项目案例简介：
本项目以北方工业大学李建林教授团队牵头，联合国家电投集团科学技术研究院有限公司、北京联智汇能科技有限公司、辽宁工程技术大学开展研究，以长春现代物流大厦项目为案例，探讨了中深层与浅层地埋管地源热泵系统在严寒区域的联合应用。长春现代物流大厦项目建筑冷热负荷分别为2310 万kWh和756 万kWh。长春冬季气候寒冷，供暖时间较长169天，仅采用浅层地源热泵系统无法实现长期的冷热平衡，长此以往将大大降低系统效率。项目中配置了中深层和浅层地源热泵系统，通过结合数值模拟及现场测试，验证了中深层/浅层联合地埋管的优化控制策略。本研究通过将中深层地源热泵热水跨季节反补给浅层地源热泵地埋管岩土体，探索解决地源热泵“冷热不平衡”问题的有效方式，初步预测该系统综合COP可接近4，可以减排约2720.36 吨的二氧化碳。根据地源热泵系统运行特性，结合长春地区电价峰谷时间，建立考虑末端负荷变化的多目标控制模型，通过日前调度，实现削峰填谷，降低运行成本，初步测算约为12～18元/平，远低于市政供热收费价格，为严寒地区的电力调峰和清洁能源供暖提供了重要的参考依据。
本项目通过创新性的深浅层地源热泵系统联合应用，成功解决了严寒区域供暖能效低、碳排放高的问题。技术方案实现了绿色低碳、节能减排和高效供暖的目标，具有重要的经济效益和环境意义，随着技术的不断优化和应用范围的扩大，该技术方案有望在更多寒冷地区得到广泛推广，推动全国及国际范围内绿色建筑的发展，为实现全球绿色低碳目标贡献力量。
选送单位：北方工业大学
项目名称和内容
项目名称：严寒区域中深层-浅层地源热泵系统耦合供暖关键技术研究
项目主要科技内容：
深浅层地源热泵系统的联合应用技术研究；智能调控系统的集成与优化；热源、热网、用户全链条深度融合的柔性网络构建。
改造总体目标
本项目以长春现代物流大厦（项目建筑业态包括酒店、办公、企业文化馆，总占地面积95721m2，总建筑面积约30万m2，现代物流大厦项目平面图如图1所示）为示范应用，通过研究中深层-浅层地源热泵系统的联合应用技术，旨在解决严寒区域供暖能源不足的问题，提升能源使用效率，减少碳排放，实现绿色低碳供暖系统的商业化应用。项目将通过智能调控系统的集成，优化深浅层地源热泵的协同运行，构建热源、热网、用户全链条深度融合的柔性网络，实现了系统热量智能化调控和闭环控制。最大化地提高系统整体能效，并有效减少对传统化石能源的依赖。
图1长春现代物流大厦项目平面图
主要创新点概述
1、技术创新
深浅层地源热泵系统的联合应用：本项目核心技术创新是将深层地源热泵与浅层地源热泵系统联合应用，克服传统浅层系统在低温环境下热效应下降的问题。浅层地源热泵系统适用于秋冬初期及气温较高时段，能够提供稳定的供暖效果；而深层地源热泵系统可以通过更深的地下埋管提取更加稳定的热源，特别适合严寒冬季使用。两者结合，使得整个系统能够全天候、全年龄段提供稳定的供暖能力。图2展示了中深层与浅层地源热泵系统的集成设计及地埋管的布置情况。中深层地源热泵系统通常部署较深的地下部分，利用较深层的恒温岩土体进行热交换，适合解决长时间的供暖需求。而浅层地源热泵则主要依赖地表土壤层进行热交换，适合负荷较小或季节性供暖需求。通过这种联合系统，可以有效地平衡冷热需求，避免单独使用浅层系统时可能出现的冷热不平衡问题。
图2 中深层套管式地源热泵系统传热介质循环与传热原理图
智能调控技术
项目引入智能调控技术，通过动态调节深浅层地源热泵的工作模式，以应对季节变化和建筑负荷需求。智能控制系统根据实时环境温度和建筑热负荷需求，自动切换系统运行模式，确保系统在不同气候条件下都能高效运行。这一创新性方案，不仅提高了系统的能源利用效率，还降低了能源消耗和运营成本，确保了建筑全年供热稳定。
