论文七：光伏-储能-地源热泵多能互补一体化调度系统研究

论文七：光伏-储能-地源热泵多能互补一体化调度系统研究

摘要

浅层地源热泵依靠地下岩土完成冷热交换，是建筑低碳供能的主流技术，但单一运行模式下极易出现季节性土壤冷热失衡问题，冬季持续取热造成地层温度逐年走低，夏季长时间排热引发热量堆积，大幅降低热泵换热效率。与此同时分布式光伏发电具备零碳发电优势，但存在出力间歇性、无法稳定自用的短板，配套储能设备可平抑电能波动。本文提出光伏、储能、地源热泵三者结合的多能互补一体化系统，依托原有地源热泵软硬件监测平台采集光伏出力、储能充放电状态、机组运行参数以及地层地温时序数据，搭建多目标协同调度数学模型。系统根据气象光照条件、建筑冷热负荷需求、地下地层温度状态动态分配能源流向：晴天光伏电力优先供给热泵机组，多余电量存入储能系统；阴雨天、夜间依靠储能释放电能保障热泵运行；在春秋过渡季，利用光伏富余电力驱动热泵开展跨季节土壤蓄热，主动修复地层热失衡问题。本文选取北方住宅小区为工程案例，对比单一热泵系统与多能耦合系统在地温稳定性、全年系统能效、用电成本、碳排放量四大指标差异，证实多能互补调度方案的综合优势，为零碳建筑地热系统设计、运维优化提供完整软硬件调度方案参考。

关键词：地源热泵；光伏储能；多能互补；能量调度；跨季节土壤蓄热

一、引言

在国家双碳战略持续推进背景下，浅层地源热泵系统广泛应用于住宅社区、商业综合体、公共场馆冷暖供应领域。地源热泵不直接燃烧化石能源，依托地层恒温特性完成热量转移，具备运行稳定、低碳环保的基础优势。但大量工程实践表明，孤立运行的地源热泵系统受建筑季节性负荷影响极大。我国北方区域冬季采暖负荷集中且持续时间长，地埋管长期从地层抽取热量，地层热量得不到补充，温度逐年下降，热泵换热温差缩小，机组能效比逐年衰减；南方冷暖联供项目夏季排热量大，地层热量堆积无法自然散出，同样会造成系统运行性能下滑。仅仅依靠软件调控启停策略，只能缓解失衡速度，无法从根本解决热量收支不平衡的核心问题。

分布式光伏作为建筑配套清洁能源，能够依托屋面、停车场顶棚铺设光伏组件就地发电，匹配热泵用电需求。但光伏发电受昼夜、阴晴、季节天气影响明显，白天正午发电量大，夜间无发电能力，异常阴雨天气出力不足，难以持续稳定为热泵供电。电化学储能系统则可以实现电能的存蓄与释放，平抑光伏出力波动，实现电能错峰使用。将三者有机结合形成多能互补体系，能够同时解决光伏发电间歇性短板、地源热泵土壤热失衡两大行业痛点。当前国内对于三者耦合系统的研究大多偏向设备硬件选型，缺少结合地温场监测数据的一体化智能调度软件体系，难以实现能源、地层换热状态的协同调控。因此构建软硬件一体化光伏-储能-地源热泵调度系统，具备重要的工程应用价值。

二、三联供多能互补系统整体架构

整套系统分为四大组成部分：光伏发电阵列、电化学储能系统、地源热泵换热机组、一体化软硬件监测调度平台。

光伏阵列安装于建筑屋顶、室外闲置区域，接入并网配电柜，实时将电能输送至用电母线；储能系统包含锂电池组、储能变流器、电池管理系统，负责吸收光伏富余电能，在光伏出力不足时放电补能；地源热泵包含地源侧埋管管路、循环水泵、冷热主机、末端空调采暖管网，负责建筑冷热供应；一体化调度平台由前端硬件传感器与后端调度软件构成，硬件采集光伏实时发电功率、储能SOC荷电状态、储能充放电功率、热泵机组启停状态、循环水泵频率、供回水温度流量、分层地层温度、室外气象、建筑室内温度等全部参数，软件对多源数据统一运算，输出能源调度指令。

平台通信沿用行业通用Modbus-RTU工业通信协议，保障不同品牌光伏逆变器、储能BMS系统、热泵PLC控制系统、地温采集终端之间的数据互通。平台设置本地运行与云端远程管理两种模式，即便外网中断，本地硬件终端依然可以依靠内置调度逻辑保障整套系统稳定运行，规避野外、园区网络故障带来的系统停运风险。整套架构实现了电能生产、电能存储、冷热供给、地层换热状态四大维度的全要素感知。

