地源热泵技术在建筑节能中的应用研究

引言

地源热泵技术借助地下浅层地热资源的能量转换来达到对建筑物进行供暖和制冷的目的，它不但可以有效缩减建筑所消耗的能量，而且有益于削减温室气体的排放量，对于环境保护有着积极的意义，在当今全球气候变化与能源危机的大环境下，有关地源热泵技术的应用研究变得尤为关键。

一、系统设计优化与精准施工

（一）高效换热系统构建

垂直U 型或者同轴套管地埋管布局，用AI 算法优化埋管间距和深度，让换热效率达到最大，北科院研发的高导热聚乙烯管材，爆破压力提高百分之五十，导热系数比市场上更好，地下换热能力可以明显加强，施工前做土壤热物性测试，知道地层换热贡献率，确定高价值换热区域，钻孔垂直度偏差控制在百分之一以内，回填用膨润土加细砂混合浆料，保证换热连续性。

（二）负荷匹配与设备选型

按照建筑动态负荷特点来安排热泵机组，商业建筑主要关注白天的峰值负荷，住宅则重视晚上的稳定状况，滁州某住宅项目凭借变频离心式热泵机组，做到冬夏取排热平衡，系统的能效比达到 4.7，比传统空调节能60% ，用磁悬浮压缩机这类高效设备以后，在部分负荷的情况下能效可以提升 15%-20% 。

（三）施工质量管控

地埋管全程带压安装，下管后压力损失小于 0.05Mpa ，回填前需二次打压。水平管沟需铺 30CM 细砂，防止管道磨损。垂直埋管注浆从孔底自下而上，回填密实度 295% 。

二、多能互补与储能集成

（一）可再生能源协同供能

构建“地源热泵+太阳能+储能”复合系统，曲阜人民医院项目地源热泵承担主体负荷，太阳能供应生活热水，燃气锅炉充当应急补给，做到梯级用能，能源梯级利用，合肥滨湖科学城区域能源站综合运用地源热泵，冰蓄冷，天然气三联供，凭借 20000 立方米水蓄能罐和 12384 冷吨冰蓄冷体系，谷电利用率达到 60% 以上，供能成本低于0.2 元/kWh。

（二）余热回收与废热利用

工业建筑可集成热泵回收工艺废水余热，某电子厂用地源热泵提取35℃生产废水热量，满足 50% 办公区供暖需求。数据中心采用“地源热泵+自然冷源”，过渡季直接用土壤冷量，PUE 降到1.2 以下。

（三）储能系统优化配置

配置相变储能材料（石蜡-膨胀石墨复合相变材料），平抑负荷波动，夜间谷电时段电加热储能模块储热，日间高峰时段放热，降低电网负荷压力，合肥项目大管网蓄能+冰蓄冷，减少配电容量 70% 。

（四）智能化运维与故障预警

智能化技术的应用不仅仅体现在系统的设计当中，在地源热泵系统的运维管理里也发挥着重要作用，物联网、大数据分析以及人工智能等技术被集成起来之后，能够对系统运行情况实施即时检测，而且还可以预估并发出警报提醒有关方面注意潜在的故障，比如说，用AI 算法来分析系统以往的运行数据，建立起故障预测模型，这样就能在故障出现之前就采取应对措施，从而保证建筑供暖和制冷的效果不会受到影响。智能化运维系统会依据环境的变化情况和建筑负荷的需求，自动调节系统运行的状态，进而做到更为细致的能效管控。

三、建筑一体化与智慧管控

（一）建筑-地源热泵协同设计

地埋管换热器与建筑基础结合，地下车库底板埋管、桩基埋管等，节约用地 30% 以上。围护结构采用真空绝热板（VIP） +. 三层中空Low-E 玻璃，降低冷热负荷 25%-30% ，减少热泵装机容量。

（二）智能群控与能效优化

部署物联网(IoT)监测平台，实时收集土壤温度，机组运行参数等数据，通过机器学习算法，适时调节运转策略，祝融环境 AI-GSHP 系统做到“地下-地上”一体仿真，改进后的系统能耗缩减百分之五到百分之五十，COP值处于 4 到 5 之间，合肥项目选取动态分区供能策略，针对商业负荷和居住负荷的差别，分时段控制电器运行，把峰期耗电量削减十八个百分点。

