引言基于碳达峰和碳中和发展要求，将提高建筑能效和可再生能源利用作为村镇建筑碳减排的路径[1-2]。我国北方大部分地区拥有较丰富的太阳能资源，太阳能热水技术在北方地区发展较快。《农村统计年鉴2020》数据显示，2019年我国北方村镇供热地区的太阳能热水器面积已达3 651.4 万m2。除了拥有较丰富的太阳能资源，北方地区土地里还蕴藏着丰富的浅层地能资源，通过地源热泵系统为建筑供热具有较高的利用效率，可以将1 kWh电能转换为4 kWh左右的供热量[3-4]。通过太阳能进行单独供热的初投资较高且运行相对不稳定；而地源热泵在北方地区应用的显著问题是冬季取热量高于夏季放热量，会破坏土壤热平衡，导致地埋管热力性能变差，长期运行造成机组蒸发温度下降、性能系数降低。为此将两类技术有效结合，通过太阳能集热系统收集非供热季热能并蓄存于土壤，可有效恢复地下土壤温度场，实现机组稳定高效运行。国内外学者对太阳能和地源热泵复合供热系统的性能、优化匹配、控制策略等方面进行了研究[5-12]，取得相应成果，证明该系统应用的可行性和节能优势。Trillat-berdal[13]等开发了一套太阳能-地源热泵耦合供暖系统为面积180 m2的建筑供暖，运行11个月后，系统运行的COP比普通的电热水器高出60%。刘杰[14]等针对严寒地区某住宅构建太阳能与地源热泵联合供暖系统，并对其进行运行分析。结果表明，与太阳能系统联合运行有利于提升供暖系统的制热性能系数及热泵机组进水温度。Ozgener[15]等研究安装在土耳其Ege University中的一套太阳能辅助土壤源热泵温室供暖系统，发现压缩机及室温对系统效率损失影响最大。Unal[16]等设计一套太阳能辅助垂直地埋管型热泵系统，研究整个系统在Mardin地区气候条件下的能源效率和效率。Banjac[17]等提出将太阳能集热器和地源热泵通过地下蓄热水箱耦合，并建立仿真模型对系统供热表现进行模拟，耦合系统在供暖期间高效运行，并具备一定经济效益。目前，太阳能和地源热泵复合供热系统已通过示范形式在我国部分村镇建筑中应用，但复合系统具有复杂性，实际运行中两种能源的转换效率、实时控制等方面存在问题[18-20]，复合供热系统的初投资、运行成本较高，阻碍系统在农村进一步推广。因此，针对村镇建筑末端需求，进一步开展太阳能和地源热泵复合供热系统的研究，提出运行优化策略，对提高运行效率、降低运行成本具有重要意义。以河南省鹤壁市某村镇小型办公楼为研究对象，分析其建筑用能特点，采用Trnsys软件模拟，从供能占耗能比例的角度计算复合供热系统的COPSYS，模拟分析太阳能和地源热泵供热系统在不同工况下的系统COPSYS，确定系统最佳COPSYS时的工况，为太阳能与地源热泵复合供热系统的进一步推广提供参考。1模型建立1.1工程简介工程为河南省鹤壁市某低能耗办公楼，建筑面积为2 500 m2，地上4层，建筑高度16 m。工程采用太阳能与地源热泵复合供热系统，供热区域面积约为1 700 m2，供热时间为每年的11月15日至次年的3月15日，供热天数为121 d，供热室内设计温度为18 ℃。室外计算主要参数：供热室外计算温度-4.7 ℃，冬季室外平均风速1.9 m/s；夏季空调室外计算干球温度34.7 ℃，夏季空调室外计算湿球温度27.3 ℃，夏季室外平均风速2 m/s。建筑热工计算参数：建筑围护结构的传热系数K值分别为屋面0.18 W/(m2·K)、外墙0.24 W/(m2·K)、外窗1.30 W/(m2·K)。室内供热及空调设计参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.T001表1室内供热及空调设计参数房间名称夏季温度/℃冬季温度/℃人均新风量/(m3/h)办公室261830会议室2618301.2系统设计办公楼空调系统和太阳能热水系统设计采用多能源时序互补集中式供热供冷系统。冬季空调供回水温度为45 ℃/40 ℃，夏季空调供回水温度为7 ℃/12 ℃。室内末端形式为风机盘管，并通过新风全热交换机组对室内进行送风排风。办公楼空调系统水平管采用同程式，立管采用异程式。太阳能集热器安装于屋面，作为系统的补充热源，供末端供热，也可在过渡季节直接向蓄热场进行蓄热。太阳能-地源热泵复合供热系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F001图1太阳能-地源热泵复合供热系统多能源时序互补集中式供热供冷系统运行时，夏季采用地源热泵系统制冷，冬季制热采用多能互补系统。