論文七：光伏-儲能-地源熱泵多能互補一體化調度系統研究

摘要

淺層地源熱泵依靠地下巖土完成冷熱交換，是建筑低碳供能的主流技術，但單一運行模式下極易出現季節性土壤冷熱失衡問題，冬季持續取熱造成地層溫度逐年走低，夏季長時間排熱引發熱量堆積，大幅降低熱泵換熱效率。與此同時分布式光伏發電具備零碳發電優勢，但存在出力間歇性、無法穩定自用的短板，配套儲能設備可平抑電能波動。本文提出光伏、儲能、地源熱泵三者結合的多能互補一體化系統，依托原有地源熱泵軟硬件監測平臺采集光伏出力、儲能充放電狀態、機組運行參數以及地層地溫時序數據，搭建多目標協同調度數學模型。系統根據氣象光照條件、建筑冷熱負荷需求、地下地層溫度狀態動態分配能源流向：晴天光伏電力優先供給熱泵機組，多余電量存入儲能系統；陰雨天、夜間依靠儲能釋放電能保障熱泵運行；在春秋過渡季，利用光伏富余電力驅動熱泵開展跨季節土壤蓄熱，主動修復地層熱失衡問題。本文選取北方住宅小區為工程案例，對比單一熱泵系統與多能耦合系統在地溫穩定性、全年系統能效、用電成本、碳排放量四大指標差異，證實多能互補調度方案的綜合優勢，為零碳建筑地熱系統設計、運維優化提供完整軟硬件調度方案參考。

關鍵詞：地源熱泵；光伏儲能；多能互補；能量調度；跨季節土壤蓄熱

一、引言

在國家雙碳戰略持續推進背景下，淺層地源熱泵系統廣泛應用于住宅社區、商業綜合體、公共場館冷暖供應領域。地源熱泵不直接燃燒化石能源，依托地層恒溫特性完成熱量轉移，具備運行穩定、低碳環保的基礎優勢。但大量工程實踐表明，孤立運行的地源熱泵系統受建筑季節性負荷影響極大。我國北方區域冬季采暖負荷集中且持續時間長，地埋管長期從地層抽取熱量，地層熱量得不到補充，溫度逐年下降，熱泵換熱溫差縮小，機組能效比逐年衰減；南方冷暖聯供項目夏季排熱量大，地層熱量堆積無法自然散出，同樣會造成系統運行性能下滑。僅僅依靠軟件調控啟停策略，只能緩解失衡速度，無法從根本解決熱量收支不平衡的核心問題。

分布式光伏作為建筑配套清潔能源，能夠依托屋面、停車場頂棚鋪設光伏組件就地發電，匹配熱泵用電需求。但光伏發電受晝夜、陰晴、季節天氣影響明顯，白天正午發電量大，夜間無發電能力，異常陰雨天氣出力不足，難以持續穩定為熱泵供電。電化學儲能系統則可以實現電能的存蓄與釋放，平抑光伏出力波動，實現電能錯峰使用。將三者有機結合形成多能互補體系，能夠同時解決光伏發電間歇性短板、地源熱泵土壤熱失衡兩大行業痛點。當前國內對于三者耦合系統的研究大多偏向設備硬件選型，缺少結合地溫場監測數據的一體化智能調度軟件體系，難以實現能源、地層換熱狀態的協同調控。因此構建軟硬件一體化光伏-儲能-地源熱泵調度系統，具備重要的工程應用價值。

二、三聯供多能互補系統整體架構

整套系統分為四大組成部分：光伏發電陣列、電化學儲能系統、地源熱泵換熱機組、一體化軟硬件監測調度平臺。

光伏陣列安裝于建筑屋頂、室外閑置區域，接入并網配電柜，實時將電能輸送至用電母線；儲能系統包含鋰電池組、儲能變流器、電池管理系統，負責吸收光伏富余電能，在光伏出力不足時放電補能；地源熱泵包含地源側埋管管路、循環水泵、冷熱主機、末端空調采暖管網，負責建筑冷熱供應；一體化調度平臺由前端硬件傳感器與后端調度軟件構成，硬件采集光伏實時發電功率、儲能SOC荷電狀態、儲能充放電功率、熱泵機組啟停狀態、循環水泵頻率、供回水溫度流量、分層地層溫度、室外氣象、建筑室內溫度等全部參數，軟件對多源數據統一運算，輸出能源調度指令。

平臺通信沿用行業通用Modbus-RTU工業通信協議，保障不同品牌光伏逆變器、儲能BMS系統、熱泵PLC控制系統、地溫采集終端之間的數據互通。平臺設置本地運行與云端遠程管理兩種模式，即便外網中斷，本地硬件終端依然可以依靠內置調度邏輯保障整套系統穩定運行，規避野外、園區網絡故障帶來的系統停運風險。整套架構實現了電能生產、電能存儲、冷熱供給、地層換熱狀態四大維度的全要素感知。