本项目基于保证地下温度场热平衡和复合能源系统运行效率原则下，采用供热工况深层地源热泵优先、空调工况条件下板换供冷优先策略，夏季工况及过渡季节采用深层地源热泵补热，如图3所示。
图3 中深层、浅层热泵及锅炉联合运行控制策略
项目据此研发了具有严寒区域中深层/浅层应用特点的地源热泵控制系统。本控制软件按流程、分节点采集和控制现场设备，物流大厦地源热泵控制系统采用分布式I/O控制方式，设置3套可编程逻辑控制系统（PLC），操作站设在中控室。（1）酒店机房PLC系统：采集与控制酒店机房区域设备，PLC柜安装于酒店及公寓机房。（2）办公机房PLC系统：采集与控制办公机房区域设备，PLC柜安装于办公区能源机房、办公区换热机房、酒店换热机房。（3）锅炉机房PLC系统：采集与控制锅炉机房区域设备，PLC柜安装于锅炉机房。系统可设置自动和手动两种控制模式，系统流程界面可以清晰的显示的工作流程、各泵和电磁阀的工作状态、重要检测量等信息，并可通过界面进行指令操作，如图4~6所示。
图4 中深层/浅层地源热泵控制系统网络设计
图5 长春现代物流大厦项目地源热泵控制系统
图6 长春现代物流大厦项目地源热泵出水温度/回水温度监控系统
关键技术难题与解决方案
极寒地区的低温挑战：在极寒地区，传统浅层地源热泵因地下热源不稳定而无法提供足够的热能，导致供暖效果差。本项目通过采用深层地源热泵系统，克服了这一问题，深层系统的埋管深度可以达到更稳定的地下热源层，使得系统能够持续稳定地提供热量。
系统运行稳定性：本项目通过优化深浅层系统的联动，确保在不同季节、不同负荷情况下，系统能够保持高效运行。系统的智能调节功能使得设备能根据环境温度自动选择工作模式，避免了传统地源热泵在低温下效率急剧下降的问题。
技术应用与效果
项目已在长春现代物流大厦完成初步应用，系统运行结果表明，联合运行的深浅层地源热泵能够有效应对严寒冬季的采暖需求。在极寒气候下，深层地源热泵提供了稳定的热源，而浅层系统则在温暖季节发挥最大效能。整体系统的能效比传统供暖系统高出30%以上，供暖效果显著提升，用户满意度达到95%以上。
2、技术实施方案
系统设计与构建
本项目的系统设计以中深层和浅层地源热泵系统的联合应用为核心，结合智能调控系统，通过Carrier 50YDS-080XW型号地源热泵设备和高效热交换器，保证了系统在严寒气候中的稳定运行。系统包括地下深浅层埋管、热泵设备、温控系统及智能控制平台等。设计过程中，重点考虑了能源利用效率和系统稳定性，确保设备与建筑需求的高度匹配。
设备与材料
Carrier 50YDS-080XW地源热泵：具有优越的耐低温性能，能够在-30℃的环境下正常运行，适应严寒地区的供热需求。
高效埋管材料：采用最新的热传导材料，能够在深层地下环境中快速传递热能，提升系统整体效率。
表1 中深层套管换热器组成材料及围岩热物性参数
运行与调试：系统建设完成后，经过一系列调试过程，确保所有设备和管道连接正常。调试阶段重点检测各个热源的输入输出温度、系统的负荷适应性以及智能调控功能的灵敏度，以确保系统在实际使用中能够高效稳定运行。
应用情况及可推广前景简述
对本项目办公建筑和企业文化馆（即展厅）冷热负荷进行全年逐时动态模拟计算，结果如图7所示。图中热负荷为办公及展厅建筑基础采暖热负荷。通过对办公建筑、宾馆建筑进行逐时负荷计算分析，得到全年逐时动态负荷分布曲线，得到各种业态建筑的全年累计耗热量、耗冷量数据分别为2310 万kWh和756 万kWh。
图7 办公+展厅+酒店的全年逐时负荷曲线
