随着经济社会发展中的能源和环境问题日益突出，全球能源格局正在朝着绿色、低碳、清洁、高效等多元方向转变。地热能作为一种清洁可再生的能源，对推动我国能源结构优化、实现可持续发展具有重要意义。地源热泵技术是当前浅层地热能开发利用的关键依托技术，通过从自然界的水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，向人们提供可被利用的高品位热能，热泵技术已被MIT科技评论列为2024年世界十大突破性技术之一。
2024年世界十大突破性技术之一——“热泵技术”
随着近些年“城市规模化、单体大型化”的快速发展，大型地源热泵高效换热问题日益凸显，已严重制约着利用地源热泵技术大规模、可持续高效开发利用浅层地热能。2022年以来，北科院紧密围绕首都“四个中心”功能定位、立足北京超大城市精细化治理需要，持续着力开展以地源热泵工程技术为牵引的新能源方向研发布局，积极推动地热能开发利用行业的科技创新与成果转化应用。卫万顺同志带领的研究团队，以重大项目为牵引，组织多家院属单位、开展多学科交叉融合的协同科研、集中攻关，围绕新能源发展重点中的地热能方向，开展“大型热泵工程高效换热关键技术研发及应用”系列项目研究并取得系列进展。
（a）浅层地热能用管材产品 ；（b）管材的力学性能应力-应变曲线
管道流体自发电装置
地埋管钻孔群三维非稳态传热离散传递矩阵(g-DTM)模型
地源热泵系统碳足迹评价平台
基于目前大型热泵高效换热存在的技术难点问题，聚焦基础理论、产品研发、智慧管控、双碳支撑、系统搭建等多个方面的研究。在基础理论方面，研究团队原创性地提出浅层地热能换热贡献率理论及建模方法，通过理论科学划定换热贡献率高的目标体或换热孔，合理规划大型地源热泵项目的整体系统设计，为实现热泵系统的高效换热提供技术支持。在浅层地热能开采用地埋管材料研制方面，研究团队自主研发了高导热、耐压的聚乙烯管材，其爆破压力较未改性管材提升50%，断裂伸长率和耐老化性均约为浅层地热能用地埋管最低应用需求的2倍，导热系数和耐热温度均高于市场管材，在新能源等领域应用前景广阔。在地下传感器设备自供电方面，研究团队采用离子注入技术，在聚合物薄膜表面改性，提升材料表面电荷密度一倍以上。基于此研发的管道流体自发电装置，为浅层地热能开发系统传感器提供自供电支持。在地源热泵系统高效运行智慧化管控上，研究团队建立了浅层土壤源地源热泵系统 “地下-地上”一体化快速仿真模型及优化调控方法，开发了仿真优化软件。该软件能实现地下温度场仿真及运行策略仿真，优化后系统能耗降低 5% 以上。在地源热泵系统碳足迹评价方面，研究团队构建了碳足迹评估模型，建立数据库，设计开发评价平台，使地源热泵系统全生命周期碳足迹计算便利化和可视化。
《城市、浅层地热能和热泵技术》图书出版
部分研究团队成员
管材实验相关设备
截至2023年12月，团队研究成果已发表专业论文3篇，申请发明专利6项，授权软件著作权3项，出版专著1部，并多次应邀在行业专业会议做主旨报告。以上成果不仅推动了地热能技术进步，也为我国能源结构优化、“双碳” 目标的早日实现提供了重要支撑。下一步，研究团队将继续立足自身定位、发挥资源优势，加强与政府职能部门、行业学会、高校院所、科技型企业等各方合作，共同推动首都乃至全国地热能开发利用等新能源行业的高质量发展。
（于湲，王珂/文
赵松美，陈琳，沈春明，刁晓华/图）
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