引言地热能作为一种储量丰富的清洁能源，在促进我国能源转型、满足国家减缓碳排放战略中发挥关键作用。地热能供暖具有能效比高、供热成本低、清洁低碳等优点[1]，但传统地源热泵系统存在冷热负荷不平衡、取热条件逐年恶化等问题[2]。太阳能与地热能联合供热将发挥多能互补优势，有效解决系统性能逐年衰减的问题[3]。众多学者已针对太阳能和地热能耦合供热系统开展相关研究。王建华[4]等发现，地源热泵系统附加太阳能集热器进行蓄热后，系统运行效率大幅提升。王其良[5]等提出蓄热土壤温度变化是制约机组运行效率的关键因素，太阳能补热的关键在于维持地温变化。山强[6]等、展浩[7]等、闫素英[8]等发现，集热器面积、倾角等因素需根据当地气候条件进行合理设置，才能使系统保持最佳运行状态。沈嘉辉[9]等发现，与并联运行模式相比，太阳能和地源热泵机组串联运行供热效果较好，功耗更低。针对济南市某住宅小区，搭建太阳能-地热复合供热系统研究模型，研究系统的最佳设计参数和运行策略，为太阳能-地热复合供热系统的实际应用提供参考。1太阳能-地热复合供热系统设计1.1建筑概况项目小区总建筑面积约76 252 m2。小区所在地属于大陆性暖温带半湿润季风气候。项目利用典型年气象数据进行热负荷计算。济南市典型年温度分布如图1所示。全年平均太阳全局辐射量为113.58 kWh/m2，平均日照时数为12.025 h。建筑围护结构热物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F001图1济南市典型年温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.T001表1建筑围护结构热物性参数围护结构传热系数楼地0.295屋顶0.124外墙0.250邻墙0.896外窗1.100W/(m2·K)1.2全年热负荷计算基于上述参数设定建立建筑物能耗分析模型。住宅小区建筑热负荷逐时动态变化如图2所示。供暖期间，住宅小区建筑最大热负荷为3 498.7 kW，出现在1月21日8：00。计算结果与小区实际热泵机组制热量匹配，机组设备参数如表2所示。基于实际设备参数以及热负荷，构建太阳能-地源热泵复合供热系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F002图2住宅小区建筑热负荷逐时动态变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.T002表2机组设备参数名称型号数量设备参数功率/kW机组1SGHP1350MII2制热量：1 330 kW302机组2SGHP800MII1制热量：1 015 kW188循环泵NBG125-100-200/1816流量：220 m3/h371.3复合供热系统设计太阳能-地热复合供热系统如图3所示。太阳能水循环系统运行策略分为非供暖季和供暖季两个阶段。在非供暖季，负荷侧阀门全部关闭，地源侧阀门2、阀门3和阀门6关闭，阀门1和阀门4开启。监测太阳能集热器进出口水温，当温差大于8 ℃时，阀门8和阀门9开启，进行蓄热水箱储热；当温差小于2 ℃时，阀门关闭。同时监测蓄热水箱的出水温度和地埋管出水温度，调节阀门5和阀门7开启进行非供暖季地埋管蓄热。在供暖季，负荷侧阀门全部开启，地源侧阀门1、阀门2、阀门3、阀门4开启，阀门8和阀门9开启和关闭策略与上述相同。阀门5和6则负责调节与地源热泵联合供暖运行模式，阀门5打开，则加热地埋管出水，再回灌至地埋管中进行土壤补热；阀门6打开，加热地埋管回水，提高回水水温。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F003图3太阳能-地热复合供热系统2普通地源热泵系统运行特性分析普通地源热泵系统地埋管出口温度、入口温度及平均地温随运行时间的变化如图4所示。在不补热的条件下，供热系统地埋管出口水温和入口水温年平均降低幅度约为1.17 ℃。运行至第8年，整个供暖期地埋管最低回水温度已整体低于0 ℃。地源储蓄热量在供暖季被过度开采，且自恢复能力较弱，储热区域的平均地温逐年降低，“冷堆积”效应显著，与王建华[4]等的研究结论一致。进一步研究热泵机组制热量发现，系统运行5年后，热泵系统制热量已无法满足全年热负荷需求，引发住宅小区供暖不足的问题。