新能源技術(shù)在建筑設(shè)計中的實踐探析

付占一

摘要： 針對傳統(tǒng)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(tǒng)及一種以鞍山市鐵尾礦、低鈣灰煤灰為主加入納質(zhì)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(guī)的熱源塔熱泵系統(tǒng)。詳細(xì)敘述了中深層地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理、傳熱的過程和系統(tǒng)模型構(gòu)建。根據(jù)實驗結(jié)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(tǒng)回填技術(shù)提升了導(dǎo)熱系數(shù)為20%，回填密度為1.9～2.2 g/cm3，制熱量和COP 隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，隨冷凝溫度的升高而降低。

關(guān)鍵詞： 地源熱泵 新能源技術(shù) 中深層地?zé)?建筑設(shè)計

中圖分類號： TU833 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)綠色低碳發(fā)展迫切需求的自然能熱泵系統(tǒng)（Nature Energy Heat Pump System，NEHPS），該系統(tǒng)是國際可再生能源協(xié)會（InternationalRenewable Energy e.V.）聯(lián)合協(xié)作科研機(jī)構(gòu)、高校及會員單位共同研發(fā)的一種新型熱泵系統(tǒng)。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(xié)會為命名詮釋一種新型的環(huán)保節(jié)能熱泵系統(tǒng)，將其統(tǒng)一定義為“自然能”。隨著目前對建筑供暖能耗容量持續(xù)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(tǒng)原理

地球內(nèi)部普遍存在“梯度增溫”現(xiàn)象，平均每百米深度升溫3 ℃，中深層即地下2～3 km 處巖石地?zé)徇_(dá)60～120 ℃，屬于高溫位、清潔、可再生能源，應(yīng)充分開發(fā)利用。采用深井套管技術(shù)，提取其中高溫?zé)崮?，輔以地面高效熱泵系統(tǒng)，為建筑供暖。中深層地?zé)釤o干擾供暖系統(tǒng)是一種清潔低碳、安全高效的新型供熱技術(shù)［1］。以中深層巖土體中層地?zé)崮転闊嵩?，通過鉆機(jī)向地下巖土體鉆孔，建造鉆深2～3 km、井底溫度60～120 ℃的地?zé)峋?。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(zhì)在井內(nèi)閉式循環(huán)無干擾地將地?zé)崮軐?dǎo)出，最后通過高效熱泵機(jī)組和輸配系統(tǒng)實現(xiàn)為建筑末端供暖的目標(biāo)［2］。

2 技術(shù)創(chuàng)新

2.1 井下?lián)Q熱系統(tǒng)

利用深井技術(shù)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(xiàn)巖層地下深處熱能通過地面熱泵機(jī)組及輸送系統(tǒng)向建筑物供暖［3］。其中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)有以下幾個方面。

（1）需要將表層套管與生產(chǎn)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(xiàn)泥漿導(dǎo)致套管出現(xiàn)滑動的情況，及時解除卡鉆風(fēng)險。

（2）為了增強(qiáng)井下?lián)Q熱系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)，在地溫90 ℃以上安裝無規(guī)共聚中心管，90～130 ℃區(qū)間安裝纖維復(fù)合中心管，主要采用的無規(guī)共聚中心管及纖維復(fù)合中心管，這兩種管材強(qiáng)度、韌性、抗壓能力均高于常規(guī)管材，提升井下?lián)Q熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 直供系統(tǒng)

嚴(yán)寒期開啟復(fù)合式供熱系統(tǒng)，中深層地?zé)嶂惫┫到y(tǒng)承擔(dān)約30%～40% 的供熱負(fù)荷，該系統(tǒng)在一定程度上直接有效地降低供熱運(yùn)行成本，提高供暖季系統(tǒng)COP 值［4］。通過增加鉆井深度到2 800～3 000 m，開發(fā)使用更高熱品位熱源，通過輸配系統(tǒng)調(diào)節(jié)，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(huán)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(tǒng)峰谷調(diào)配方式如圖1 所示。

2.3 深淺層地?zé)嵩唇Y(jié)合技術(shù)

將中深層與淺層地埋管結(jié)合布井，在供暖季全部用來取熱；供暖季結(jié)束后，利用中深層地?zé)崾褂玫凸入姙榈芈窆苓M(jìn)行補(bǔ)熱，而且僅使用循環(huán)泵，無須熱泵開啟，將地埋管作為中深層地?zé)岬男顭岢?，有效減少了能源的消耗，提升地?zé)嵩礋岜霉岬膿Q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?zé)嵩礋岜脽o干擾系統(tǒng)中，應(yīng)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(zhì)膨潤土等，將其進(jìn)行晾曬至原材料含水量不大于10%，分別將合格的原材料進(jìn)行攪拌均勻之后，添加粉狀的聚羧酸緩凝劑進(jìn)行二次攪拌后，將攪拌后的固體送入球磨機(jī)進(jìn)行均化破碎，破碎顆粒呈0.074～0.4 mm 顆粒狀。將粉碎細(xì)化之后的顆粒送入顆粒機(jī)制成1 mm 的球形顆粒之后將其送入烘干機(jī)進(jìn)行烘干，制成完全脫水的成品。

