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太阳能跨季节储热联合地源热泵系统技术经济性
李亚松1，张增刚2，张伟3
（1.山东港华燃气集团有限公司， 山东 济南 250101；2.山东建筑大学 热能工程学院， 山东 济南 250101；3.山东一通工程技术服务有限公司， 山东 济南 250101）
摘要：以包头市某住宅楼为研究对象，建立太阳能跨季节储热-地埋管地源热泵联合系统仿真模型，对系统的长期运行特性进行预测分析。将仅配置热泵机组（与联合系统的热泵机组额定参数一致）的地埋管地源热泵系统作为比较对象，测算联合系统经济性。采用太阳能跨季节储热，可实现地温平衡，可有效保证地埋管地源热泵长期稳定高效运行。与地埋管地源热泵系统相比，联合系统增量投资回收期为13.7 a。若考虑供暖期利用太阳能制取生活热水，联合系统的经济性可进一步提升。
关键词：太阳能跨季节储热；地源热泵；土壤温度；地埋管换热器
参考文献示例：
李亚松，张增刚，张伟. 太阳能跨季节储热联合地源热泵系统技术经济性［J］. 煤气与热力，2025，45（1）：A01-A05.
太阳能与地热能作为清洁能源，用于建筑供暖制冷可以缓解能源短缺的现状［1-3］。但在实际应用中，太阳能利用存在不连续性和间歇性，地源热泵则存在取热量与释热量不平衡导致的地温失衡问题［4-9］。许多学者对太阳能与地源热泵联合应用进行了研究。刘仙萍等人［10］研究了夏热冬冷地区光伏光热-地源热泵联合供热系统的运行性能以及主要设计参数对联合供热系统运行性能的影响。金满等人［11］为了改善严寒期建筑供暖能耗偏高的问题，利用太阳能光伏光热系统辅助地源热泵进行联合供暖。Zhang等人［12］将地源热泵与太阳能季节性储热系统结合，在确保地源热泵性能的前提下，太阳能季节性储热系统在非供暖期将太阳能热能储存在地下，以平衡土壤温度。
本文以包头市某住宅楼为研究对象，建立太阳能跨季节储热-地埋管地源热泵联合系统（简称联合系统）仿真模型，对系统的长期运行特性进行预测分析。将仅配置热泵机组（与联合系统的热泵机组额定参数一致）的地埋管地源热泵系统作为比较对象，测算联合系统经济性。
选取包头市某住宅楼为模拟对象。包头属于严寒地区，1月温度最低，平均气温为-11 °C，极端最低气温可达-30 °C。7月温度最高，平均气温为23 ℃，极端最高气温可达39 ℃。
冬季寒冷且持续时间较长，供暖时间为10月15日到次年4月15日，供暖室内设计温度取20 ℃。不考虑建筑供冷需求。住宅楼共18层，层高为2.9 m，总建筑面积为13 392 m2。围护结构构造及传热系数见表1。
选用DeST软件对建筑进行热负荷计算。建筑三维模型见图1。逐时热负荷见图2。最大热负荷为490.23 kW。
联合系统流程见图3。供暖期利用热泵机组通过地埋管换热器从土壤取热进行供热。非供暖期利用太阳能通过地埋管换热器为土壤蓄热。太阳能集热器控制策略：当集热器进出水温差大于10 ℃时，集热器水泵开启。当集热器进出水温差小于2 ℃时，集热器水泵关闭。蓄热水箱控制策略：当蓄热水箱温度大于56 ℃，水箱供热泵、板换供热泵开启。蓄热水箱温度小于48 ℃，水箱供热泵、板换供热泵关闭。
热泵机组额定制热量为525 kW，额定输入电功率为120 kW。太阳能集热器仅用于非供暖期向土壤蓄热。土壤热物性参数由岩土热响应实验获得，初始土壤温度为10 ℃，综合热导率为2.11 W/（m·K），单位体积热容为2 097 kJ/（m3·K），回填材料热导率为2.1 W/（m·K），U形管热导率为0.44 W/（m·K）。地埋管换热器采用单U形，地埋管为外直径32.0 mm、壁厚3.25 mm的PE管。设置194个深度为100 m的钻孔。
根据GB 50495—2019《太阳能供热采暖工程技术标准》第5.2.2条，季节储热太阳能集热器面积A的计算式为：
将式（1）计算结果向上圆整，最终确定太阳能集热器面积为1 360 m2 。单位集热面积蓄热水箱容积取100 L/m2，则蓄热水箱容积取136 m3。
联合系统仿真模型见图4。热泵机组模型选用根据DOE-2模型和多元多项式回归模型建立的水源热泵机组模块TYPE225［13］。太阳能集热器选用TYPE71模块。蓄热水箱选用TYPE531模块，水箱被分成数个等温层以模拟层化效应。气象参数选取当地典型年气象参数。
① 土壤温度
联合系统运行1、10 a的地埋管进出水温度及埋管区域土壤温度随时间的变化分别见图5、6。
由图5可知，联合系统运行1 a内，受取热、蓄热的影响，土壤温度呈先下降、然后上升、再下降的趋势。由于累计蓄热量大于累计取热量，1 a末的土壤温度为10.08 ℃，比初始土壤温度上升0.08 ℃。由图6可知，联合系统在10 a运行期间，土壤温度呈波浪形逐年小幅上升的趋势。10 a末的土壤温度为10.48 ℃，比初始土壤温度上升0.48 ℃。由模拟结果可知，采用太阳能跨季节储热，可实现地温平衡，可有效保证地埋管地源热泵长期稳定高效运行。
② 系统运行能效
联合系统各年耗电量见表2。联合系统制热季节能效比随运行时间的变化见图7。由表2可知，联合系统耗电量逐年小幅度减小。与第1年相比，第10年的耗电量下降了0.84%。由图7可知，联合系统制热季节能效比随运行时间延长小幅上升。与第1年相比，第10年的制热季节能效比增大了0.76%。因此，采用太阳能跨季节储热可有效保证地埋管地源热泵长期稳定高效运行。
将仅配置热泵机组（与联合系统的热泵机组额定参数一致）的地埋管地源热泵系统作为比较对象。与地埋管地源热泵系统相比，联合系统投资增量为57.96×104 元。模拟时间为10 a，模拟得到地埋管地源热泵系统耗电量为3 672.15 MW·h。电价取包头市居民用电价0.48 元/（kW·h）。可计算得到，地埋管地源热泵系统10 a总电费为176.26×104 元，联合系统10 a总电费为133.84×104 元。计算联合系统增量投资回收期时，两个系统的年电费取10 a平均年电费。可计算得到，联合系统的增量投资回收期为13.7 a。若考虑供暖期利用太阳能制取生活热水，联合系统的经济性可进一步提升。
① 采用太阳能跨季节储热，可实现地温平衡，可有效保证地埋管地源热泵长期稳定高效运行。
② 与地埋管地源热泵系统相比，联合系统增量投资回收期为13.7 a。若考虑供暖期利用太阳能制取生活热水，联合系统的经济性可进一步提升。
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