引言随着农村地区经济的发展，对供暖的需求越来越高。大力开发和利用浅层地热能、太阳能等可再生能源，有助于推动农村地区能源绿色转型发展，调整能源结构，应对气候变化和保护生态环境。我国北方农村地区的用能特点是冬季供暖需求大，夏季制冷需求小，热负荷大于冷负荷。为了提高供暖系统的综合性能，考虑采用太阳能作为辅助能源，使土壤温度场保持平衡，实现供暖、制冷、生活热水等多种功能。如何结合浅层地热能和太阳能的优势、最大限度节约能源，成为未来农村供暖的发展方向之一。1项目概况项目工区为邯郸市馆陶县，属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。工区全年日照充足，蕴含丰富的太阳能与浅层地热资源，具有发展潜力和推广空间。项目研究对象为农村自建平房，供能面积为100 m2，包含4间卧室和2间客厅。2整体方案设计整个系统主要分为太阳能集热系统、地源热泵空调系统、自控及监测系统共3个部分。系统可实现太阳能直接供暖、地源热泵+太阳能联合供暖、地源热泵单独供暖和地源热泵夏季制冷共4种功能。2.1工作原理供暖初期，太阳能辐射量相对较高，可以直接利用太阳能集热系统的热量为建筑物供暖。储热水箱温度Tg40 ℃时（工况一），太阳能集热系统直接供暖；Tg为16~40 ℃时（工况二），开启地埋侧循环泵，地埋侧供水进入储热水箱，经过一次热量交换后进入机组，机组空调侧水温达到40 ℃时进行供暖；Tg16 ℃时（工况三），太阳能支路关闭，开启地埋侧循环水泵，由地源热泵系统单独供暖；夏季制冷期（工况四），太阳能集热系统仅用作日常生活热水供应，系统自动切换为常规地源热泵运行工况。2.2设备选型设计2.2.1地源热泵系统设计设定冷负荷指标为90 W/m，热负荷指标为110 W/m，通过土壤热物性试验得到单位深度土壤的平均放热能力为50 W/m，吸热能力为35 W/m，作为地源热泵系统设计的依据。机组容量按照满足夏季制冷工况需求选型，冬季部分热量由太阳能辅助供给。考虑各个房间同时使用系统的系数为0.8，经计算，设计1眼地埋井，采用120 m De25双U换热器；机组制冷量为7.2 kW，制热量为8.5 kW。2.2.2太阳能系统设计邯郸地区属于我国太阳能资源中等地区。全年日照时间约2 750 h，年总辐射量约5 357 MJ/m2。2021年邯郸馆陶地区每小时太阳能辐射量统计如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F001图12021年邯郸馆陶地区每小时太阳能辐射量统计根据场地情况，太阳能集热器采用并联方式被安装在屋顶，设计热管型集热器面积为12 m2，包含真空管90支，配套1 t水箱1台、自动控制系统1套。其中，太阳能集热系统具有温差循环、定时循环、管路防冻、自动上下水等功能，温度可任意设置，系统根据温度情况自动转换工作模式，无须专人看管，节省人力、物力。3监测数据对比分析项目利用监测系统对2020年和2021年2个年度的供暖/制冷运行情况进行分析对比。主要监测数据包括室内外温度、地源热泵系统进回水温度、太阳能系统进回水温度、地温场温度、地源热泵系统能耗、太阳能集热量、地源热泵系统流量、太阳能系统流量等8种类型共27个参数。3.1室内外温度数据对比分析通过对比分析发现，2021年使用联合系统供暖的室内温度略高于2020年使用单一地源热泵系统供暖的室内温度，供暖效果基本一致。3.2浅层地热能地温场对比分析2020年及2021年供暖季地温场温度变化曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F002图22020年及2021年供暖季地温场温度变化曲线由图2可知，2020年供暖季期间，整个建筑由地源热泵系统单独供暖。根据数据统计发现，监测孔地温场变温带、恒温带和增温带的平均地温均呈先逐渐降低、后缓慢回升的趋势，1月份降至最低，变温带、恒温带和增温带分别为13.46 ℃、13.89 ℃、14.30 ℃。2021年供暖季，在原有系统基础上增加了太阳能集热系统，采用浅层地热能+太阳能联合供暖。通过监测数据发现，地温场变温带、恒温带和增温带的平均地温整体变化趋势与2020年相符，比2020年单独使用地源热泵系统的地温高。整个供暖季，变温带平均温度由15.62 ℃降至14.13 ℃后恢复至15.17 ℃，恒温带平均温度由15.84 ℃降至14.69 ℃后恢复至15.33 ℃，变温带平均温度由16.53 ℃降至15.06 ℃后恢复至16.07 ℃。