近期，在由国家太阳能光热联盟和中国科学院电工研究所主办，内蒙古旭宸能源有限公司联合承办的“2020国际可再生能源供热技术大会”上，内蒙古科技大学吴晅教授作了题为《太阳能+土壤源热泵耦合供暖研究与应用》的主旨报告。作为国家自然科学基金、内蒙古自治区自然科学基金、内蒙古自治区科技创新引导资金、内蒙古自治区成果转化项目等资助的科技项目，吴晅教授介绍其低品位能源综合利用创新团队在太阳能+土壤源热泵的运行模式优化、土壤源热泵地埋管换热器强化换热以及在寒冷地区太阳能蓄热+热泵多能互补供暖工程示范应用等方面的研究工作及进展，认为“严寒地区大型住宅建筑，太阳能+土壤源热泵系统相对具有较好的抗风险能力”。
以下为其报告的主要内容：
一、太阳能+土壤源热泵复合系统的必要性
1、土壤热平衡的需要
2、土壤热平衡的需要（供热为主）
3、地域气候与能源特点的需要
包头市位于内蒙古中东部，北纬40°38′，东经109°59′，海拔约为1067 m，年均日照辐射小时数3115.5h。日照时最长在5～7月，平均每天9～10小时。
最冷月为1月份，日平均气温为-20℃，日最高气温-2 ℃。冬季供暖时间为10月15日至次年4月15日，共计182天。
4、系统长期高效运行的需要
结果表明，COP随蒸发温度的降低而降低。因此，必须寻找一种可行的恢复地温的方法。而将太阳能存储到地面是一个不错的选择！
5、降低投资风险的需要
◎ 以包头地区约1万平米的建筑为例，对单一土壤源热泵系统和太阳能+土壤源热泵系统进行成本和收益的估算。
◎在运行年限内，单一土壤源热泵系统，其回收年限要长于太阳能+土壤源热泵系统。
◎ 对于严寒地区大型住宅建筑，太阳能+土壤源热泵系统相对具有较好的抗风险能力。
6、降低系统初投资的需要
土壤源热泵系统运行费用低，但初投资偏高，如何降低初投资是其推广应用的关键。降低土壤源热泵系统初投资的主要在于减少地埋管换热器成本。
7、供热为主（热负荷大于冷负荷）
二、系统优化研究
我们认为，系统优化措施主要有地埋管换热强化、运行模式优化、控制策略优化、部件匹配优化等措施。
以下详述地埋管换热强化、运行模式优化的过程及结果：
1、地埋管换热强化
（1）钻孔埋管参数
◎ 几何结构参数：钻孔直径、钻孔深度、埋管形式、管脚间距、埋管直径等。
◎ 流动及热物性参数：流体热物性、管材热物性、流体流速等。
（2）钻孔回填材料
◎ 导热性能：综合考虑管脚热短路及强化传热
（3）换热控制模式
◎ 间歇运行：给予土壤温度恢复的时间
◎ 分区调控：部分负荷时，不同区域埋管轮换使用
（4）换热管间热短路
（5）地下水渗流强化管群换热
蓄热为例加以说明:
虽然渗流速度越大，上下游埋管换热量差异越大；但从换热量差占总换热量的比值来看，其值逐渐减少。
与无渗流现象发生时相比，渗流速度的增加强化了管群的换热能力。
（6）分层结构对管群整体换热影响
管群的换热效率始终低于均质岩土的效率。岩土分层现象对管群的整体换热起到削弱作用，且换热时间越长，其与均质模型的换热效率差异也越大。
（7）非连续（间歇）运行控制
非连续运行工况可改变土壤温度变化趋势，延缓土壤温升或温降率，从而可有效提高浅层地热能利用率。
2、运行模式优化
（1）跨季节蓄热型热泵系统仿真
太阳能集热器将吸收的热量存储在蓄热水箱之中，蓄热水箱中的热水通过循环水泵将热量通过竖直U型地埋管换热器储存于土壤之中；取热过程中，取热地埋管换热器将蓄热地埋管传递给周围土壤中的热量通过循环水传递给热泵机组的蒸发器端，然后通过热力循环过程将热量传递到用户侧，达到采暖目的。
（2）内蒙包头地区采暖期：10月15日～4月15日共计6个月时间
◎ 5月～6月份采用白天蓄热6小时，晚上恢复18小时，蓄热温度为30℃～40℃；