冬季工况制热时，优先采用太阳能直接供热，充分利用太阳能热水；太阳能供热不能满足需求时，采用太阳能蓄热+地源热泵供热，充分利用太阳能储热水箱热量；当太阳能储热水箱温度不能满足蓄热要求时，由地源热泵系统单独供热。项目冬季供暖期热负荷为82.01 kW，室内供暖系统末端形式为风机盘管，冬季空调供回水温度为45 ℃/40 ℃，采用抗高压的高密度聚乙烯管，额定承压能力1.6 MPa，外径垂直单U埋管，并联同程式。项目以冬季供热为主，地埋管换热孔设计深度为100 m，换热孔数量20个，管径32 mm，孔口位于地面2 m以下，钻井直径120 mm，间距4.5 m。考虑太阳能独立供暖和系统补热需求，计算太阳能集热器面积为400 m2，考虑管路热损失，集热器面积取420 m2。系统主要设备参数表如2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.T002表2复合系统主要设备参数名称型号规格台数热泵机组DBT-120ORQ=132.4 kW，N=28.8 kW。1地源侧水泵CRE-20L=23.0 m3/h，H=13 m，N=1.3 kW。2负荷侧水泵CRE-15L=19.0 m3/h，H=13 m，N=1.1 kW。2太阳能循环泵PH-251EL=11.4 m3/h，H=4 m，N=250 W。11.3Trnsys模型构建仿真系统实际运行情况非常复杂，难以精准模拟，需要对仿真模型进行简化。对模型进行如下假设：（1）忽略太阳能集热器的老化及灰尘污染物等对即热性能造成的影响；（2）忽略系统管路的热损失；（3）管内流体在同一截面上的温度和速度分布均匀；（4）土壤是均匀、刚性且各向性同的介质，忽略水分迁移造成的影响；（5）地埋管与土壤之间为接触良好的纯导热，忽略各界壁热阻。以实际案例中太阳能耦合地缘热泵系统为参考，通过Trnsys软件构建太阳能与地源热泵复合供热系统计算模型。太阳能-地源热泵复合供热系统计算模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F002图2太阳能-地源热泵复合供热系统计算模型太阳能供热时通过集热器获取热量，经过中间设备送至建筑室内，过剩热量会被储存在储热水箱中。集热器收集热量小于供热负荷时，由储热水箱储存的热量补充；储存的热量不足时，由辅助热源提供。储热水箱温度是判断太阳能供热系统能否满足建筑供热需求的关键点。因此，设定不同储热水箱温度(Tset1、Tset2、Tset3)为供热模式转换点。将Tset1、Tset2和Tset3从高到低排列，在供暖期，将储热水箱的实时温度与设定值(Tset1、Tset2和Tset3)进行对比，通过温度对比确认此时的太阳能质量，通过储热水箱的温度变化，选择不同的工作模式，分别包括地源热泵单独供暖、太阳能单独供暖、太阳能-地源热泵联合供暖。以充分利用太阳能为原则，供热模式控制策略如下：（1）太阳能热水供热模式（优先使用太阳能供热）。时间大于时间设定值H1（8：00，可调）且储热水箱温度T11大于储热水箱温度设定值Tset1，太阳能供热电磁阀开启，太阳能负荷侧水泵启动，热泵机组停止；时间大于时间设定值H1（8：00，可调）且储热水箱温度T11小于储热水箱温度设定值Tset2，太阳能供热电磁阀关闭，太阳能供热水泵停止，热泵机组启动。太阳能热水供热系统控制连接方式如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F003图3太阳能热水供热系统控制连接方式（2）地源热泵+太阳能热水地场蓄热模式。时间大于时间设定值H2（16：00，可调）且储热水箱温度T11大于储热水箱温度设定值Tset1时，控制方式与太阳能热水供热工况相同；时间大于设定值H2（16：00，可调）、储热水箱温度T11小于储热水箱温度设定值Tset2且大于储热水箱温度设定值Tset3时，热泵机组启动，太阳能热水蓄热侧水泵启动且电磁阀开启，开启蓄热；时间大于时间设定值H2（16：00，可调）且储热水箱温度T11小于储热水箱温度设定值Tset3时，热泵机组启动，太阳能蓄热侧水泵停止且电磁阀关闭，停止蓄热。地源热泵+太阳能热水地场蓄热控制连接方式如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F004图4地源热泵+太阳能热水地场蓄热控制连接方式2模型验证文中主要从冬季工况进行验证，试验数据源自前期调研。