2020年单独使用地源热泵系统的地温场温度变化比2021年使用联合系统的地温场温度变化幅度大，使用单一地源热泵系统的地温场温度降低速度较快。联合系统可以利用太阳能直接供暖，缩短地源热泵工作时间，间歇性从地下提取热量，地埋管循环水将部分热量带入地下，间接对地下土壤进行补热。3.3系统能效比分析系统能效比指供暖系统的制冷/热量与系统输入电量之比，项目的系统输入电量主要包括热泵机组与水泵的输入电量之和。地源热泵供暖系统的系统能效比ηEER为：ηEER=QNi (1)式中：ηEER——供暖系统的制热能效比；Q——系统测试期间的总制热量，kWh；Ni——系统测试期间，供暖系统消耗的电量，kWh。系统的总制冷/热量Q为：Q=qiTi+Qh (2)qi=ViρiciΔti3 600 (3)式中：qi——地源热泵系统制热量，kW；Ti——地源热泵系统使用持续的时间，h；Qh——太阳能系统供给末端的热量，kW；Vi——地源热泵系统用户侧的平均流量，m3/h；ρi——热媒介质平均密度，取1 000 kg/m3；ci——热媒介质的平均定压比热，取4.18 kJ/(kg·℃)；Δti——系统用户侧的进出口水温差，℃。计算得2020年供暖季的能效比为3.40，2021年供暖季的能效比为4.17。联合系统的能效比比单一地源热泵系统能效比高0.77。采用太阳能集热系统作为辅助热源改善了系统冬季工况下的运行性能，减少了耗电量。体现了应用太阳能辅助补热的必要性和重要性，进一步证明试验地区适宜采用浅层地热能+太阳能联合供暖模式。4综合效益分析4.1经济效益分析（1）运行费用。根据2021年供暖季联合系统的运行数据统计，联合系统冬季供暖运行成本为3 143.9×0.6/100≈18.86元/m2，单一地源热泵系统运行成本为3 840×0.6/100≈23.04元/m2。整个供暖季，与单一地源热泵系统相比，联合系统节约供暖运行费用约418元。（2）投资概算。单一地源热泵系统与联合系统的设备年投资及运行费用对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.T001表1单一地源热泵系统与联合系统的设备年投资及运行费用对比项目联合系统单一地源热泵系统前期投资35 00026 000合计2 4183 836运行费用夏季制冷运行费用432432冬季供暖运行费用1 8862 304生活热水1001 100元地源热泵系统初投资为主机0.70万元、风盘末端0.48万元、1个地埋管系统费用0.32万元、太阳能系统2.00万元，共投资3.5万元，初期投资较高。但联合系统可以实现供暖制冷，提供生活热水，一次投资全年使用，并且更加节能，极大地降低了运行费用。由表1可知，联合系统前期投资比单一地源热泵系统多9 000元，运行费用每年可以节约37%。投资回收期为6.34年，前期投资高出部分需要约6年收回成本。从整个寿命周期角度分析，联合系统的成本会越来越低。（3）经济性最佳配比。建筑物的面积固定时，通过增加太阳能集热器面积能够提高太阳能供暖效率。随着太阳能集热器面积增加，集热量增加，联合系统总的运行费用降低，但初期投资成本相应提高。本项目按照100 m2的供暖面积计算，分别从初期成本和运行费用两个角度进行分析，确定地源热泵与太阳能集热器的合理供热比例。不同地埋孔数量和集热器面积配比方案如表2所示。地源热泵系统必须保证夏季制冷以及冬季晚上供暖的最低功率，至少配置1个地埋孔，热源不足部分由12.8 m2的太阳能集热器提供，该配置为联合系统的极限配比，也是经济效益最佳配比。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.T002表2不同地埋孔数量和集热器面积配比方案方案地埋孔个数太阳能集热器面积/m2初投资/元年运行费用/元1112.835 0002 418227.230 0003 12733026 0003 8364.2环境效益分析使用传统集中供暖方式时，每个供暖季需要燃煤约2.5 t，排放6.40 t CO2、0.06 t SO2、0.03 t氮氧化合物、0.50 t粉尘。使用浅层地热能+太阳能联合利用系统，使用清洁可再生能源，能源利用效率高，可以减少煤炭等化石能源的消耗，减少有害气体排放。5系统模拟优化利用Trnsys 18仿真模拟软件对系统进行建模，设置不同设计参数，分别对太阳能集热系统以及联合运行特性进行全年模拟，根据模拟结果，基于系统运行特点对系统设计参数进行优化。