大型地源热泵系统高效换热关键核心技术工程应用研究

大型地源热泵系统高效换热（冷）关键核心技术工程应用研究 卫万顺 第十九届中国可北京市科学技术研究院2024年8月16日 汇报内容 项目背景主要成果三推进载体四发展思考 汇报内容 项目背景主成资料 项目背景 ■城市需要浅层地热能 1、城市可持续发展的，“三大要素” 素制约； 展又不断改变着城市地区的资源环境条件，诱发了一系列资源环境问题：产生的资源环境问题又有可能引发社会问题。第十九眉 项目背景 2、城市发展的“VUCA环境” 随着城市规模越来越大，影响城市发展的自然，（资源、环境）因素、经济因素和社会因素交织、混杂在一起，使城市发展具有明显的易变性Votatility）、不确定性（Uncertainty）复杂性（Complexity）和模糊性（Ambiguity） 城市发展的VUCA环境诱发了“大城市病”第十九届 3，北京“大城市病的“四大根源 北京人口增长过快。十五以来北京市常住人口年均增长50万大以上人口无序增长导致城市不堪重负（社会因素） 中心区域功能过度集中。全市71%产业活动和71.8%从业人员集中在城六区如果功能和产业在中心城区继续集聚，交通拥堵只会更加严重（经济因素） 资源能源票赋不足。从资源能源看，人均冰资源整不及全国平均水平的1/20。约70%电40%成品油，98%煤炭、100%石油和天然气均需外部供应。如果继续发展大面全，的产业体系城市正常运行甚至安全稳楚都会受到憬响（自然因素） 环境形势严峻。大气污染形剪依然严峻，垃圾处理、水环境治理形势依然不容乐观（自然因素厂 由此可见，自然因素尤其重要，研究和解决自然因素方面的资源与环境问题，对缓解北京“大城市病”，促进北京城市可持续发展有重要的现实意义 4、解决城市资源与环境问题需要浅层地热能 解决雾霾的根本之道是调整能源结构，提高可再生能源在次能源中的比重！+雾霾 项目背景 浅层地热能--需要热泵技术 口热泵技术是被评为2024年十大突破性技术 口国际能源署支持大力发展热泵技术 项目背景 热泵技术--遇到难题 “进中思危”一→在全国浅层地热能开发利用高涨的同时，出现“三大现象”： （1）企业家：“摩托罗拉手机现象”正向我们走来！行业“热”了一我们“凉”了！行业与企业关系问题）（2）政府部门：“水源热泵现象”阴影越来越大！减排“少”了一问题“多”了！资源与环境关系向题（3）技术人员：“浅层地热能行业谁都行现象”蔓延之势日趋强劲！技术“有”了一专业“没”了！（科学与技术关系问题） 项目背景 追本溯源一→关键是浅层地热能换热机理这个，“科学问题”没有搞清 （1）如何避免“摩托罗拉手机现象”发生--属行业与企业协调发展问题，关键是找出单位自己的独特优势，提升企业科技创新能力。 协调发展问题，是去“资源化”行为，控制资源特征的最大因素是地质条件。 （3）如何阻击“浅层地热能谁都行现象"蔓延之势--属科学与技术协调发展问题，关键是浅层地热能换热机理这个“科学问题”不清，导致技术含量不高第十九届 项目背景 由于各地常温屋温度、常温层深度差异大和供热、供冷需求不同，呈现总体效果较好与个别表现不好井存局面 城市大范围集中连片开发，资源优势与环境问题的矛盾凸显，出现桌地水源热泵现象 由于理设地埋管区域与地下空间管控矛盾急需解决向深部要资源的问题 项目背景 汇报内容 二主要成果 课题一浅层地热能换热贡献率理论及数字李生模型研究 圈定岩土体岩性构造含水层分布形态建立面向浅层地热勘探开发评价需求的三维地质模型 透选监测温度数据选定冷热场景典型时段，研究建立开采区初始温度场模型和响应温度场模型计算岩土体各个监测点的响应温差和换热质献率，建立浅层地热能换热质献率模型划定换热贡献率高的月标体或换热孔厘定钻孔换热贡献率属性建立换热质献率开发数字李生理论模型 课题二-地下换热管材和其他元器件材料研制 浅层：研究高导热强抗压聚之烯管的组成功能助剂配方，加成型及聚乙烯管材的辐射交联及性能提升，制备浅层地下换热系统聚乙烯地埋管材料建立管材的应用示范能 中深层：研究高耐热高力学强度聚子烯专用料，对其功能化改性，配比调控凝聚态结构的调控以及流变学加工性能 回填材料：研究换热井内高导热的充填材料1项 课题三-地源热泵系统元器件的柔性纳米发电机自供电技术研发 研究高性能摩擦纳米发电材料改性技术及性能评估 研究摩擦纳米发电材料微结构构造及性能评估 研究摩擦纳米发电材料高可靠性无胶电极的制备技术 √摩擦纳米发电机的结构设计及初步构造。