（三）自供电与低功耗技术

北科院研发的摩擦纳米发电机给地埋管温度传感器供电，不用外接电源，减少维护费用，用LED 灯光源加上智能照明系统，再配合地源热泵供冷，做成“光储直柔”建筑。

四、政策驱动与环境适配

（一）政策支持与经济激励

依托《推动热泵行业高质量发展行动方案》争取中央预算内投资、地方专项债等支持，如合肥市对采用地源热泵的公建项目每平方米补贴 300元。享受企业所得税“三免三减半”、可再生能源电价附加资金补助。

（二）环境友好型技术应用

推广低 GWP 制冷剂（R290）,欧洲 ecoforest 公司推出 R290 地源热泵，GWP 值是传统制冷剂的 1/700。建立地温场监测系统，上海某项目利用FEFLOW 软件预测长期热影响，采取“冬灌夏取”平衡策略，土壤温度波动控制在±2℃。

（三）全生命周期管理

建立碳足迹评估模型，北科院开发的平台可以对系统全生命周期碳排放进行量化，指导低碳路径选择。对于运行年限超过10 年的老旧系统进行升级改造，更换高效压缩机和智能控制模块，能效提升 15%-20% 。

五、分场景差异化应用

（一）住宅建筑

采用户式地源热泵系统 +. 地板辐射供暖，室内温度波动≤1℃，配备小型水蓄能罐（500L）满足家庭热水需求，年运行费用比燃气壁挂炉低 40% 。

（二）公共建筑

医院、机场等高大空间建筑采用“地源热泵+置换新风”系统，新风量30m³/(人·h)，CO2 浓度≤1000ppm，曲阜人民医院项目采用智能变流量控制，地源侧全年吸排热平衡，医疗环境稳定。

（三）工业建筑

食品加工车间用高温地源热泵（出水 70^∘C ）代替燃煤锅炉做巴氏杀菌。 某汽车厂用地源热泵回收喷涂车间废热，满足 30% 厂房供暖需求，年减排 CO₂2000 吨。

六、技术创新与未来方向

（一）核心技术突破

研发大功率高温热泵（出水温度 ≥80^∘C ），北科院已设计完成中深层全井下换热系统，可直接提取 120 米以下地热能，推广磁悬浮压缩机和超临界 CO₂循环，COP 值提高到 5.5 以上。

（二）数字化与智能化升级

开发数字孪生平台，模拟不同工况的系统运行，预先判断故障并改进保养计划，把 5G 同边缘运算结合起来，达成地源热泵系统同电网的 V2G互动，参加需求反应来得到利益。

（三）跨学科协同创新

与材料科学相结合，开发石墨烯改性导热复合材料，换热系数提高30% ；与土木工程相结合，开展“地源热泵-建筑结构-城市管网”多场耦合研究，推进城市级浅层地热能综合应用。

（四）标准化与模块化设计

为了让更多地方使用地源热泵技术，标准化和模块化设计成了一个重要趋势，制定统一的设计规范和接口标准之后，就能快速把地源热泵系统装起来，减少施工的复杂度和费用，模块化设计也方便系统维护和升级，让系统更灵活，更容易扩展，像开发出一些标准化的地埋管换热器模块，热泵机组模块和智能控制模块，用户就可以按照自己的需要来拼接，做到个性化定制。

结语

综合上述,地源热泵技术在建筑节能领域已取得了明显的成果与潜力,能在系统设计,多能组合,建筑一体化设计,政策引导以及技术创新等方面做到优化,持续地提升建筑的整体能效水平,增强可再生能源的利用率,并且有益于环境维护工作;随着技术不断向前发展并逐步被应用得更加广泛地,地源热泵技术会在许多方面和地区上发挥重要的作用来打造更加环保绿色节能舒适的建筑物环境.同时我们也期盼着能够有更多的业内专业人士参与到地源热泵技术相关研究与应用当中去，一起促进其不断发展进步。

参考文献

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