建筑暖通系统中地源热泵与太阳能复合应用技术研究

中图分类号：TU71 文献标识码：A

引言

建筑暖通系统是能源消耗的主要领域，其能耗占建筑总能耗的 50% 以上，地源热泵通过与大地进行热交换实现能量转移，具有能效比高、运行稳定的特点，但受地质条件限制且冬季供热时易出现地下热失衡；太阳能作为取之不尽的清洁能源，在暖通领域应用广泛，却受昼夜交替、天气变化影响，存在能量供应不稳定的缺陷。将地源热泵与太阳能进行复合应用，可通过优势互补克服单一技术的局限性，实现能源梯级利用与系统高效运行。研究二者的复合应用技术，对推动建筑能源系统向低碳化、可再生化转型具有重要现实意义。

1 地源热泵与太阳能的技术特性及协同机理

1.1 技术特性分析

地源热泵系统通过地下埋管、地下水或地表水作为热源/热汇，利用热泵循环实现热量的转移：夏季将建筑内热量转移至地下，实现制冷；冬季从地下提取热量送入建筑，实现供暖。其核心优势在于能效比（COP）高，通常为 3-4，即消耗 1kW 电能可获得 3-4kW 的热能；且运行受外界气候影响小，能提供稳定的冷热输出。太阳能暖通应用主要通过太阳能集热器吸收太阳辐射能，转化为热能后直接供暖或储热备用，也可与热泵结合提升能源利用效率。其突出优势是能源免费、清洁无污染，适合在光照充足地区推广。

1.2 协同互补机理

地源热泵与太阳能的复合应用基于“时空互补”与“能量梯级利用”原理实现协同增效。在时间维度上，太阳能在白天光照时段能量供应充足，可弥补地源热泵在峰值负荷时的出力不足；而地源热泵在夜间或阴雨天能稳定运行，解决太阳能的供应中断问题。在能量平衡维度上，太阳能可在冬季为地源热泵系统补充热量，减少地下取热量，缓解土壤热失衡；夏季则可利用太阳能驱动制冷设备，降低地源热泵的运行负荷，实现地下热量的有效回灌。从能量品质角度看，太阳能集热器产出的中低温热能可直接用于建筑供暖或生活热水，而地源热泵擅长将低品位热能提升至可用品位，二者结合可实现能源梯级利用：太阳能优先满足低品位用热需求，地源热泵处理高品位负荷，减少高品质能源的浪费。这种协同模式既提高了可再生能源利用率，又优化了系统整体能效。

2 地源热泵与太阳能复合系统的集成模式

2.1 串联式集成系统

串联式系统中，太阳能集热器与地源热泵通过管路串联连接，形成单一循环回路。冬季运行时，太阳能集热器先对循环工质加热，预热后的工质进入地源热泵蒸发器进一步吸热，再由热泵提升温度后送入建筑供暖；夏季则利用太阳能驱动吸附式制冷装置，与地源热泵制冷系统串联运行，降低地源侧散热负荷。该模式的优势是结构简单、控制便捷，太阳能预处理可提升地源热泵的蒸发温度，从而提高其 COP 值；但缺点是太阳能与地源热泵的运行相互制约，若太阳能集热温度过高，可能超出热泵工作范围，需增设旁通管路调节。

2.2 并联式集成系统

并联式系统中，太阳能系统与地源热泵系统作为独立回路并行工作，通过切换装置根据工况选择单系统运行或联合运行。当太阳能辐照度高时，优先启用太阳能系统直接供暖；光照不足时，自动切换至地源热泵系统；极端天气下，二者同时运行满足高峰负荷。该模式的灵活性强，可根据能源供应与负荷需求动态调整运行策略，避免单一系统过载；但需复杂的控制系统协调两系统的出力分配，且初期设备投资较高，适用于负荷波动大、光照条件不稳定的地区。

2.3 混合式集成系统

混合式系统结合串联与并联的优势，引入储热装置作为能量缓冲环节，形成“太阳能-储热-地源热泵”协同体系。太阳能集热器加热的热能优先存入储热罐，储热罐既可为建筑直接供暖，也可作为地源热泵的辅助热源；地源热泵根据储热罐温度与建筑负荷，灵活选择从地下取热或从储热罐取热。储热装置的引入有效解决了太阳能的间歇性问题，冬季可将多余太阳能热量储存用于夜间供暖，夏季则可储存地源热泵排出的热量，缓解土壤热失衡。该模式系统复杂度高，但能源利用率与运行稳定性最优，是大型建筑或严寒地区的理想选择。

3 复合系统的运行调控策略

3.1 基于负荷预测的动态调控

通过建筑负荷预测模型提前 24 小时预测供暖/制冷负荷，据此制定太阳能与地源热泵的出力计划。例如，预测次日光照充足且负荷较低时，优先安排太阳能系统满负荷运行，地源热泵处于待机状态；预测阴雨天气且负荷高峰时，启动地源热泵为主、太阳能为辅的联合运行模式。动态调控可避免能源浪费，确保系统在满足负荷需求的同时保持高效运行。

3.2 以热平衡为目标的地源侧调控

针对地源热泵长期运行的土壤热失衡问题，通过监测地下土壤温度变化，调控太阳能的补热/散热量：当冬季土壤温度低于设计值时，增加太阳能集热器的运行时间，为地源侧补充热量；夏季土壤温度过高时，利用太阳能驱动的冷却装置加强地源侧散热，或减少地源热泵的排热量。通过建立“取热-放热-补热”的动态平衡机制，将土壤温度波动控制在±2℃范围内，保证地源热泵的长期稳定运行。

3.3 储热系统的优化运行

储热装置的运行需遵循削峰填谷原则，白天太阳能充足时，将多余热能储存至储热罐，避免集热器过热；夜间或光照不足时，优先使用储热罐中的热量，不足部分由地源热泵补充。根据储热介质的特性，控制储热温度与取热速率，例如相变储热系统需维持温度在相变点附近，以提高储热效率。同时，通过温差循环泵实现储热罐与各子系统的高效换热，减少能量损失。

4 结束语

地源热泵与太阳能的复合应用是建筑暖通系统低碳化的重要技术路径，二者通过时空互补与能量梯级利用，可显著提升可再生能源利用率并克服单一技术的局限。串联、并联、混合三种集成模式各有适用场景，其中混合式系统因储热装置的引入，在稳定性与能效方面表现最优。通过动态负荷调控、地源热平衡调控及储热优化运行，可实现系统高效协同。随着材料技术与数字技术的发展，复合系统将向更高效、更智能、更经济的方向演进，为建筑能源系统的可持续发展提供有力支撑。

参考文献：

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