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F004图4普通地源热泵系统地埋管出口温度、入口温度及平均地温随运行时间的变化3太阳能-地热复合供热系统运行特性分析3.1集热器面积对复合供热系统运行的影响集热器布置面积为小区住宅楼顶总面积(12 984 m2)的20%、40%、60%和80%。不同集热器布置面积下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度随运行时间的变化如图5所示。不补热条件下地埋管平均出口温度为7.05 ℃，集热器布置面积达20%、40%、60%和80%时，分别使平均出口温度提升至10.44 ℃、14.70 ℃、19.37 ℃和23.00 ℃，提升幅度分别为48%、109%、175%和226%，系统使用寿命极大延长，与其他研究的结论一致[10-11]。与不补热条件下机组制热量逐年降低的趋势相比，在非供暖季进行补热且布置面积在40%以上时，机组年制热量保持恒定。综合考虑成本、补热效果，集热器布置面积为住宅楼屋顶总面积40%（约5 193 m2）时最佳。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F005图5不同集热器布置面积下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度随运行时间的变化3.2集热器倾角对复合供热系统运行特性影响集热器倾角直接影响太阳能直射辐射量，进而对补热效果造成影响。集热器侧重夏季或冬季使用，倾角应根据所处纬度减或加10°进行布置[12]，需根据实际运行情况探究最佳集热器倾角。不同集热器倾角下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度的变化如图6所示，集热器倾角由10°变化到50°时，地埋管平均出口水温先升高后降低，太阳能集热器最佳倾角范围为20°~30°，此时的地埋管平均出口水温稳定为14.82 ℃。太阳能集热器倾角为30°时，出口水温最高(14.827 ℃)，与王其良[5]等的结论（最佳倾角值=当地纬度-6.3°）类似。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F006图6不同集热器倾角下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度的变化3.3不同运行模式对复合供热系统运行特性影响非供暖季进行地埋管储热、供暖季利用太阳能只加热系统低温尾水进行联合供热的运行模式被定义为模式一。为了探究复合供热系统在不同运行模式下的供热性能，在供暖季利用太阳能同时加热地埋管出水和尾水进行联合供热的运行模式被定义为模式二；在供暖季利用太阳能只加热地埋管出水进行联合供热的运行模式被定义为模式三。不同运行模式下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度随循环支路泵流量的变化如图7所示。模式一运行时，低温尾水与蓄热水箱内工质温差较大，换热量最为充足，供热性能最为优异，与沈嘉辉[9]等的研究结果相符。相同支路泵流量条件下，模式一的地埋管出水温度比模式二和模式三最大提升2.60 ℃和4.65 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.008.F007图7不同运行模式下太阳能-地热复合供热系统地埋管出口温度随循环支路泵流量的变化4结语针对济南某住宅小区普通地源热泵供热系统取热量和储热量之间不平衡的问题，设计一套太阳能-地热能复合供热系统，探究集热器面积、倾角及不同运行模式对供暖系统运行特性的影响。主要结论如下：太阳能集热器布置面积为住宅楼屋顶总面积20%、40%、60%和80%时，分别使地埋管平均出口温度提升至10.44 ℃、14.70 ℃、19.37 ℃和23.00 ℃，提升幅度为48%、109%、175%和226%，储热区域平均地温得到大幅提升，系统供热性能显著增强。复合供热系统更侧重于非供暖季补热，该住宅小区的太阳能集热器最佳倾角范围为20°~30°，此时的地埋管平均出口水温稳定在14.82 ℃。复合供热系统在非供暖季进行地埋管蓄热，在供暖季利用太阳能只加热系统低温尾水的运行模式运行特性最为优异，相比于同时加热地埋管出水和低温尾水以及只加热地埋管出水的运行模式，地埋管出水温度最大提升2.60 ℃和4.65 ℃。