第十九届中 课题四--大型热泵系统高效运行智慧化控制系统研究 1、构建地上能耗设备运行与地下温度场耦合一体化仿真分析模型 2、开发长-短周期耦合的滚动时域优化调控算法；3、研发考虑负荷不确定性的大型地源热泵系统长周期分区启停的鲁棒优化方法；4、开展大型地源热泵系统智慧化运行管理集成平台与工程应用。第十九届中 课题五大型热泵系统的全生命周期碳足迹和碳排放评估 1.基于生命周期评价理论，建立地源热泵系统全生命周期内的输入与输出数据清单，确定地源热泵系统不同阶段碳足迹评价模型 2结合实际工程案例，采用地源热泵系统碳足迹评价模型核算地源热泵系统全生命周期不同阶段碳排放情况。3.根据地源热泵系统特征及不同目标情景，分析不同情景下地源热泵系统应用的减排潜力形成地源热泵碳中和关键技术评估方法体系。第十九 主要成果 汇报内容 三、推进载体成立北科院热泵系统高效换热工程技术中心 以小核心大网络模式建设院热泵系统高效换热工程技术中心 四成立时间：2023年12月 量承担项目 口国家自然科学基金项目 口北科院市级财政项目 口北京市人才项目 口构建“立体化、体制新、有实力、有特色”的院级协同创新平台口向上对接国家战略科技力量口平行衔接京津冀新能源工程技术和产业资源、回应经济社会发展需求口对内跨机构边界、高效整合院系统单位相关学科、技术积累与转化平台力量口探索更好融入北京科技创新生态、与国家战略科技力量错位协同发展的有效机制 开展需求导向的工程技术研发 做好成果转化应用 开展浅层地热能换热责献率理论及勘探评价方法研究，向资源高效换热要效益。·开展地下换热管材和自驱动监测与开关控制元器件新材料研制，向高效换热新材料要效益。·开展大型地源热泵系统全生命周期碳足迹和碳排放量研究实现由能耗控制目标向碳排放控制目标转变，开展大型地源热泵高效运行智慧化控制系统研发向控制系统智慧化要效益。开展热泵技术与其他能源技术的耦合方法研究，聚焦中深层全井下开式换热系统设计及应用，向新工艺要效率。 推动热泵工程中心研发取得的工程技术成果转化应用开展热泵系统与其他能源技术的合集成和工程化开发，促进热泵工程在北京市的规模化应用。研究制订相关技术标准，推动热泵行业健康发展。·开展国际、国内学术交流：加强热泵工程技术相关的研发、转化人才培养。 推进载体：院热泵工程技术中心 推进载体：院热泵工程技术中心 浅层地热能换热责献率理论及数学季生模型研究研究方向地下换热管材和其他元器件材料研制地源热泵系统元器件的柔性纳米发电机自供电技术研发热绿系统高效运行智意化培制系统研究五、大型热泵系统的全生命周期碳足迹和碳排放评估六、大型热泵技术与其他能源技术的耦合方法研究 汇报内容 发展思考 成果转化应用前景四发展思考 机理创新 体系创新 理论创新 工艺创新 地源热泵智能化控制系统将为系统综合能效提升，建筑能耗降低提供“软支择，在尽可能减少“”投入的前提下，实现系统综合效益提升，应用领城较广 并下高效换热器井下潜水泵和井口装置、下入工法、中深层高效井下换热软件和试验平台，在闲置和废弃地热并和油水井推广具有较强经济、社会和环境效益 采用熔融共混及辐射交联的方法制备浅层及中深层地热管材专用料，方法操作简便，设计合理，适于批童生产在新能源、新材料领域及地热行业具有广阔的应用前景，市场潜力巨大 浅层地热能勘探评价理论创新，大大提高地理管铺设的科学性和有效性，有效提升大型地源热泵系统高效换热为科学推进大型地源热泵系统高效换热提供理论支撑 多维度协同推进碳中和技术发展的创新体系，有利于形成一套有效的碳足迹评价标准体系，提升行业碳排放数据应用水平拓展用于中深层水热型地热及再生水热泵系统 柔性纳米发电机结合其他新能源方式的储能系统在地源热泵中应用，可实现资源的循环利用，可推广用于其他自供电元器件中，应用前景广阔 地热能分会 感谢聆听敬请批评指正！会议