結合太陽能跨季節蓄熱的土壤源熱泵供暖技術研發與工程示范進展順利
長期以來，冬季燃煤采暖是造成我國北方廣大地區霧霾的重要原因。近年來，各地政府部門按照“宜電則電、宜氣則氣”的原則，多措并舉對傳統燃煤供暖進行替代。土壤源熱泵供熱具有供暖能效高、不受環境溫度影響等優點，極具推廣應用前景，但是由于我國北方大部分地區的冬季熱負荷遠大于夏季冷負荷，土壤被取走的熱量得不到有效補充，引起土壤層溫度逐年遞減，導致土壤源熱泵供暖運行能效逐漸惡化甚至報廢停機。
近三年來，在北京市教育委員會-市自然科學基金聯合資助項目（KZ201810017023）等的支持下，我校能源高效利用與清潔能源工程應用研究所孫東亮教授牽頭開展了技術攻關。項目組結合京津冀地區豐富的太陽能資源現狀，引入太陽能跨季節蓄熱技術，在春、夏、秋等非供暖季利用太陽能對土壤進行補熱增溫，以解決土壤層溫度逐年遞減的難題。同時，還可在供暖季通過太陽能直供以分擔部分供暖負荷，從而進一步提升了系統供暖能效（如圖1所示）。理論研究方面，項目組基于ANSYS Fluent軟件和用戶自定義函數（UDF）二次開發，提出了太陽能跨季節土壤蓄熱的簡化快速計算方法，大幅縮短了計算耗時且具備復雜工況下的求解穩定性。還基于數值模擬、正交實驗設計和支持向量機（SVM）等方法，構建了太陽能跨季節土壤蓄熱性能的快速預測模型，將該模型與第二代非支配排序遺傳算法相結合，開發了“部件-系統”一體化仿真優化技術，指導供暖系統優化設計，制定優化運行策略，實現穩定高效清潔供暖。
圖1 供暖系統原理圖
工程示范方面，2018年12月底在河北廊坊建成了結合太陽能跨季節土壤蓄熱的土壤源熱泵供暖示范系統，供暖對象為1棟112平米的Venlo型玻璃溫室（如圖2所示）。系統主要由玻璃溫室、熱泵機組、風機盤管、蓄熱水箱、太陽能集熱器及地埋管井群等設備構成，同時集成了太陽能集熱運行控制、系統能耗監測、土壤溫度監測等軟件平臺，可實現遠程監控和自動運行。
（a）農業溫室供暖示范系統總圖
（b）系統主要設備和部件
（c）地埋管井群布置方案及工作井結構
（d）系統控制和監測平臺
圖2 供暖示范系統實物圖
基于該供暖示范系統，2019年1月1日至2020年3月15日期間，先后開展了單純土壤源熱泵供暖與結合太陽能跨季節蓄熱土壤源熱泵供暖的對比實驗研究，獲得了全面的實驗運行數據。通過對比實驗，不僅驗證了太陽能跨季節蓄熱對解決井群區域地溫熱失衡的有效性，而且與單純土壤源熱泵供暖相比，新供暖系統的循環性能系數（COP）提升10%以上，徹底解決了土壤冷堆積和供暖性能逐年惡化的難題。
該技術有效克服了單純土壤源熱泵供暖的局限性，為推進北京霧霾治理和生態環境建設提供了全新解決方案。2020年3月，項目組已經與中能建地熱有限公司啟動了校企合作，雙方共同致力于在京津冀地區開展該技術的推廣應用。
（機械工程學院、科學技術處）