适用于炎热潮湿地区的混合式地源热泵，以实现可持续的温室气候控制

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Hybrid ground source heat pump for sustainable greenhouse climate control in hot and humid region

温室在高温高湿地区使用混合地源热泵系统（HGSHP）的节能效果及地温稳定性研究。通过TRNSYS动态模型评估，HGSHP系统较传统地源热泵节能10.8%，冷却塔可将地温年升幅控制在0.1℃以下，有效缓解土壤过热问题。

　　在当今全球气候变化和资源日益紧张的背景下，温室种植作为可持续农业的重要组成部分，正面临着前所未有的挑战。特别是在炎热且潮湿的地区，如美国德克萨斯州休斯顿，保持理想的温度和湿度水平同时减少能源和水资源的消耗变得尤为关键。传统的锅炉加热系统虽然能够提供必要的热量，但其高能耗和碳排放问题使得其在可持续发展的框架下显得不够理想。而蒸发冷却技术在高湿度环境下往往难以维持适宜的条件，特别是在极端热负荷情况下，容易导致温室内部温度过高，达到38°C以上，从而影响作物生长。此外，蒸发冷却过程可能会增加室内湿度，进而加剧植物病害的发生，降低蒸腾作用的效率。

面对这些挑战，研究人员开始探索更加高效和环保的温室气候控制方案。其中，地源热泵（GSHP）系统因其较高的能效比（COP）和较低的碳排放而受到广泛关注。现代地源热泵的COP通常在3到5之间，远高于燃烧加热的COP接近1的水平。这意味着，地源热泵能够以更少的电能提供更多的热量或冷量，从而显著降低能源消耗和运营成本。特别是在温室环境中，地源热泵可以实现加热和冷却的双向功能，这使得其在应对不同季节的气候波动方面具有独特优势。例如，在夜间或阴天等湿度较高的条件下，地源热泵能够有效去除空气中的水分，实现除湿功能，这对维持温室内的微气候至关重要。

然而，地源热泵在某些极端气候条件下的应用仍存在局限性。在以冷却为主的地区，如休斯顿，地源热泵在夏季运行时会从土壤中抽取大量热量，导致土壤温度上升，进而影响热泵的长期性能和效率。这种土壤温度的上升不仅会增加热泵的运行成本，还可能造成系统失效的风险。因此，如何在保证高效运行的同时，防止土壤温度的持续升高，成为当前研究的重点。为了解决这一问题，研究者提出了一种新型的混合地源热泵（HGSHP）系统，该系统结合了冷却塔（CT）的功能，以实现更高效的热量管理和土壤温度的稳定。

混合地源热泵系统的核心在于其能够通过冷却塔将部分冷却负荷转移至外部环境中，从而减轻地源热泵对土壤的热影响。在高湿度环境下，冷却塔可以有效降低进入热泵系统的空气温度，同时减少温室内部湿度的上升，从而改善植物生长条件。此外，通过合理设计冷却塔与地源热泵的协同运行策略，可以在保证系统高效运行的同时，实现对土壤温度的长期调控。例如，在夏季高温时期，冷却塔可以承担部分冷却负荷，使得地源热泵的运行更加平稳，避免因过度抽取热量而导致土壤温度异常升高。

研究团队采用TRNSYS Studio开发了一个动态模型，用于评估混合地源热泵系统的性能。该模型不仅考虑了温室内的热负荷，如作物蒸腾带来的潜热负荷、太阳辐射带来的显热负荷以及通风带来的空气交换，还结合了地源热泵与冷却塔之间的热交换过程。通过模拟不同气候条件下的运行情况，研究人员发现混合地源热泵系统在冷却高峰期相比仅使用地源热泵的系统，能够减少高达10.8%的冷却能耗。同时，土壤温度的上升幅度也显著降低，从每年1°C下降至不到0.1°C，这表明系统在长期运行中能够保持良好的土壤热稳定性。

冷却塔的引入不仅有助于降低进入地源热泵系统的空气温度，还能够有效缓解热泵系统因长期运行而产生的热不平衡问题。在极端条件下，冷却塔可以将高达37%的冷却负荷转移至外部环境中，从而减少地源热泵对土壤的热影响。这种热负荷的转移不仅提高了系统的整体效率，还降低了运行成本，为温室种植提供了更具经济性和可持续性的解决方案。

此外，研究团队还探讨了混合地源热泵系统在不同气候条件下的适应性。在以冷却为主的地区，如休斯顿，混合系统通过合理设计冷却塔的运行策略，能够有效控制进入热泵系统的空气温度，同时维持土壤温度的稳定。而在以加热为主的地区，如寒冷的北欧国家，混合系统则可以通过调整冷却塔的运行模式，实现对土壤温度的降温，从而提高热泵的性能和效率。这种灵活性使得混合地源热泵系统能够适应多种气候条件，为温室种植提供更加全面的解决方案。

从经济角度来看，混合地源热泵系统的优势同样显著。通过将部分冷却负荷转移至冷却塔，系统可以减少地源热泵所需的地热交换器（GHX）长度，从而降低安装成本。研究表明，添加冷却塔可以减少地热交换器长度高达25,000英尺，安装成本节省超过15万美元（即使考虑冷却塔的购置成本）。这种成本的降低不仅提高了系统的经济可行性，还增强了其在实际应用中的吸引力。

在环境方面，混合地源热泵系统也展现出良好的可持续性。通过减少对化石燃料的依赖，系统能够显著降低温室气体排放，提高能源利用效率。同时，由于冷却塔能够有效减少温室内部湿度的上升，系统在减少水资源消耗方面也具有明显优势。这不仅符合当前全球对可持续农业发展的需求，也为温室种植提供了更加环保的选择。

综上所述，混合地源热泵系统在炎热和潮湿地区的温室应用中展现出巨大的潜力。通过合理设计和运行策略，系统能够在保持高效运行的同时，实现对土壤温度的长期调控，从而提高温室气候控制的可持续性和经济性。这一研究为未来温室设计和运营提供了新的思路，也为实现更加环保和高效的农业生产模式奠定了基础。