智能农场所需的智能能源供应：一种用于季节性温室种植樱桃的混合式地源热泵

《Smart Agricultural Technology》：Smart Energy Supply for Smart Farms: A Hybrid Ground Source Heat Pump in Seasonal Greenhouses for Growing Cherries

设施园艺中混合地源热泵系统（HGSHP）通过集成冷却塔与光伏/热电联产（PV/T）模块，有效缓解了传统地源热泵（GSHP）因土壤热失衡导致的能效下降问题。研究基于TRNSYS模拟，对比显示HGSHP系统五年内土壤温度仅上升0.2°C（传统系统上升6.3°C），能耗降低44,425 kWh，成本节约46,959元，二氧化碳减排13.1吨/5年，投资回收期6年。该系统通过优化地源热交换器布局（从30组减至22组）和动态调控冷却塔热负荷分配，实现了节能与减排双重目标。

　　
该研究针对中国山东省济南市冬季温室樱桃种植的特殊需求，设计并验证了由地源热泵（GSHP）、光伏-热电联产（PV/T）和冷却塔（CT）组成的混合系统（HGSHP）的性能。研究通过TRNSYS模拟平台，对比了传统GSHP与HGSHP系统在五年运营周期内的能耗、经济性和环境影响，得出以下关键结论：

**1. 系统设计与创新性**
研究采用V型温室结构（覆盖面积708平方米），针对樱桃生长所需的特殊温湿度条件（冬季需维持25°C以上，夏季需降至7°C以下），设计了包含GSHP、PV/T和CT的复合系统。其中：
- **PV/T系统**占据温室屋顶40平方米，光伏效率达156.25W/m2，兼具发电与供热功能；
- **冷却塔**配备70.4kW热交换能力，通过调整流量分配比例（CTICR）实现与地源热泵的协同运行；
- **地源热泵**采用双U型埋管设计，初期规划30组埋管，通过冷却塔介入后优化为22组，减少土建投资约46,959元。

**2. 地温调控与设备优化**
模拟显示，传统GSHP系统五年内土壤温度上升达6.3°C，而HGSHP系统通过冷却塔分流技术，仅上升0.2°C。这种差异源于：
- **冷却塔的负荷分担**：夜间全功率运行（CTICR=100%），白天按比例分流（CTICR=65%），有效缓解夏季地埋管散热压力；
- **埋管数量减少**：从30组优化至22组，节省施工成本的同时避免过度加密导致的土壤热累积；
- **PV/T的热电协同**：白天光伏发电满足系统部分能耗，夜间储热罐（5m3）存储多余热量，平衡昼夜温差。

**3. 能源效率与经济性**
对比五年运营数据：
- **能耗差异**：HGSHP系统总能耗（含光伏发电）较GSHP降低44,425kWh，降幅达15.3%。其中冷却塔贡献减碳量13.1吨CO?，PV/T系统通过余电上网（年均5.14万kWh）创造额外收益。
- **投资回报**：HGSHP初始投资增加36,138元（含冷却塔50,000元和PV/T系统50,000元），但年均节省运营成本9,392元，6年即可回收增量投资。20年周期总成本降低83,482元。
- **COP提升**：冬季供暖季COP提高至4.2（传统系统为3.1），夏季制冷季COP从2.8提升至3.6，主要得益于地温稳定性和光伏辅助供电。

**4. 环境效益与可持续性**
- **碳排放**：HGSHP系统年均减少CO?排放13.1吨，相当于减少标准煤消耗约42吨；
- **能源结构优化**：光伏发电占比达系统总能耗的18.7%，显著降低化石能源依赖；
- **土壤热累积抑制**：地温年增幅从传统系统的1.26°C降至0.04°C，延长地源热泵使用寿命。

**5. 实际应用建议**
研究提出三个关键优化方向：
1. **冷却塔调度策略**：建议采用夜间全功率运行（22:00-06:00）与日间65%分流比例的组合模式，该配置可使土壤温度波动控制在±0.5°C以内；
2. **PV/T面积匹配**：40m2的安装面积需配合温室遮阳系数0.6（兼顾光照需求与能耗控制）；
3. **生命周期评估**：需补充农业产出增值（反季樱桃溢价达13倍）和设备维护成本（如冷却塔结垢处理）的经济模型。

**6. 研究局限性**
- 模拟基于TRNSYS平台，未进行实地设备测试验证；
- 未考虑极端天气（如连续高温）对系统稳定性的影响；
- PV/T系统在阴雨天气的发电效率未充分评估。

该研究为季节性温室供暖制冷提供了创新解决方案，特别在北方高寒地区（如山东、河北）具有推广价值。未来可结合物联网技术实现冷却塔与PV/T的智能协同控制，进一步提升系统稳定性。