2021年12月24日的实际气象数据条件下，水箱温度和供热量的验证结果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F005图5水箱温度和供热量的验证结果由图5可知，模型在模拟过程中得到的模拟值和系统实测值误差基本在允许范围内，水箱温度和供热量对比基本验证了模型运行整体性能的准确性。模拟值与实测值存在误差的主要原因如下：（1）钻井的实际回填材料复杂，传热系数不同，模型将其传热系数视为相同；（2）实际工程中，埋管的换热性能会随着埋深不同而变化；（3）模型中系统开关时间是设定值，实际运行时的开停机时间由人为控制；（4）太阳能集热器的自控行为在模型中十分灵敏和准确，实际工程案例中存在各种干扰导致灵敏度要求不高，实际系统运行工况存在一定差异。根据模拟值和实测值的比较结果，构建的模型较为准确，可以用于模拟计算。3结果与讨论3.1供热系统的COPSYS对比鹤壁市计算太阳辐射量如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F006图6鹤壁市计算太阳辐射量通过模拟分析太阳能-地源热泵复合供热系统在供热温度40 ℃时，整个系统的COPSYS优于供热温度45 ℃时系统COPSYS的天数为112 d，占整个供热季的比例为92.56%，能效提升均值为25.35%；能效提升25%以上的天数为69 d，占整个供热季的比例为57.02%。供热温度40 ℃较45 ℃下能效提升天数比较如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F007图7供热温度40 ℃较45 ℃下能效提升天数比较对比地源热泵单独供热系统和复合供热系统在40 ℃和45 ℃供热温度下的COPSYS均值，如表3所示。复合系统的平均COPSYS在供热温度45 ℃和供热温度40 ℃下，均比单独热泵系统COPSYS高出1倍。与传统地源热泵的供热系统相比，太阳能与地源热泵复合供热系统具有更高的节能效果，系统能效更高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.T003表3地源热泵单独供热系统和复合供热系统的COPSYS均值供热温度/℃单独热泵系统复合系统403.056.86453.056.36太阳能辅助地源热泵系统具有节能优势，很多学者研究提出很多不同类型的太阳能辅助地源热泵系统，太阳能辅助地源热泵系统研究对比如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.T004表4太阳能辅助地源热泵系统研究对比序号地区系统效果参考文献1寒冷地区PVT耦合地源热泵供暖系统光电、光热效率为15.0%、46.6%，系统COPSYS对比单独热泵提升10.3%。金满[21]等2夏热冬冷地区太阳能-地源热泵冬季联合系统最优模式的系统平均COPSYS为2.19。崔云翔[22]3夏热冬冷地区太阳能-地源热泵耦合式热水系统热水费用降至6.53元/t，经济性得以优化。邹晓锐[23]等4严寒地区太阳能跨季节蓄热地源热泵耦合系统太阳能辅助供暖模式热泵COP为3.47，太阳能跨季节蓄热模式热泵COP为3.83。冯国会[24]等学者们利用太阳能辅助地源热泵系统对建筑供暖、生活热水等需求进行设计和优化，文中通过水箱温度的变化设定不同的系统运行模式，并依据室外气温将整个供暖期划分为3个阶段，针对每个供暖阶段设计不同的系统供热温度，在满足需求的前提下最大限度地降低能耗。3.2太阳能-地源热泵复合供热系统COPSYS分析模拟太阳能耦合地源热泵供热系统，供热温度为40~45 ℃时的60个工况，并将供热季分为初寒期、严寒期和末寒期共3个阶段。复合供热系统不同供热阶段的时间和温度设定如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.T005表5复合供热系统不同供热阶段的时间和温度设定阶段时间供热温度/℃初寒期11月15日~12月15日40~42严寒期12月16日~次年2月15日43~45末寒期次年2月16日~次年3月15日40~42储热水箱的温度设定值为Tset1、Tset2、Tset3。储热水箱温度Tset1时，采用太阳能热水系统单独供热；Tset3储热水箱温度Tset2时，采用地源热泵供热+太阳能系统给地埋管蓄热复合供热；储热水箱温度Tset3时，采用地源热泵供热。