[01098717]能量桩地源热泵技术集成系统的研究及推广应用

该项目属于新能源与建筑节能领域。针对传统地埋管地源热泵技术打井钻孔费用高、占地面积大、不利于在建筑密集的城市推广等难题，在国内提出并深入研究能量桩地源热泵技术。针对不同地区冷热需求不平衡的客观存在，研发了谷电辅助蓄冷蓄热、地埋管及冷却塔复合系统，开发了系统远程监控平台关键技术，建立了能量桩地源热泵系统示范工程，形成了高效节能的能量桩地源热泵集成系统。该项目在能量桩地源热泵理论研究方面取得了重大的创新，经鉴定该技术已达国际先进水平，为地源热泵系统推广应用开辟更广阔空间，促进建筑节能减排的进一步贯彻落实。采用理论研究、实验室试验与工程实践相结合的技术路线，系统深入地研究能量桩地源热泵系统，针对现有桩埋管管路内集气以及桩内管路长度受限等问题，首次提出螺旋型埋管方式，并研发桩基螺旋埋管换热器，该成果已获得国家发明专利。桩基螺旋管换热器可可充分利用建筑物本身的面积，在地下换热器施工方面可节省40%-70%的钻孔费用，同时比钻孔埋管的换热效率提高约40%。在国际上首次提出螺旋埋管的三维非稳态传热模型，建立了能量桩埋管换热器的系列热源模型，包括纯导热和渗流模型、无限长和有限长热源模型，并针对线热源、实心圆柱面热源、线圈热源和螺旋线热源的传热问题求得了相应的解析解。该理论成果从未见之于任何数学或工程技术专著，有较高的学术和工程应用价值，研究成果已在多个国外有影响的学术刊物发表论文，并出版英文专著。基于建立的能量桩传热模型和解析解，研究分析了能量桩地源热泵系统运行时桩基及周围岩土中的温度响应；建立了螺旋埋管桩基换热器的设计和校核计算方法，研究并开发具有自主知识产权的能量桩地埋管换热器系统专业计算软件PileGHE，满足工程设计和系统模拟的需要。该成果已获得国家软件著作权。首次对能量桩的力学性能进行了实验和理论研究，对桩基螺旋式埋管换热器建立了试验台，对桩基螺旋埋管换热器的传热性能和单桩竖向承载力进行了实验研究，得到了能量桩设计和施工的技术指导原则。同时在青岛和济南两地分别建立了能量桩地源热泵系统示范项目，取得桩基埋管地源热泵系统设计施工的实际经验，对该技术的进一步工程推广具有指导意义。该研究已获2项国内发明专利授权，3项实用新型专利，1项软件著作权，撰写英文专著1部，发表论文二十余篇，其中SCI收录5篇。初步统计，近三年该项目产生的经济效益2.9亿元，折合节约标准燃煤1.6万吨，减少二氧化碳排放4.2万吨。该项目成果解决了制约地源热泵空调系统在建筑容积率大的场合推广应用的主要障碍，扩大了浅层地热能建筑供热的应用领域，降低了地源热泵技术的初投资费用，促进了机械、塑料和地质勘察等相关行业的发展，形成的技术体系将在北方建筑，尤其是该省乃至全国建筑密集地区建筑的供热制冷中发挥更大作用，具有显著的市场推广价值与社会经济效益，为建筑节能减排事业的发展和浅层地热能利用技术的进步和推广应用做出重大贡献。