光伏-地源热泵耦合一体化系统在乡村农宅采暖制冷的应用与经济性分析

论文十五 光伏-地源热泵耦合一体化系统在乡村农宅采暖制冷的应用与经济性分析

摘要

我国北方乡村农宅普遍存在冬季采暖能耗高、夏季降温条件差、农村配网供电容量不足等现实问题，单独运行地源热泵会大幅增加乡村电网用电负荷，产生高额电费开支。光伏-地源热泵耦合一体化系统利用农宅屋顶分布式光伏发电产生清洁电能，优先供给热泵机组运行，实现电力自发自用，同时兼顾建筑冬季采暖、夏季制冷、光伏发电创收、碳减排多重效益。本文选取华北平原连片乡村农宅项目作为研究对象，完成光伏装机容量匹配、储能配套、光伏优先联动控制系统设计，开展全年全工况运行监测，从能耗开支、光伏发电收益、碳减排量、静态投资回收期四个维度开展经济性测算，并与传统燃煤采暖、市政集中供暖、独立地源热泵三种模式横向对比。监测结果表明，光伏耦合地源热泵系统静态投资回收期约5年，设备全生命周期20年内综合经济效益显著，碳排放大幅下降。该耦合系统适配我国北方乡村清洁取暖改造工程，为乡村新能源多能耦合技术规模化落地提供设计思路与实测数据支撑。

关键词：光伏地源热泵耦合系统；乡村农宅；分布式光伏；自发自用；经济性评价；清洁取暖

引言

乡村振兴战略背景下，北方广大乡村地区逐步取缔散煤燃烧采暖，散煤燃烧带来大气污染、火灾隐患、采暖舒适度差等诸多问题。地源热泵冷暖一体化方案能够同时解决农宅冬季采暖与夏季降温需求，是乡村民居舒适化改造的优选方案。但乡村电网早期建设标准偏低，户内配电容量有限，热泵大功率运行容易造成线路过载跳闸；依靠电网购电运行热泵，冬季电费较高，农户接受意愿偏低。

分布式光伏在乡村具备天然落地优势：绝大多数农宅拥有独立屋顶，闲置屋顶可铺设光伏组件，光伏发电就近消纳，匹配热泵用电负荷，多余发电量可并网售卖获取收益。光伏与地源热泵的耦合系统，把可再生光能与地层地热两种清洁能源结合，既缓解乡村电网供电压力，又降低农户采暖制冷长期用电成本，兼具经济价值与环保价值。当前国内耦合系统研究大多集中于工商业园区，面向连片乡村民居的成套耦合设计、经济性测算案例较少，本文以此为研究方向，为乡村清洁能源改造提供参考方案。

1 项目概况与耦合系统方案设计

选取华北某行政村连片12户农宅作为试验对象，农宅均为砖混单层民居，建筑面积110㎡左右。原有冬季依靠散煤采暖，夏季无制冷设备，冬季屋内温差大、烟尘污染严重。为每户设计独立小型闭式地源热泵系统，埋管深度60m；在每户屋顶铺设分布式光伏组件，配套小型磷酸铁锂储能电池、智能双向配电控制柜。

系统控制逻辑采用“光伏优先自用、储能削峰填谷、电网兜底备用"模式：白天光伏发电优先供给地源热泵运行，富余电量存储进储能电池；傍晚、夜间无光伏发电时，储能电池优先供电；储能电量耗尽后由乡村公共电网兜底供电；每日富余储能无法容纳的光伏发电量，并入国家电网获得售电收益。

根据农宅全年冷热负荷模拟计算，为每户配置12kW光伏组件+5kWh储能电池，匹配小型户式地源热泵额定用电功率。

2 全年运行监测与多方案经济性对比

连续完整一年监测系统运行数据，将耦合系统与三种传统方案做综合对比：

方案1：传统散煤采暖。购置煤炭成本每年2100元，无夏季制冷；存在一氧化碳中毒、火灾风险，煤炭燃烧排放大量颗粒物污染物，无任何环保补贴。

方案2：市政集中供暖。冬季采暖费每年2600元，无夏季制冷；乡村市政管网覆盖难度大，建设成本高，难以大范围普及。

方案3：纯电网驱动地源热泵。冷暖全年电费约3300元，采暖制冷舒适度优，但长期用电成本高，农户负担重，用电高峰期容易造成村内电网过载。

方案4：光伏-地源热泵耦合系统。初期设备增量投入约3.5万元（热泵基础设备+光伏储能设备）；全年热泵自身用电绝大部分由光伏自发供给，每年仅需少量电网兜底电费约350元；富余光伏电量并网售卖年收入约3200元；叠加地方光伏清洁能源补贴、碳减排收益，年均综合净收益约2600元。经测算，扣除年均运维成本后，静态投资回收期为5年；设备整体使用寿命20年，后期十五年为纯收益阶段，同时全年实现建筑零碳排放采暖制冷。

3 耦合系统优势与现存短板优化对策

耦合系统核心优势体现在三方面：一是能源自给率高，全年热泵用电光伏自给率可达89%，极大减轻乡村电网负荷；二是长期经济效益突出，前期投入回收后长期盈利；三是环境效益明显，取缔散煤，实现民居用能低碳化。

系统现存短板：阴雨连续天气光伏发电量不足，依赖储能与电网兜底；冬季极寒天气热泵负荷升高，短时用电偏大。优化对策：适当增大储能电池容量，联动电网峰谷电价，夜间低谷电价为储能补电；村内建设微型光伏储能共享电站，实现农户之间电量互相调配，提升整体系统稳定性。

4 结论与推广建议

光伏-地源热泵耦合一体化系统高度适配北方连片乡村农宅的采暖制冷改造需求，利用农宅闲置屋顶实现光伏发电就近消纳，解决了单独热泵用电成本高、乡村电网容量不足两大痛点，兼具经济、舒适、环保三重价值，静态五年即可收回增量设备投入，长期收益稳定。

在后续乡村规模化推广过程中，可以采取整村打包统一设计施工，降低设备采购、施工的单位成本；对接当地电网公司做好并网备案、配电线路扩容改造；争取地方乡村振兴、清洁能源专项补贴，进一步降低农户前期投入门槛。该耦合模式契合乡村低碳化发展方向，未来在北方广大乡村地区具备极大的推广潜力。

参考文献

[1] 李爱霞.户式地源热泵在北方乡村采暖中的应用分析[J].农业工程学报,2022,38(S1):156-162.

[2] 国家能源局.乡村分布式光伏发电建设指导意见[Z].2024.

[3] 张磊.光热-地热多能互补系统运行优化研究[J].可再生能源,2023,41(06):789-795.

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