光伏-地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行調度策略與能效優(yōu)化研究

摘要

在建筑分布式光伏大面積普及背景下，光伏與地源熱泵系統(tǒng)耦合可實現(xiàn)清潔能源自產(chǎn)自用，擺脫熱泵機組對電網(wǎng)火電用電的依賴，進一步提升系統(tǒng)低碳價值。但光伏發(fā)電具有間歇性、晝夜波動性，和建筑供暖制冷負荷、地層儲熱特性難以天然匹配，存在光伏電能消納困難、地層冷熱堆積失衡、機組頻繁啟停能耗升高等問題。本文以辦公建筑光伏地熱耦合系統(tǒng)為研究對象，結合光伏出力預測、建筑負荷時序模擬、地層溫度場動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，構建多目標聯(lián)合調度算法，分別設置光伏直供熱泵、蓄電池儲能削峰填谷、地層季節(jié)性儲熱三種調度模式，建立分時聯(lián)動運行策略。經(jīng)過兩個完整冷暖季實測驗證，優(yōu)化調度策略可將光伏自用消納率提升至87%以上，系統(tǒng)綜合能效提升19%，大幅降低電網(wǎng)側用電碳排放，同時規(guī)避地層長期冷熱不均衡問題。本研究為光伏地熱多能耦合系統(tǒng)的智能化運行、零碳建筑落地提供調度方案參考。

關鍵詞：光伏地源熱泵耦合；出力預測；聯(lián)合調度；儲能削峰；地層儲熱；建筑零碳供能

一、引言

隨著建筑節(jié)能與近零能耗建筑政策推行，建筑屋面、停車場頂棚鋪設分布式光伏已成行業(yè)標配。地源熱泵系統(tǒng)依托地下恒溫巖土體，能夠穩(wěn)定為建筑冬季供暖、夏季供冷，二者在理論層面可以組合成自給自足式清潔供能體系。白天光伏發(fā)電產(chǎn)生電能，可以直接驅動熱泵主機與機房輔機運行；多余電能存儲在儲能蓄電池當中，用于夜間、陰雨天氣熱泵用電需求，從源頭減少市電購電量，降低電網(wǎng)間接碳排放。

現(xiàn)階段大量已經(jīng)投運的光伏耦合地源熱泵項目，普遍采用粗放式固定運行邏輯，并未針對光伏間歇性出力特性、建筑冷熱負荷時序變化做智能化調度優(yōu)化。光照強度峰值時段產(chǎn)生大量富余光伏電力，無法被熱泵系統(tǒng)消納只能低價并網(wǎng)售賣，光伏資源利用效率偏低；陰雨天與夜間熱泵運行依賴市電，用電成本居高不下。與此同時，熱泵系統(tǒng)夏季向地層持續(xù)排熱、冬季從地層大量取熱，缺少跨季節(jié)儲熱平衡手段，長期運行后淺層巖土體出現(xiàn)冷熱堆積，地層溫度逐年偏移，地埋管換熱效率持續(xù)衰減，熱泵機組能效逐年下滑。

目前行業(yè)相關研究大多停留在硬件設備簡單拼接層面，缺少同時兼顧光伏消納率、系統(tǒng)運行電費、地層熱平衡三者的一體化動態(tài)調度方案。本文引入氣象驅動的短期光伏出力預測模型，結合建筑逐時冷熱負荷模擬結果、地層多點溫度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，設計三層聯(lián)動智能調度方案，利用儲能系統(tǒng)平抑光伏發(fā)電波動，依靠地層巖土體實現(xiàn)跨季節(jié)儲熱調峰，實現(xiàn)整套耦合系統(tǒng)經(jīng)濟高效、長期可持續(xù)運行。

二、光伏-地源熱泵耦合系統(tǒng)結構與運行痛點

整套耦合系統(tǒng)硬件架構包含分布式光伏陣列、雙向并網(wǎng)逆變器、鋰電池儲能系統(tǒng)、變頻式地源熱泵主機、地下閉式地埋管換熱網(wǎng)絡、建筑室內(nèi)末端采暖空調、地層多參數(shù)感知監(jiān)測終端。系統(tǒng)基礎運行邏輯為光伏發(fā)電優(yōu)先供給熱泵主機、循環(huán)水泵等機房用電設備，富余電量為儲能電池充電，電池充滿之后剩余電力并網(wǎng)；當光伏發(fā)電功率不足以支撐機房負荷時，儲能電池優(yōu)先放電供電，電池電量耗盡后系統(tǒng)自動切換市電兜底供電。

傳統(tǒng)固定運行模式的痛點可以分為三大類：其一，光伏出力與建筑冷熱負荷時序錯配，日間光伏發(fā)電峰值往往處于建筑冷熱負荷低谷區(qū)間，大量光伏電量只能并網(wǎng)售賣，自用消納率偏低；其二，儲能系統(tǒng)充放電邏輯固化，無法結合未來氣象預報、建筑負荷變化智能調節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)儲能電池空充閑置、熱泵急需用電時儲能電量耗盡的情況；其三，地層換熱缺少季節(jié)性調控策略，長年單向取熱或排熱造成巖土溫度場失衡，地埋管換熱熱阻增大，換熱性能逐年衰減。三類問題疊加，導致耦合系統(tǒng)節(jié)能與低碳價值無法充分發(fā)揮。

