光伏-地源热泵耦合系统联合运行调度策略与能效优化研究

摘要

在建筑分布式光伏大面积普及背景下，光伏与地源热泵系统耦合可实现清洁能源自产自用，摆脱热泵机组对电网火电用电的依赖，进一步提升系统低碳价值。但光伏发电具有间歇性、昼夜波动性，和建筑供暖制冷负荷、地层储热特性难以天然匹配，存在光伏电能消纳困难、地层冷热堆积失衡、机组频繁启停能耗升高等问题。本文以办公建筑光伏地热耦合系统为研究对象，结合光伏出力预测、建筑负荷时序模拟、地层温度场动态监测数据，构建多目标联合调度算法，分别设置光伏直供热泵、蓄电池储能削峰填谷、地层季节性储热三种调度模式，建立分时联动运行策略。经过两个完整冷暖季实测验证，优化调度策略可将光伏自用消纳率提升至87%以上，系统综合能效提升19%，大幅降低电网侧用电碳排放，同时规避地层长期冷热不均衡问题。本研究为光伏地热多能耦合系统的智能化运行、零碳建筑落地提供调度方案参考。

关键词：光伏地源热泵耦合；出力预测；联合调度；储能削峰；地层储热；建筑零碳供能

一、引言

随着建筑节能与近零能耗建筑政策推行，建筑屋面、停车场顶棚铺设分布式光伏已成行业标配。地源热泵系统依托地下恒温岩土体，能够稳定为建筑冬季供暖、夏季供冷，二者在理论层面可以组合成自给自足式清洁供能体系。白天光伏发电产生电能，可以直接驱动热泵主机与机房辅机运行；多余电能存储在储能蓄电池当中，用于夜间、阴雨天气热泵用电需求，从源头减少市电购电量，降低电网间接碳排放。

现阶段大量已经投运的光伏耦合地源热泵项目，普遍采用粗放式固定运行逻辑，并未针对光伏间歇性出力特性、建筑冷热负荷时序变化做智能化调度优化。光照强度峰值时段产生大量富余光伏电力，无法被热泵系统消纳只能低价并网售卖，光伏资源利用效率偏低；阴雨天与夜间热泵运行依赖市电，用电成本居高不下。与此同时，热泵系统夏季向地层持续排热、冬季从地层大量取热，缺少跨季节储热平衡手段，长期运行后浅层岩土体出现冷热堆积，地层温度逐年偏移，地埋管换热效率持续衰减，热泵机组能效逐年下滑。

目前行业相关研究大多停留在硬件设备简单拼接层面，缺少同时兼顾光伏消纳率、系统运行电费、地层热平衡三者的一体化动态调度方案。本文引入气象驱动的短期光伏出力预测模型，结合建筑逐时冷热负荷模拟结果、地层多点温度长期监测数据，设计三层联动智能调度方案，利用储能系统平抑光伏发电波动，依靠地层岩土体实现跨季节储热调峰，实现整套耦合系统经济高效、长期可持续运行。

二、光伏-地源热泵耦合系统结构与运行痛点

整套耦合系统硬件架构包含分布式光伏阵列、双向并网逆变器、锂电池储能系统、变频式地源热泵主机、地下闭式地埋管换热网络、建筑室内末端采暖空调、地层多参数感知监测终端。系统基础运行逻辑为光伏发电优先供给热泵主机、循环水泵等机房用电设备，富余电量为储能电池充电，电池充满之后剩余电力并网；当光伏发电功率不足以支撑机房负荷时，储能电池优先放电供电，电池电量耗尽后系统自动切换市电兜底供电。

传统固定运行模式的痛点可以分为三大类：其一，光伏出力与建筑冷热负荷时序错配，日间光伏发电峰值往往处于建筑冷热负荷低谷区间，大量光伏电量只能并网售卖，自用消纳率偏低；其二，储能系统充放电逻辑固化，无法结合未来气象预报、建筑负荷变化智能调节，经常出现储能电池空充闲置、热泵急需用电时储能电量耗尽的情况；其三，地层换热缺少季节性调控策略，长年单向取热或排热造成岩土温度场失衡，地埋管换热热阻增大，换热性能逐年衰减。三类问题叠加，导致耦合系统节能与低碳价值无法充分发挥。