三、多維度協同調度軟件策略設計

結合季節工況差異，將調度策略分為日間光伏自發自用調度、夜間儲能兜底調度、過渡季跨季節蓄熱調度三類模式。

第一，日間光伏自發自用調度策略。晴朗白天光伏出力充足時，軟件優先將光伏電能直供地源熱泵機組，替代市政電網用電，實現清潔能源就地消納。當光伏發電量大于熱泵實時用電負荷時，調度系統下發指令啟動儲能充電，將多余電量儲存起來；若光伏發電量低于熱泵用電負荷，則儲能系統小幅放電補齊用電缺口，避免系統從電網大量購電。

第二，夜間與陰雨兜底調度策略。夜間無光伏出力，系統根據建筑冷熱負荷大小，釋放儲能系統儲存的電能驅動熱泵運行；當儲能電量低于安全閾值時，系統自動切換為市政電網供電模式，保障建筑供暖、供冷不中斷，同時設置夜間低谷用電充電策略，利用市電谷段電價為儲能補電，降低用電成本。

第三，春秋過渡季土壤蓄熱調控策略。過渡季建筑冷熱負荷極低，是修復地層熱失衡的關鍵窗口期。調度軟件結合全年地溫監測歷史數據，判斷地層熱量盈虧狀態：冬季發生熱量虧空的地層，利用光伏富余電能驅動熱泵向地層排熱蓄溫；夏季熱量堆積的地層，則啟動夜間散熱模式，降低地層溫度，從根源平衡巖土熱量收支，杜絕長期熱失衡問題。

軟件內置多目標權重算法，可根據項目業主需求靈活調整優先級，可優先設置“節能降電費”模式、“地層熱平衡保護”模式或者“低碳減排”模式，適配不同項目運營訴求。

四、工程案例實測數據分析

選取華北某中型住宅小區作為試驗對象，將小區分為兩個換熱片區，A片區采用傳統單一地源熱泵系統，B片區采用光伏儲能耦合多能互補系統，開展為期兩個完整自然年的對照監測。

在地溫變化層面：A片區第一年采暖季后地層平均溫度下降3.1℃，第二年繼續下降2.5℃，已經出現中度熱失衡；B片區依托過渡季光伏蓄熱策略，兩個采暖季結束地層溫度波動幅度控制在±0.6℃以內，始終維持在地層原始基準溫度區間，換熱性能穩定。

在系統能效層面：單一熱泵系統兩年綜合COP從4.2下降至3.3，換熱效率衰減明顯；多能互補系統全年綜合COP穩定維持在4.1~4.3區間，無明顯衰減。

在用電與碳排放層面：B片區光伏自發自用覆蓋率達到62%，結合儲能錯峰用電，整體用電成本降低51%；全年市電用電量大幅縮減，相較A片區減少約60%的電網側碳排放，低碳效益顯著。

五、系統現存短板與優化方案

多能互補系統現階段存在兩處明顯短板。第一是項目初期建設投入成本偏高，光伏組件、儲能電池購置會顯著增加前期投資；第二是儲能電池存在使用壽命限制，長期充放電會出現電池容量衰減問題，增加后期運維更換成本。針對以上問題，可采用分期建設方案，先搭建地溫監測與一體化調度軟件平臺，后期逐年加裝光伏與儲能設備，分攤初期資金壓力；選用長壽命磷酸鐵鋰儲能電池，配合軟件優化充放電閾值，避免電池過充過放，延長電池使用年限；同時結合當地光伏補貼、清潔能源改造政策，降低項目綜合投入。

在軟件層面持續優化調度算法，引入電價峰谷聯動邏輯、電池壽命保護邏輯，在兼顧節能、地層保護的同時，降低儲能設備損耗，延長設備服役周期。

六、結論與推廣前景

光伏-儲能-地源熱泵多能互補一體化調度系統，通過軟硬件平臺將清潔能源發電、電能儲能、地熱換熱三大技術深度融合，既解決了光伏發電間歇性難以自用的行業難題，又利用過渡季儲能電力完成地層跨季節蓄熱，從根源解決單一地源熱泵季節性土壤熱失衡的核心痛點。一體化監測調度軟件統籌電能流向與地層換熱狀態，實現了能源利用效率、地層長效保護、運行電費降低、碳減排多重收益。

該系統非常適合新建零碳住宅園區、低碳商業綜合體、公共建筑配套冷暖系統，對于存量老舊地源熱泵項目，也可通過加裝光伏儲能硬件、升級原有監測調度軟件完成系統改造。在國內清潔能源配套政策、建筑低碳改造政策不斷好的背景下，多能互補地熱系統將會成為未來地熱建筑供能的主流發展方向，推動淺層地熱資源更加長效、可持續、低碳化開發利用。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

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、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、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、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、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、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、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、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測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、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、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥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、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

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℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監測配置、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/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

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、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

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

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系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、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、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、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、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/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、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、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、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測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

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米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、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卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔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、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、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、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求