屋面太空辐射与能量桩基在热泵系统中的优化匹配特性研究

Ground source heat pump has been widely applied in building air conditioning cooling and heating sources. However, there are still two bottlenecks in the promotion of this shallow geothermal energy utilization technology, that is, land demand and initial investment are relatively high, as well as the imbalance of soil temperature field when used for cooling load dominant buildings. This project aims to overcome technical bottlenecks and to explore the new type of ground heat exchanger and auxiliary heat rejecter, innovatively combine the passive space radiation technology with active heat pump technology, and utilize the energy pile to replace the traditional borehole ground heat exchanger, proposes the heat pump system combined with space radiation and energy pile technology, puts forward characteristics matching optimization of space radiation and energy pile in the heat pump system. Through the model simulation and experimental verification of the space radiation, energy pile and heat pump system, this study analysis the combination characteristics and capacity matching optimization of space radiation and energy pile in the heat pump system, optimizing the design parameters and operation control scheme of the whole system, and establish the design theory and application guide of space radiation as well as energy pile in the heat pump system. This project will provide a reasonable solution for maintaining soil environmental thermal balance and reducing system investment in shallow geothermal energy utilization, and effectively improve the applicability as well as economy of shallow geothermal energy application.

地源热泵已大量用于建筑空调冷热源，但这项浅层地温能利用技术的推广仍存在两大瓶颈，即占地需求和初投资较高，以及用于冷负荷占优型建筑物时土壤温度场失衡。本项目旨在突破技术瓶颈，探索新型辅助散热及地热换热器模式，创新性地将被动式太空辐射技术与主动式热泵技术结合，同时使用螺旋埋管能量桩基代替传统钻孔埋管换热器，提出了结合太空辐射散热和能量桩基技术的热泵系统，构思出屋面太空辐射与能量桩基在热泵系统中的优化匹配特性研究。本研究拟通过对屋面太空辐射和能量桩基以及整个热泵系统进行模型模拟和实验验证，分析屋面太空辐射和能量桩基技术在热泵系统中的结合特点及优化容量匹配特性，研究整个系统的设计准则和运行控制方案，建立屋面太空辐射和能量桩基技术在热泵系统中的匹配理论和应用指导。本项目将为浅层地温能利用中维持土壤环境热平衡和降低系统投资提供合理解决方案，有效提高浅层地温能利用的适应性和经济性。

当前地源热泵这项浅层地温能利用技术的推广仍存在两大瓶颈，即占地需求和初投资较高，以及用于冷负荷占优型建筑物时土壤温度场失衡。为了突破技术瓶颈，探索新型辅助散热及地热换热器模式，本项目创新性地将被动式太空辐射技术与主动式热泵技术结合，同时使用螺旋埋管能量桩基代替传统钻孔埋管换热器，设计了结合太空辐射散热器和能量桩基技术的热泵系统。本项目通过对屋面太空辐射和能量桩基以及整个热泵系统进行传热分析、建模模拟和实验验证，设计了适合作为新型辅助散热源的屋面太空辐射散热器，优化了能量桩基的设计参数，分析了屋面太空辐射和能量桩基技术在热泵系统中的结合特点及容量匹配特性，进而研究了整个热泵系统的优化设计准则和控制方案。为了验证模拟模型的准确性，为屋面太空辐射散热器和能量桩基热泵系统的设计运行和控制维护积累工程数据，本项目设计并搭建了结合屋面太空辐射散热器和能量桩基的热泵系统实验台。此外，本项目在螺旋埋管能量桩基的建模基础上深入研究了套筒式中深层地埋管换热器的传热机理，通过数值模型模拟了中深层地埋管换热器温度响应及出口水温，分析了套筒式中深层地埋管换热器的优化设计参数，进而探讨了利用油田废弃油井采集中深层地热能的可行性实施方案。项目取得的研究成果为被动式屋面太空辐射技术在建筑节能领域的应用提供了新模式和新思路，为地源热泵应用技术中土壤热环境的平衡和系统初投资及占地面积的控制提供了合理可行的解决方案，有效提高了地热能推广应用的适用性和经济性。