三、多目标联合智能调度系统架构设计

本次设计的智能调度系统分为感知监测层、边缘调度决策层、云端优化管理层三层架构。感知层部署光伏出力传感器、储能电池电压及SOC状态监测模块、热泵机组电控采集单元、建筑分户室温传感器、地下地层多点温度监测装置，同时接入当地气象平台获取未来7日气象预报、光照强度预测数据，完成全系统运行状态感知。

边缘决策层搭载多目标优化算法，以光伏消纳系统年度用电成本低、地层全年温度波动最小作为三大优化目标，动态切换三类运行模式。第一为光伏直供优先模式，当光照充足、光伏实时出力可以覆盖热泵机房负荷时，光伏直接供电驱动机组，储能系统处于待机保温状态，减少储能充放电损耗；第二为储能削峰模式，光伏出力超过机房用电负荷时启动储能充电；光伏功率不足时储能放电，最大限度减少市电接入频次；第三为地层跨季节储热模式，夏季利用光伏富余电能驱动热泵加大制冷工况，将冷量储存在地层土体中；冬季提取地层储冷降低制热负荷，平衡地层全年温度场，避免岩土冷热堆积。

云端管理层负责长期运行数据迭代优化算法参数，根据建筑季节性冷热负荷变化优化全年调度策略，同时完成设备故障预警、地层热失衡提前告警等功能，实现远程运维管控。

四、工程实验与运行数据分析

选取一栋三层独立办公建筑开展为期两个冷暖季对照试验，将系统分为对照组（传统固定运行策略）、实验组（本文三层智能调度策略）。对照组原有光伏年均自用消纳率仅59.2%，富余光伏电力以较低电价并网；冬季持续从地层取热，地层年均温度下降0.7℃，热泵机组逐年能效衰减。实验组采用智能调度方案后，光伏自用消纳率提升至87.6%，市电购电量同比下降61%；依靠跨季节储热调控手段，地层全年温度波动控制在±0.2℃区间内，岩土温度场长期稳定，热泵机组全年平均制热、制冷综合COP提升19.3%。从碳减排指标来看，整套系统全年电网间接碳排放下降64%，各项指标均达到近零能耗建筑评价标准。

五、系统现存短板与优化方向

当前调度方案存在两处明显短板：连续阴雨天气下储能电池容量有限，仍然需要市电作为兜底保障；老旧建筑屋面承载、可用铺设面积受限，光伏总发电量无法覆盖热泵全年用电负荷。后续优化升级方案可以从多个维度推进：将建筑新能源充电桩用电纳入综合能源调度体系，光伏电力同时供给热泵机组与新能源车辆充电，进一步提升光伏消纳空间；增设小型相变储热装置，作为地层储热的补充，提升系统冷热调节冗余能力；结合电网峰谷分时电价，在夜间用电低谷时段为储能补电，降低整体用电成本。对于新建建筑项目，在规划阶段完成光伏铺设面积、储能容量、地埋管长度三者匹配设计，从源头实现系统耦合配置。

六、结论

光伏与地源热泵耦合系统是公共建筑、产业园区实现清洁低碳供能的重要技术形式，单纯硬件设备拼接无法充分发挥两套清洁能源系统的协同优势，光伏发电时序供需错配、储能调度逻辑僵化、地层冷热长期失衡是制约系统综合效能的核心瓶颈。本文构建“光伏出力气象预测-储能系统削峰填谷-地层跨季节储热平衡"三层联合智能调度策略，依托全系统一体化感知监测体系实现动态工况调节，显著提升光伏电能自用消纳比例，降低市电依赖程度与整体用电运维成本；同时依靠季节性储热手段稳定地层温度场，保障地埋管换热系统长期换热性能稳定。

经过办公建筑冷暖季实测项目验证，该调度方案具备良好的经济性、节能性与可持续性，能够为各类公共建筑、产业园区打造近零能耗光伏地热耦合供能系统提供标准化运行调度方案。随着分布式光伏与储能设备成本持续下行，该耦合调度方案能够推动分布式光伏+浅层地热复合清洁能源体系在建筑领域大范围落地，为建筑领域双碳目标落地提供坚实的技术支撑。

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