三、多目標聯(lián)合智能調度系統(tǒng)架構設計

本次設計的智能調度系統(tǒng)分為感知監(jiān)測層、邊緣調度決策層、云端優(yōu)化管理層三層架構。感知層部署光伏出力傳感器、儲能電池電壓及SOC狀態(tài)監(jiān)測模塊、熱泵機組電控采集單元、建筑分戶室溫傳感器、地下地層多點溫度監(jiān)測裝置，同時接入當?shù)貧庀笃脚_獲取未來7日氣象預報、光照強度預測數(shù)據(jù)，完成全系統(tǒng)運行狀態(tài)感知。

邊緣決策層搭載多目標優(yōu)化算法，以光伏消納系統(tǒng)年度用電成本低、地層全年溫度波動最小作為三大優(yōu)化目標，動態(tài)切換三類運行模式。第一為光伏直供優(yōu)先模式，當光照充足、光伏實時出力可以覆蓋熱泵機房負荷時，光伏直接供電驅動機組，儲能系統(tǒng)處于待機保溫狀態(tài)，減少儲能充放電損耗；第二為儲能削峰模式，光伏出力超過機房用電負荷時啟動儲能充電；光伏功率不足時儲能放電，最大限度減少市電接入頻次；第三為地層跨季節(jié)儲熱模式，夏季利用光伏富余電能驅動熱泵加大制冷工況，將冷量儲存在地層土體中；冬季提取地層儲冷降低制熱負荷，平衡地層全年溫度場，避免巖土冷熱堆積。

云端管理層負責長期運行數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化算法參數(shù)，根據(jù)建筑季節(jié)性冷熱負荷變化優(yōu)化全年調度策略，同時完成設備故障預警、地層熱失衡提前告警等功能，實現(xiàn)遠程運維管控。

四、工程實驗與運行數(shù)據(jù)分析

選取一棟三層獨立辦公建筑開展為期兩個冷暖季對照試驗，將系統(tǒng)分為對照組（傳統(tǒng)固定運行策略）、實驗組（本文三層智能調度策略）。對照組原有光伏年均自用消納率僅59.2%，富余光伏電力以較低電價并網(wǎng)；冬季持續(xù)從地層取熱，地層年均溫度下降0.7℃，熱泵機組逐年能效衰減。實驗組采用智能調度方案后，光伏自用消納率提升至87.6%，市電購電量同比下降61%；依靠跨季節(jié)儲熱調控手段，地層全年溫度波動控制在±0.2℃區(qū)間內(nèi)，巖土溫度場長期穩(wěn)定，熱泵機組全年平均制熱、制冷綜合COP提升19.3%。從碳減排指標來看，整套系統(tǒng)全年電網(wǎng)間接碳排放下降64%，各項指標均達到近零能耗建筑評價標準。

五、系統(tǒng)現(xiàn)存短板與優(yōu)化方向

當前調度方案存在兩處明顯短板：連續(xù)陰雨天氣下儲能電池容量有限，仍然需要市電作為兜底保障；老舊建筑屋面承載、可用鋪設面積受限，光伏總發(fā)電量無法覆蓋熱泵全年用電負荷。后續(xù)優(yōu)化升級方案可以從多個維度推進：將建筑新能源充電樁用電納入綜合能源調度體系，光伏電力同時供給熱泵機組與新能源車輛充電，進一步提升光伏消納空間；增設小型相變儲熱裝置，作為地層儲熱的補充，提升系統(tǒng)冷熱調節(jié)冗余能力；結合電網(wǎng)峰谷分時電價，在夜間用電低谷時段為儲能補電，降低整體用電成本。對于新建建筑項目，在規(guī)劃階段完成光伏鋪設面積、儲能容量、地埋管長度三者匹配設計，從源頭實現(xiàn)系統(tǒng)耦合配置。

六、結論

光伏與地源熱泵耦合系統(tǒng)是公共建筑、產(chǎn)業(yè)園區(qū)實現(xiàn)清潔低碳供能的重要技術形式，單純硬件設備拼接無法充分發(fā)揮兩套清潔能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)勢，光伏發(fā)電時序供需錯配、儲能調度邏輯僵化、地層冷熱長期失衡是制約系統(tǒng)綜合效能的核心瓶頸。本文構建“光伏出力氣象預測-儲能系統(tǒng)削峰填谷-地層跨季節(jié)儲熱平衡"三層聯(lián)合智能調度策略，依托全系統(tǒng)一體化感知監(jiān)測體系實現(xiàn)動態(tài)工況調節(jié)，顯著提升光伏電能自用消納比例，降低市電依賴程度與整體用電運維成本；同時依靠季節(jié)性儲熱手段穩(wěn)定地層溫度場，保障地埋管換熱系統(tǒng)長期換熱性能穩(wěn)定。

經(jīng)過辦公建筑冷暖季實測項目驗證，該調度方案具備良好的經(jīng)濟性、節(jié)能性與可持續(xù)性，能夠為各類公共建筑、產(chǎn)業(yè)園區(qū)打造近零能耗光伏地熱耦合供能系統(tǒng)提供標準化運行調度方案。隨著分布式光伏與儲能設備成本持續(xù)下行，該耦合調度方案能夠推動分布式光伏+淺層地熱復合清潔能源體系在建筑領域大范圍落地，為建筑領域雙碳目標落地提供堅實的技術支撐。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環(huán)介質

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監(jiān)測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設技術規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發(fā)利用地質環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監(jiān)測規(guī)范

四大標準統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標準化布設（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協(xié)議、年度地熱監(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地熱監(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地熱大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內(nèi)注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯(lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結構、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地熱標準化監(jiān)測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地熱監(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質pH/電導率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地熱監(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復墾地質環(huán)境評估資料、淺層地熱開發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術性能參數(shù)關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負荷調節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內(nèi)襯防腐修復、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地熱一體化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產(chǎn)化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地熱數(shù)字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求