三、多维度协同调度软件策略设计

结合季节工况差异，将调度策略分为日间光伏自发自用调度、夜间储能兜底调度、过渡季跨季节蓄热调度三类模式。

第一，日间光伏自发自用调度策略。晴朗白天光伏出力充足时，软件优先将光伏电能直供地源热泵机组，替代市政电网用电，实现清洁能源就地消纳。当光伏发电量大于热泵实时用电负荷时，调度系统下发指令启动储能充电，将多余电量储存起来；若光伏发电量低于热泵用电负荷，则储能系统小幅放电补齐用电缺口，避免系统从电网大量购电。

第二，夜间与阴雨兜底调度策略。夜间无光伏出力，系统根据建筑冷热负荷大小，释放储能系统储存的电能驱动热泵运行；当储能电量低于安全阈值时，系统自动切换为市政电网供电模式，保障建筑供暖、供冷不中断，同时设置夜间低谷用电充电策略，利用市电谷段电价为储能补电，降低用电成本。

第三，春秋过渡季土壤蓄热调控策略。过渡季建筑冷热负荷极低，是修复地层热失衡的关键窗口期。调度软件结合全年地温监测历史数据，判断地层热量盈亏状态：冬季发生热量亏空的地层，利用光伏富余电能驱动热泵向地层排热蓄温；夏季热量堆积的地层，则启动夜间散热模式，降低地层温度，从根源平衡岩土热量收支，杜绝长期热失衡问题。

软件内置多目标权重算法，可根据项目业主需求灵活调整优先级，可优先设置“节能降电费"模式、“地层热平衡保护"模式或者“低碳减排"模式，适配不同项目运营诉求。

四、工程案例实测数据分析

选取华北某中型住宅小区作为试验对象，将小区分为两个换热片区，A片区采用传统单一地源热泵系统，B片区采用光伏储能耦合多能互补系统，开展为期两个完整自然年的对照监测。

在地温变化层面：A片区第一年采暖季后地层平均温度下降3.1℃，第二年继续下降2.5℃，已经出现中度热失衡；B片区依托过渡季光伏蓄热策略，两个采暖季结束地层温度波动幅度控制在±0.6℃以内，始终维持在地层原始基准温度区间，换热性能稳定。

在系统能效层面：单一热泵系统两年综合COP从4.2下降至3.3，换热效率衰减明显；多能互补系统全年综合COP稳定维持在4.1~4.3区间，无明显衰减。

在用电与碳排放层面：B片区光伏自发自用覆盖率达到62%，结合储能错峰用电，整体用电成本降低51%；全年市电用电量大幅缩减，相较A片区减少约60%的电网侧碳排放，低碳效益显著。

五、系统现存短板与优化方案

多能互补系统现阶段存在两处明显短板。第一是项目初期建设投入成本偏高，光伏组件、储能电池购置会显著增加前期投资；第二是储能电池存在使用寿命限制，长期充放电会出现电池容量衰减问题，增加后期运维更换成本。针对以上问题，可采用分期建设方案，先搭建地温监测与一体化调度软件平台，后期逐年加装光伏与储能设备，分摊初期资金压力；选用长寿命磷酸铁锂储能电池，配合软件优化充放电阈值，避免电池过充过放，延长电池使用年限；同时结合当地光伏补贴、清洁能源改造政策，降低项目综合投入。

在软件层面持续优化调度算法，引入电价峰谷联动逻辑、电池寿命保护逻辑，在兼顾节能、地层保护的同时，降低储能设备损耗，延长设备服役周期。

六、结论与推广前景

光伏-储能-地源热泵多能互补一体化调度系统，通过软硬件平台将清洁能源发电、电能储能、地热换热三大技术深度融合，既解决了光伏发电间歇性难以自用的行业难题，又利用过渡季储能电力完成地层跨季节蓄热，从根源解决单一地源热泵季节性土壤热失衡的核心痛点。一体化监测调度软件统筹电能流向与地层换热状态，实现了能源利用效率、地层长效保护、运行电费降低、碳减排多重收益。

该系统非常适合新建零碳住宅园区、低碳商业综合体、公共建筑配套冷暖系统，对于存量老旧地源热泵项目，也可通过加装光伏储能硬件、升级原有监测调度软件完成系统改造。在国内清洁能源配套政策、建筑低碳改造政策不断好的背景下，多能互补地热系统将会成为未来地热建筑供能的主流发展方向，推动浅层地热资源更加长效、可持续、低碳化开发利用。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求