联合系统Trnsys模型流程如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F003图3联合系统Trnsys模型流程完成建模工作后，探究不同集热器面积和不同倾角对集热量的影响、不同集热器面积和不同倾角对储热水箱温度的影响、不同储热水箱容积对太阳能集热效率和地源热泵COP的影响，并进行优化。5.1建筑负荷模拟采用Trnsys中的Type56多区域建筑模块计算建筑实时负荷，模块采用Asfrea标准中推荐的计算方法，通过设定朝向、围护结构和附加耗热量等参数，进行建筑负荷逐时模拟。5.2集热器倾角模拟分析集热器倾角一般按照项目地的纬度设计，本项目倾角在36°左右区间进行模拟，在倾角设置对话框中变换不同数值进行Trnsys模拟，根据各种倾角模拟结果确定最优倾角。集热器倾角对集热量、水箱温度的影响如图4所示。相同集热面积条件下，倾角从30°开始增大，集热量逐渐升高，倾角为45°时的集热量最多，采暖季水箱平均温度最高。因此，集热器的最佳倾角为45°。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F004图4集热器倾角对集热量、水箱温度的影响5.3集热器面积模拟分析建筑物面积固定时，集热器面积过小会导致循环介质在集热器中无法充分换热，面积过大不利于系统的经济性。在满足使用功能的情况下，采用费用年值法优化集热器面积。费用年值计算公式为：Z=i1+in1+in-1×L0+C (4)式中：Z——费用年值，元/a；i——存款利率，为5.5%；n——系统寿命，取15 a；L0——系统初投资，元；C——年运行费用，元/a。其他条件一定时，太阳能集热器的总集热量和水箱平均温度随着集热面积增大而增大，但增大幅度逐渐减小，集热系统面积为10 m2时，综合费用最低。5.4地温场模拟分析土壤平均温度是反映系统性能的重要参数。通过TRNSYS软件对单一地源热泵系统和联合系统进行1年期(8 760 h)和10年期(87 600 h)的模拟运行。模拟运行1年土壤平均温度变化曲线如图5所示。模拟运行10年土壤平均温度变化曲线如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F005图5模拟运行1年土壤平均温度变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F006图6模拟运行10年土壤平均温度变化曲线由图5、图6可知，无论地下换热器的吸排热量是否平衡，运行第一年的地温下降幅度最大，该结果不仅与吸排热量的不平衡率有关，也与周围岩土体之间的温差有关。单一地源热泵系统运行1年后土壤温度降至14.41 ℃，10年后土壤温度降至14.07 ℃，下降幅度为0.34 ℃；联合系统运行1年后土壤温度降至14.46 ℃，10年后土壤温度降至14.34 ℃，下降幅度0.12 ℃，降幅小于单一地源热泵系统。大体量建筑地埋管集群模式下，地埋管之间的热影响很大，蓄热体失去的热量值与周围岩土体补充和地埋管间距、深度、土壤热物性参数有关。实际设计中，有必要保持地下换热器的年吸排热量基本平衡。单一地源热泵系统运行1年的吸排热量模拟如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.005.F007图7单一地源热泵运行1年的吸排热量模拟5.5系统能耗模拟分析联合系统的节能效果主要体现在地源热泵机组和生活热水能效比的差异方面。采用联合系统时，机组蒸发温度升高，机组的制热系数明显提高，太阳能制热水效率明显高于其他方式。太阳能集热器集热量为9.7×106 kJ，联合系统供暖总消耗量为60.39×106 kJ；单一地源热泵系统能耗为9 420 kWh，联合系统能耗为7 545 kWh。供暖季，集热器全年集热量约占总供暖消耗量的16.1%。与单一地源热泵系统相比，联合系统可以节省能耗1 875 kWh。6结语通过对比本次试验监测数据和Trnsys模拟数值，发现数据基本一致。在邯郸冀南地区采用浅层地热能+太阳能联合系统，能够解决冬季取热量和夏季排热量不平衡问题，提高综合能效比。使用太阳能作为辅助热源，提高了蒸发器的蒸发温度和制热效果，相比单一地源热泵系统，可以节省能源消耗约20%；相比传统燃烧矿物燃料供暖，每年可节省原煤322.61 kg。研究结果为浅层地热能+太阳能联合系统技术的不断发展提供经验和数据支撑，具有良好的可再生能源利用潜力和推广示范作用。