用推广做出了突出贡献。

1、团队负责人狄彦强，博士，教授级高级工程师，国家注册公用设备工程师。现任中国建筑技术集团有限公司副总裁、副总工程师，他作为项目负责人首次提出土壤累积代表温度的概念，构建了系统适宜性评价方法；牵头研发了大型土壤源能量补偿、换热器管群优化及水力自平衡设计技术；主持了300万平米以上可再生能源设计应用项目。

2、团队核心成员丁勇，博士、博士后，教授、博士生导师，现任重庆大学土木工程学院教授，重庆大学绿色建筑与建筑节能创新团队负责人。主持了多项国家重点研发计划课题、子课题，主要研究方向为可再生能源建筑应用。

3、团队其他成员张志杰、狄海燕、刘寿松等人，在可再生能源应用规划、设计、调试验收及能效测评等方面都具备丰富实践经验，完成了几十项可再生能源规模化应用及专项设计项目。

项目团队提出的大型土壤源热泵系统能量平衡优化新方法、新技术，在大型甲级设计院进行成果推广，并将研发成果广泛应用于工程设计实践和示范工程建设中，工程应用面积达550万平方米，近三年创造的直接经济效益超过3.5亿人民币。

项目成果助力建筑领域“双碳”目标实现，有力地支撑重大工程建设。项目成果先后在朗诗国际街区项目、内蒙古自治区农牧业科学院、海门龙信广场、中技天峰云起苑等大型公共建筑及民用建筑中得到应用。其中，海门市云起苑等项目获得了北京市优秀工程勘察设计奖，天津北辰核心区1#综合能源站项目获得了中国优秀工程勘察设计奖;内蒙古自治区农牧业科学院研究生楼、南宁裕丰·英伦住宅小区等项目获得了全国绿色建筑创新奖;京杭运河枢纽港扩容提升工程,成为了国内首个三星级绿色建筑标识和德国DGNB铂金级双认证的工程。

作为乌兰察布、牡丹江、桂林、天津、重庆等多地可再生能源建筑规模化应用示范城市技术支撑单位，完成了可再生能源建筑规模化应用示范城市申报、项目实施、指南导则及政策文件编制，并参与了后期示范城市的测评验收工作，指导完成可再生能源项目设计项目300余个，合计面积超过1000万平米，极大的推动了可再生能源在全国范围内规模化应用推广。

项目成果有力地提升行业科技创新能力，服务行业高质量发展。项目组研发的相关软件及数据库工具在中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司、四川省建筑科学研究院有限公司、北京清华同衡规划设计研究院有限公司等单位进行推广应用，促进国内软件平台的发展，有助于打破国外技术垄断。在项目成果的激励下，还孵化一批科技研发项目，如“双碳目标下的天津中新生态城可再生能源专项规划研究”、“北京城市副中心高质量绿色建筑发展专项规划”等，带动可再生能源建筑规模化应用工作深入发展。

本项目成果以技术合作的方式转让，希望与国内各大设计院、高校、研究院所及相关设备厂家进行深度合作、实现共赢。成果主要转化方向在大型土壤源热泵高效供能系统应用方面，希望能与合作单位能共同推进技术成果优化、改进，更好的推动可再生能源建筑规模化应用在我国的发展，为“双碳”目标实现贡献一份力量。