基于太阳能有机朗肯循环与地源热泵的社区综合能源系统集成研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic analysis of a combined cooling, heating and power (CCHP) system for a Canadian solar community as a retrofit

本文针对寒冷地区社区能源需求，提出一种集成太阳能有机朗肯循环(ORC)、地埋管储能系统(BTES)和热泵(HP)的新型综合能源系统。研究人员通过热力学建模分析了系统在夏冬两季运行性能，发现采用R717工质的系统可实现能量自给自足，整体能源利用效率达92%。该研究为可再生能源主导的区域能源规划提供了重要技术路径。

　　

在应对气候变化和能源转型的全球背景下，如何实现社区级清洁能源高效利用成为重要课题。寒冷地区社区面临夏季制冷、冬季供暖及全年生活热水等多重能源需求，传统化石能源系统存在碳排放高、能源利用率低等问题。特别是加拿大艾伯塔省奥科托克斯地区，冬季漫长寒冷，夏季短暂温和，独特的气候条件对区域能源系统设计提出特殊挑战。

德雷克地标太阳能社区(DLSC)作为可持续社区典范，已建成52栋住宅的太阳能区域供热系统，但现有系统存在夏季太阳能过剩浪费、冬季供暖不足的供需矛盾。为此，研究人员在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》发表论文，创新性地提出将太阳能有机朗肯循环(ORC)与地埋管储能系统(BTES)耦合，构建夏冬双模式运行的区域能源系统。

研究采用工程热力学分析方法，主要技术方法包括：1）基于实际气象数据建立系统能量平衡模型；2）采用集中参数法计算BTES储热性能；3）对比分析7种工质(R507A、R407C等)在热泵系统的性能；4）通过参数敏感性分析确定最优运行条件。研究队列数据来源于DLSC社区52栋住宅的实际能源监测数据。

夏季系统性能分析表明，系统通过ORC将太阳能转化为电能驱动制冷，同时向BTES储热。当蒸发温度从150℃升至190℃时，ORC净功输出从14.1kW增至15.3kW。R717(氨)工质表现最佳，压缩机功耗较R507A降低63%。系统整体能源利用效率达92%，显著高于传统系统。

冬季系统运行特性显示，ORC-BTES/DH/DHW系统可实现热电联产。在1月供暖峰值期，系统需太阳能集热器901台才能满足需求，此时ORC蒸发温度150℃条件下，系统总制热量达460kW。热泵COP_h为2.9，COP_c为1.9，综合COP_tot达4.8。

工质对比研究结论指出，R717在多数月份能实现能量盈余，而R507A和R404A需外部补能。系统功率充足性分析表明，5月和9月可实现能量自给，6-8月高负荷期需电网支援。这表明系统适合作为基荷能源，需与其他能源形成互补。

该研究的创新价值在于：首先，提出夏冬双模式运行策略，有效解决跨季节储能难题；其次，通过工质优选和参数优化，实现系统能效最大化；第三，构建完整的区域能源系统设计方法学，为类似气候区提供技术范本。研究结果对推进社区级可再生能源高效利用、建设零碳社区具有重要实践指导意义。