2.4.2 回填技術(shù)

將制成的成品運(yùn)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(xiàn)場取回的泥漿以質(zhì)量比1∶1 的比例進(jìn)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(yīng)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(qiáng)度的水泥強(qiáng)度和混凝土孔柱，可以有效提升熱泵換熱率［5］。

2.4.3 技術(shù)優(yōu)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(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)是最接近土壤環(huán)境的，有利于維持低地溫［6］。該材料進(jìn)行拌和之后既能夠很好地保持回填孔和結(jié)合部位的水分，又不會像傳統(tǒng)回填材料那樣快速變化而形成空隙，導(dǎo)致產(chǎn)生空谷鼓包的現(xiàn)象，為后期施工節(jié)省了大量的人力、物力。

3 研究方法

對該系統(tǒng)的供暖效果進(jìn)行實驗檢測，測試該系統(tǒng)在建筑室內(nèi)供暖的效果，并且計算出地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的制熱量、吸熱量、制熱性能系數(shù)COP 及系統(tǒng)制熱效能比COPsys，根據(jù)公式（1）計算出地?zé)嵩礋岜脵C(jī)組制熱量Qw：

式（1）中，Qw 為地?zé)嵩礋岜脵C(jī)組系統(tǒng)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?yán)渌蜔釁R的循環(huán)水流量，單位為m3/h；Ddw為該供暖系統(tǒng)回暖熱差，單位為℃。

地?zé)嵩礋岜脵C(jī)組系統(tǒng)的吸熱量可以通過公式（2）進(jìn)行計算：

式（2）中，Q'w 為地?zé)嵩礋岜脵C(jī)組系統(tǒng)的吸熱量，單位為kW；V'為測試地?zé)峋饫渌蜔崴难h(huán)管道水流量，單位為m3/h；Dt'w為該供暖系統(tǒng)的回暖熱差，單位為℃；公式內(nèi)其他參數(shù)的意義同式（1）。

地?zé)嵩礋岜脵C(jī)組系統(tǒng)的制熱性能系統(tǒng)數(shù)COP 通過公式（3）進(jìn)行計算：

式（3）中，COP 為地?zé)嵩礋岜脵C(jī)系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)；Qi 為地?zé)嵩礋岜脵C(jī)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?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的制熱能效比COPsys：

式（4）中，COPsys 表示的是地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的制熱能效比；Pi 表示系統(tǒng)中熱泵系統(tǒng)的實時功率，單位為kW；其他參數(shù)含義同式（3）。

4 實施效果

以我國首個中深層地?zé)釤o干擾供熱項目《長安信息大廈項目》為例，該項目從2013 年運(yùn)行至今，供暖面積為3.78 萬 m2，供暖季單孔累積取熱量穩(wěn)定，熱源水溫也基本穩(wěn)定，出水溫度僅降低0.7 ℃。該供暖系統(tǒng)在所在項目區(qū)域內(nèi)開鑿的地?zé)峋┡Ч瓦\(yùn)行效果良好，根據(jù)2021 年該長安信息大廈的供暖數(shù)據(jù)顯示，在兩個供暖季（包括在極寒情況下）辦公室的溫度均達(dá)到23 ℃以上，而公共區(qū)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(xiàn)了新能源技術(shù)在建筑供熱設(shè)計中良好的運(yùn)行效果。

5 結(jié)語

綜上所述，文章針對當(dāng)前社會快速發(fā)展，人們的環(huán)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(tǒng)的發(fā)展和變革也提出了更新的要求。文章設(shè)計的中深層地?zé)釤o干擾供暖系統(tǒng)在一定程度上解決了其他清潔能源在運(yùn)行中不穩(wěn)定，受環(huán)境影響大等不足之處。利用深層地?zé)峤Y(jié)合淺層地?zé)岬募夹g(shù)，調(diào)節(jié)中深層鉆井成本較高和淺層平衡調(diào)節(jié)難度大的問題，利用中深層與淺層地埋管結(jié)合布井的技術(shù)，在供暖季取熱。在供暖季結(jié)束后，利用中深層地?zé)崾褂玫凸入娢宦窆苓M(jìn)行補(bǔ)熱，并且使用循環(huán)泵，不需要開啟熱泵，可直接將地埋管作為中深層地?zé)岬男顭岢亍?/p>

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