寒冷地区热电高效混合太阳能-地热供暖解决方案：实现可持续空间供暖的创新研究

本文提出了一种结合同轴钻孔式地热换热器（G-HEX）与岩床太阳能空气加热器（RBS-AIR）的混合系统，通过显热储能与地热预热耦合，提升了寒冷地区空间供暖的热工水力性能。研究基于美国埃尔帕索冬季气候数据，采用瞬态数值模型与稳态解析方法，证明系统能显著提高净功率输出（混合系统达45.46%）并增强热稳定性（温度损失仅1.96%），为可再生能源供热提供了低成本（8.97美元/kWh）且可靠的解决方案。

　　

Highlight

本研究的创新点在于将垂直地热换热器（G-HEX）与岩床太阳能空气加热器（RBS-AIR）相结合，这种混合系统此前从未被研究过。与先前仅将地热换热器与潜热储能（PCM材料）耦合的太阳能空气加热器不同，本研究证明了G-HEX与显热储能结合的可行性。G-HEX能有效预热进入RBS-AIR系统的空气，从而提升系统在低温环境下的性能稳定性和热能输出效率。

Results and Discussion

本节分别展示了瞬态模型和稳态模型的结果，并结合参数敏感性分析与系统成本进行讨论。为关联平均气候条件，图6(a)和6(b)绘制了埃尔帕索11月至3月期间太阳辐射（I）和环境温度（T_a）的变化曲线。结果显示，提高空气质量流量可使独立RBS-AIR的净功率输出提升36.62%，混合系统提升45.46%；而温度损失在无G-HEX时为7.70%，有G-HEX时仅为1.96%，表明集成显著改善了热稳定性。G-HEX的内径增大和外径减小均有利于强化传热。系统对瞬态模型求解器参数及土壤类型的敏感性较弱。净功率输出成本为每千瓦时8.97美元。

Conclusions and future Scope

本研究通过集成G-HEX与RBS-AIR，为寒冷气候下的可持续供暖提供了一种新颖且高效的解决方案。未来工作可探索动态控制策略、潜热储能整合及多源可再生能源混合，以进一步提升系统灵活性与效率。