本研究在评判冷热失衡率值时，假设浅层地源热泵承担全部累计冷负荷（物流大厦项目累计冷负荷为756万kWh）时，且制冷工况下，地埋管全部开启。经过一个全周期运行后，源侧地埋管周围岩土体温度与初始地温值相等时对应的浅层地源热泵系统所承担的基础采暖热负荷值即为冷热平衡时地源热泵系统承担的热负荷。通过对浅层地埋管群换热量及源侧岩土体温度数值模拟的逆计算来确定冷热平衡时地源热泵系统承担的基础采暖累计热负荷值。通过模拟计算分析可知，当地源热泵系统承担1824.9万kWh基础采暖累计热负荷时（约占本项目基础采暖累计热负荷总量的79%），地下岩土温度能达到冷热平衡，源侧地埋管系统全年运行周期的动态模拟分析及源侧岩土体温度变化如图8，9所示。
图8 地源热泵系统运行模拟分析（1年）
图9 地源热泵系统地下岩土温度变化模拟分析（1年）
本研究对严寒气候条件下，当建筑冷热负荷平衡时，对源侧地埋管系统连续10个全年周期进行动态模拟，模拟结果分析如图10，11所示。不难发现，当建筑物冷热负荷平衡时，即使经历多年运行，浅层地埋管源热地温未发生变化。因此，浅层地源热泵系统在严寒气候条件下运行稳定性由建筑物采用浅层地源热泵系统承担的冷热负荷决定，冷热负荷平衡，则地源热泵系统运行稳定。
图10 地源热泵系统运行模拟分析（10年）
图11 地源热泵系统地下岩土温度变化模拟分析（10年）
本技术方案具有广泛的应用前景，尤其适用于寒冷区域的高能效建筑。通过进一步的优化与推广，项目可在全国及国际市场上应用，成为绿色低碳建筑的重要技术手段
经济效益及社会效益情况
本项目通过联合应用中深层与浅层地源热泵系统，显著提高了地热能的利用效率，减少了传统能源的使用，从而降低了建筑物的供暖和供冷成本。相比于单一浅层地源热泵系统，中深层辅助热源的引入有效减少了冬季取热不平衡导致的运行效率下降问题，延长了系统的使用寿命，减少了维护和更换成本。此外，项目的动态优化控制策略能够根据建筑物的负荷需求进行能耗调节，进一步降低运行费用，整体经济效益显著。
项目案例获专利及奖励情况
(1) 李建林,武亦文,吕超,等.碳达峰背景下退役锂电池梯次利用电热管理技术[J].高电压技术,2021,47(09):3061-3074.
(2) 李建林,孙浩元,梁忠豪,等.多能需求场景下的综合能源系统容量优化配置[J/OL].高电压技术,1-12[2024-12-04].
(3) 李建林,李雅欣,吕超,等.退役动力电池梯次利用关键技术及现状分析[J].电力系统自动化,2020,44(13):172-183.
(4) 李建林,谢志佳,李雅欣,等.蓄热式电锅炉在能源互联网中的应用综述[J].热力发电,2020,49(08):1-6.
(5) Fu Yi, Xupeng Qi*, et al. Method for determining the thermal conductivity of in situ formation rock using drilling cuttings[J]. AIP Advances. 2021, 11, 065015:1-11. (SCI);
(6) 戚旭鹏,易富,等.严寒区域中深层地热井套管换热影响因素分析[J].深圳大学学报(理工版),2022, 39(1): 42-50.
(7) 白宁,姜晓霞,等.具有余热利用的热泵储能系统: 2022114888361[P].12022-11-22.
(8) 张谨奕,白宁,等,蓄热装置、蓄热系统及蓄热系统的控制方法202011205957.1[P].2020-11-2.
(9) 张谨奕，白宁,等,蓄热装置和具有它的蓄热系统'202120433468.5[P].2021-2-26
京公网安备 11011502004515号 
