比较用于以供暖为主的建筑中的地源热泵的再生策略与双值策略

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparing regeneration and bivalent strategies for ground-source heat pumps in heating-dominated buildings

地面源热泵（GSHP）系统在寒冷气候地区的长期性能及技术经济比较。研究以奥斯陆多家庭住宅为案例，通过TRNSYS模拟20年周期，对比六种混合系统（包括PVT、ST、DC串联/并联、ASHP并置）。结果表明：再生技术（如DC串联、ST）可显著减少地热抽取（最高73.8%），维持地温稳定，提升季节性能系数（SPF4），同时降低总成本（最高9.91%）。大规模应用中，再生策略更有效，而依赖外部热源（ASHP、DC并联）成本效益较差。推荐DC串联和ST系统作为北欧气候区最佳选择，兼顾能效与经济性。

　　在当前全球能源需求持续增长的背景下，建筑领域的能源效率提升成为关键议题。建筑物对温室气体排放的贡献日益显著，尤其是在供暖需求主导的寒冷气候区。为应对这一挑战，各国纷纷签署国际协议，如《巴黎协定》，以减少碳排放并推动可持续发展。在这一背景下，地源热泵（GSHP）因其高效能和低排放特性，成为实现零能耗建筑（ZEB）目标的重要技术之一。然而，GSHP系统在长期运行过程中可能会面临地下热平衡问题，即由于持续从地下提取热量，导致地温下降，从而影响系统效率。因此，研究如何通过引入额外的热源或再生技术来改善地下热平衡，成为提升GSHP系统性能和经济性的关键。

本研究聚焦于寒冷气候下的多户住宅建筑，以挪威奥斯陆为案例，对六种混合型GSHP系统布局进行了技术与经济的长期对比分析。这六种系统包括基于再生技术的系统，如太阳能热收集器（ST）、光伏-热收集器（PVT）以及干式冷却器（DC）的串联或并联配置，还包括与空气源热泵（ASHP）的并联系统。研究通过TRNSYS仿真工具，对系统在20年内的运行情况进行了模拟，旨在评估不同技术对地下热平衡的影响，以及它们在长期运行中的经济可行性。

研究发现，太阳能辅助的GSHP系统，特别是与ST或PVT收集器结合的系统，显著减少了年度净地下热提取量。其中，ST收集器表现最为突出，能够减少地下热提取量高达73.8%。这主要是由于ST收集器的热效率较高，能够在夏季高温时期注入更多的热量到地下，从而有效补偿冬季热提取造成的地下温度下降。相比之下，PVT收集器虽然可以同时产生电能，但由于较高的初始投资成本和相对较低的热效率，其在减少地下热提取方面不如ST收集器显著。

此外，DC在串联配置中也表现出较强的性能，能够减少地下热提取量达57.7%。这主要是因为DC能够在环境温度较高时向地下注入热量，从而提升地下热源的温度，进而改善GSHP系统的运行效率。然而，DC在并联配置中的表现相对较弱，其对地下热平衡的改善程度依赖于设定的温度阈值。当温度阈值较高时，系统更依赖于地下热源，从而减少了地下热注入，导致热平衡效果下降。

在经济性方面，DC串联配置被证明是最具成本效益的解决方案之一。例如，在20年周期内，它能够将总成本降低高达9.91%，同时保持系统的能源效率基本不变。相比之下，PVT虽然在某些方面提供了经济上的好处，但其投资成本较高，且热效率较低，未能充分抵消其发电能力带来的收益。ASHP和DC并联配置则显示出较小的经济优势，主要体现在部分场景下的成本节省。然而，这些配置未能显著减少地下热提取，因此其长期运行中的热平衡效果不如再生技术。

对于大规模安装场景，地下热源的热交互更加显著，因此再生技术的重要性更为突出。研究结果显示，在紧凑型地下热交换系统中，采用再生策略的系统比仅减少地下热提取的系统表现出更好的性能和经济性。这意味着，在寒冷气候区，特别是土地资源有限的城市环境中，采用再生技术的GSHP系统不仅有助于维持地下温度，还能减少对地下热交换系统的依赖，从而降低整体投资成本。

从长期运行的角度来看，不同的系统布局对地下热平衡和能源效率的影响各异。太阳能辅助系统和DC串联配置能够有效减少地下热提取，从而提升系统的长期运行效率。而ASHP和DC并联配置则在某些情况下显示出经济上的优势，但它们在维持地下热平衡方面不如再生技术。这表明，在寒冷气候区，再生技术的引入对于保持系统长期稳定运行至关重要。

此外，研究还探讨了不同系统布局对环境影响的潜在作用。例如，太阳能辅助系统和DC串联配置不仅能够提高系统的能源效率，还能减少二氧化碳排放，这对实现可持续发展目标具有重要意义。然而，由于挪威的电力生产以可再生能源为主，其电力的碳排放因子较低，因此不同系统在减少二氧化碳排放方面的差异相对较小。

总体而言，本研究揭示了在寒冷气候条件下，采用再生技术的GSHP系统，特别是太阳能辅助和DC串联配置，能够在减少地下热提取、维持地下温度稳定以及降低总成本方面表现出显著优势。这些系统不仅有助于提高能源效率，还能在经济上提供良好的回报。然而，研究也指出，对于某些特定场景，如土地资源受限或电力价格较高的地区，PVT系统可能具有独特的价值。同时，研究强调，系统设计中的控制策略和运行方式对整体性能和经济性具有重要影响，因此需要进一步优化这些参数，以实现最佳的热泵系统性能。

此外，研究还提出了一些未来的研究方向，包括探索通风系统中的废热回收作为支持地下再生的潜在策略，以及在经济评估中考虑更多现实因素，如通货膨胀、维护成本、设备寿命和能源价格波动等。这些因素对于准确评估不同系统布局的长期经济性至关重要。

综上所述，本研究为寒冷气候区的建筑供暖系统提供了有价值的见解，强调了再生技术在提升GSHP系统性能和经济性方面的关键作用。这些发现对于建筑设计师、暖通空调工程师以及政策制定者在推动零能耗建筑和可持续能源解决方案方面具有重要参考价值。