随着能源短缺和供暖面积的逐渐增大，各国都在积极寻求清洁可持续的可再生能源供暖方式。太阳能地源热泵系统也获得了很多成功应用，如，太阳能光热联盟理事单位——道荣新能源2018年在河北邢台建成了500㎡槽式中温太阳能集热系统耦合地源热空气源泵示范系统，可满足工厂2000㎡的办公区取暖；力诺瑞特在山东淄博市高新区某小学建成太阳能跨季节蓄能供暖系统，其中太阳能集热面积为1841㎡；云南宁蒗泸沽湖机场采用的“太阳能地源热泵”的清洁供暖方案，相比原来设计的“太阳能+电热锅炉”方案，每年节约电费约134.46万元。
1、太阳能地源热泵耦合系统
图1：太阳能地源热泵供暖系统示意图
地源热泵是一种高效、节能、环保的新型空调系统，然而初投资较大，同时长期运行会带来土壤温度下降，热泵机组制热能力不足等问题。太阳能清洁可再生，前景巨大，但运行周期性波动性较大，将两者进行结合，一方面由于土壤具有蓄能、稳定性及延迟性的特点,可以作为太阳能的蓄热装置；另一方面，由于太阳能的辅助供热作用,使得地埋管换热器可以间歇运行，土壤温度场能够得到及时恢复,从而使热泵运行稳定。因此两种低位热源热泵的联合运行是一种比较合理的方案,可以互相取长补短,发挥各自的优势,弥补单一热源热泵的不足,提高热泵系统的COP值。
2、太阳能地源热泵耦合系统的特点
(1)太阳能和地表热量都是储存量非常大但是非常分散的低品位能量，通过太阳能热泵和地源热泵技术可以对这些能源进行充分的挖掘、采集并利用，为人类能源供应提供了更多的途径。
(2)太阳能和地热能都是清洁能源,对其储量可以用“源源不断”来形容,本系统在收集和利用这些能源时几乎不会对环境产生影响，因此其生态效益显著。
(3)系统效率相对较高。热泵循环性能系数始终大于1,这表明该系统具有较高的能源利用效率。大量的实践经验表明,通过此系统可以达到非常好的节能减排效果。
(4)浅层地热能其温度常年保持不变,因此在使用时稳定性较好,不受季节性变化的影响。将地源热和太阳能两者进行结合,可以有效避免太阳能容易受到气候因素影响的弊端。
(5)该系统能够达到的功能主要有夏季制冷、冬季供热以及全年供用生活热水。
3、太阳能地源热泵耦合系统的运行模式
太阳能地源热泵系统通常包括五大部分，即太阳能集热器、热泵、蓄热罐、地埋管换热器和室内末端系统。系统可以根据室内外温度、太阳辐射强度、运行时间等条件确定系统在各种工况下的最优运行方式，然后根据阀门的不同开关设置，实现多种运行模式的互相切换。常用的供热运行模式包括：
（1）太阳能供热模式：该模式下，通过少量电能提供动力，将太阳能传输至室内，太阳能作为单一热源对建筑进行供热。此模式仅在太阳能充足的工况下运行。由于此模式为最节能的运行模式，因此在工况符合条件的情况下，应优先运行该模式。
图2：太阳能直接供热
（2）太阳能串联地源热泵负荷侧供热模式：该模式下，太阳能集热器与热泵负荷侧串联，负荷侧出水直接用于供暖。此模式用于太阳能集热器出水的热品质不高，经过热泵提升后能满足供暖需求的工况。
图3：太阳能串联地源热泵负荷侧供热模式
（3）太阳能串联地源热泵热源侧供热模式：该模式下，太阳能集热器与热泵热源侧串联，集热器出水进入地埋管换热器内以提升热泵工作效率，热泵负荷侧出水直接用于供暖。此模式用于太阳能不充足的工况。
图4：太阳能串联地源热泵热源侧供热模式
（4）太阳能蓄热：该模式下，少量电能作为动力，将太阳能输送至蓄热罐进行热能存储。此模式通常用于日间太阳能较为充足而室内无需供暖的工况下。
图5：太阳能蓄热
（5）蓄热罐供热模式：该模式下，蓄热罐出水直接用于供暖。此模式通常用于夜间蓄热罐出水温度足以满足供暖需求的工况。
图6：蓄热罐供热
（6）地源热泵供热模式：该模式下，地源热泵系统作为全部热源进行供暖，热源测通过地埋管换热器为负荷侧提供低品位热源，负荷侧高温出水直接用于室内供暖。此模式通常用于以上模式均不适合开启的工况下，以此来保证整个供热系统的稳定运行。
图7：地源热泵供热
4、展望
太阳能地源热泵耦合供热系统是一种应用前景非常广的节能环保系统，通过运行策略的优化以及系统各组件的匹配优化，使系统能够充分利用清洁可再生的太阳能资源和高效环保的地热能资源，充分挖掘系统节能潜力。但由于该系统初投资大，设计复杂以及系统性能与当地气候条件和地质条件密切相关，因此在不同的地区适用性不同。同时该系统的运行控制方法对系统的运行效果及节能潜力影响较大，目前针对该系统的运行控制方面的研究尚有不足，未来对系统运行策略的优化以及与人工智能相结合等技术上还需进一步的探索与研究。（作者：赵莹莹 姜静华）
参考文献：
[1]G. Nouri, Y. Noorollahi, H. Yousefi, Solar assisted ground source heat pump systems – A review, Applied Thermal Engineering 163 (2019) 114351.
[2] 王楠, 太阳能、地源热泵与相变蓄热复合供热系统的运行特性及调控优化研究, 西安交通大学, 2020.
注：本文章转载自西安交大建筑节能研究中心，不代表本网观点立场。