Tset2=30 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset1的变化如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F008图8Tset2=30 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset1的变化由图8可知，随着储热水箱温度Tset1的升高，3个不同时期的COPSYS均值基本呈现逐渐下降的趋势，储热水箱温度Tset1由40 ℃增加至45 ℃时，初寒期、严寒期和末寒期3个阶段的COPSYS均值分别降低3.34%、10.10%和7.35%。Tset1为定值时，末寒期的COPSYS均值最高，分别比初寒期和严寒期提高16.88%和51.75%。Tset2=35 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset1的变化如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F009图9Tset2=35 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset1的变化由图9可知，3个不同时期的COPSYS均值随着储热水箱温度Tset1的变化趋势与图8中的趋势一致。储热水箱温度Tset1由40 ℃增加至45 ℃时，初寒期、严寒期和末寒期3个阶段的COPSYS均值分别降低3.06%、9.79%和7.24%。表明改变储热水箱温度Tset2，对太阳能耦合地源热泵供热系统的COPSYS变化不大。Tset1=40 ℃、Tset3=20 ℃以及Tset1=45 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS随Tset2的变化如图10和图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F010图10Tset1=40 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset2的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F011图11Tset1=45 ℃、Tset3=20 ℃时3个不同时期的COPSYS均值随Tset2的变化Tset1=40 ℃时，储热水箱温度设定值Tset2由30 ℃增至39 ℃，初寒期、严寒期和末寒期共3个阶段的COPSYS均值分别降低1.80%、4.89%和3.15%；Tset1=45 ℃时，初寒期、严寒期和末寒期共3个阶段的COPSYS均值分别降低0.12%、0.54%和0.99%，表明Tset2的变化对太阳能耦合地源热泵供热系统的COPSYS影响不大，在Tset1值较高时的影响更小。为了分别选出3个供热时期内的COPSYS最佳工况，对模拟的60个工况点进行统计对比。60个工况点的储热水箱温度和不同时期的COP均值如图12所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.001.F012图1260个工况点的储热水箱温度和不同时期的COPSYS均值由图12可知，初寒期最优工况：Tset1、Tset2、Tset3分别为42 ℃、36 ℃、20 ℃，其COPSYS为7.21；严寒期最优工况：Tset1、Tset2、Tset3分别为43 ℃、36 ℃、20 ℃，COPSYS为5.39；末寒期最优工况：Tset1、Tset2、Tset3分别为40 ℃、30 ℃、20 ℃，COPSYS为8.57。4结语以河南省鹤壁市某低能耗办公楼为研究对象，通过Trnsys软件建立太阳能-地源热泵复合供热系统模型并进行优化计算，分析优化结果，得出以下结论：（1）太阳能-地源热泵复合供热系统具有较好的节能效果，在供热温度45 ℃和供热温度40 ℃情况下，太阳能-地源热泵复合供热系统的平均COPSYS均比地源热泵单独供热系统COPSYS高出1倍。（2）太阳能-地源热泵复合供热系统中，随着太阳能热水系统单独供热设定温度Tset1的升高，复合供热系统的不同供热时期COPSYS均值下降，地源热泵供热+太阳能蓄热模式储热水箱供水温度Tset2的变化对复合供热系统的COPSYS影响不大。（3）太阳能-地源热泵复合供热系统在供热初寒期、严寒期和末寒期，在最优工况Tset1、Tset2、Tset3设定温度下的COPSYS分别为7.21、5.39和8.57。