◎ 7月～9月份白天采用蓄热8小时，晚上恢复16小时，蓄热温度为40℃～60℃；
◎ 11月～4月份采用白天蓄热4小时，晚上恢复18小时，蓄热温度为30℃～35℃；
◎ 取热过程采用热泵连续运行模式，取热过程中流体温度为7℃～9℃。
三、实验示范
内蒙古科技大学能源与环境学院太阳能+热泵供热系统实验示范平台
该实验示范平台位于内蒙古科技大学校园内，主要设备有：
◎ 2眼换热孔，采用双U型PE管垂直地埋管，并联连接，管外径32mm，管内径26mm，管壁厚3mm，埋管深度75m，井间距4m。
◎ 实验平台：热泵机组、风机盘管、补水箱、太阳能集热板、地埋管换热器、蓄热水箱等。
◎由两个5.9m × 2.4m × 2.4m集装箱构成模拟房，分两层、四个房间布局，每个房间均布置一台风盘末端。
系统设置为太阳能补热模式，并使用间歇模式进行补热。设置当天6：00—20：00为补热模式，当天20点至第二天上午6点为无功循环模式。
四、工程应用
1、热响应测试仪性能检测平台
准确的岩土热物性参数是影响土壤源热泵系统的一个重要因素。热响应测试主要通过热响应测试仪来实现，很多热响应测试仪器在测量的准确性方面都存在问题。
该检测平台能够模拟不同参数地埋管换热孔出水温度的控制要求。利用该检测台可以对热响应测试仪进行在线精度检测和准确性检测，通过精度检测试验，可对不同类型TRT设备在线精度和控制精度做出评价。
2、基于太阳能集热和先进的低温蓄热技术的热泵供暖系统
该系统由内蒙古科技大学能源与环境学院、北京华清荣昊新能源开发有限责任公司共同设计和建设。
◎ 多能互补供暖工程占地面积约为1300平米，室内建筑面积约为550平米，集办公、住宿、展厅等多种功能。
◎ 室内末端形式有风机盘管、地板采暖、毛细管、冷梁、暖气片，其中北侧展示厅装有新风系统，采用屋顶风口和地面新风置换两种方式。
◎ 太阳能集热、地埋管地源热泵供热、空气源热泵供热以及谷电阶段的水蓄热和低温相变蓄热。
◎ 太阳能的集热面积30平米，采用平板式太阳能集热器。
◎ 4眼换热孔和3眼监测孔，孔深分别为150m、100m、100m和120m；1#、2#和4#换热孔埋设双U型PE管，3#换热孔埋设同轴套管换热器；其中1#监测孔为环境监测孔，位于1#换热孔北侧6m；2#和3#监测孔位于1#和2#换热孔之间为干扰监测孔。
附：内蒙古科技大学能源与环境学院简介
内蒙古科技大学能源与环境学院本科教育拥有“建筑环境与能源应用工程”、“能源与动力工程”、“给排水科学与工程”、“环境工程”、“环境生态科学与工程”四个自治区品牌专业。学院拥有两个自治区级工程中心、一个自治区级重点实验室和一个校级重点实验室。
其中，“建筑环境与能源应用工程”为内蒙古自治区一流建设专业，一级学科硕士点“动力工程及工程热物理”，二级学科硕士点“供热、供燃气、通风及空调工程”。
几十年来，为全国各地输送了大批从事能源动力、供热、空调制冷、建筑等领域的高级应用型人才。
内蒙古科技大学可再生能源多能互补重点实验室、低品位能源综合利用创新团队介绍
实验室概览
◎ 骨干成员8人，高级职称比例60%，博士比例70%，均毕业于西安交通大学、大连理工大学、东南大学、浙江大学、西安建筑科技大学等知名高校，其中3人具有海外留学经历；
◎ 内蒙古自治区“草原英才”1人，内蒙古自治区“草原英才青年创新人才”1人，内蒙古自治区“321工程”一层次人才1人，包头市“5512工程”学术技术带头人2人。
◎ 先后承担国家自然基金项目7项，省部级项目20余项，近五年累计科研经费达500余万元。
主要研究方向：
◎ 可再生能源多能互补的供暖/供冷系统研究和应用；
◎ 满足供暖用热需求的低温储能材料及配套储能系统；
◎ 生物质能清洁转化的研究与应用；
◎ 基于太阳能利用的新型制冷系统和制冷工质研发。
（董清风 整理编辑）
