现在北方人对供暖要求越来越高，但咱们供暖还是主要靠烧煤。这种方式不仅不环保，还容易因为调节不及时浪费能源，有时候家里温度还跟不上。

后来不少城市开始用主热源加调峰热源的模式，确实能省点劲，也灵活不少。有人提议在换热站附近装调峰热源，这样既能稳住供热系统，就算主管道出问题，也能临时顶上去，安全性高很多。

热泵是个好东西，能把不值钱的低品位热量变成能供暖的高品位热量。换热站刚好在用户身边，要是在这儿装热泵补热，就能变成一个小型的 “热量转换站”。太阳能更不用多说，量大还不花钱，没污染。

把光伏光热（PV/T）和地源热泵凑一起，好处特别明显。地埋管能给PV/T降温，让它发电效率更高；同时PV/T还能给地埋管补热，避免土壤越用越冷，这样太阳能和地热能就能互相帮忙，系统能长期稳定运行。

不过济南不少换热站，尤其是末端的，现在已经供不上足够的热了，用户需要的热量比实际能供的还多。所以济南得从换热站的二次网入手调峰，才能满足大家的供暖需求。

这次我就以济南一个小区换热站为例子，看看把PV/T和地源热泵结合起来，给二次网补热到底行不行，能不能让供水温度升上去，让住户家里更暖和。

一、先说说这个换热站的情况

这个换热站负责一个居民区的供暖，供热面积大概4.81万平方米，设计的最大供热能力是2.89兆瓦。它要连续供暖120天，二次网里水的流量是每小时40吨，供水压力0.68兆帕，回水压力0.65兆帕，设计的供回水温差是10℃。

但这个换热站有个大问题——离主热源太远，在供暖管网的末端。热水从主热源运过来，热量损失特别多，导致二次网的供回水温差变小，供的热根本不够用。

我看了它的供热数据，发现室外温度一降，换热站就没办法及时提高供热负荷，用户需要的热量和实际供的热量对不上，小区住户家里就会变冷。

一般集中供热系统，最大热负荷会持续一个月左右，而且最大负荷和最小负荷的比值能超过2，严寒地区这个比值更大。参考相关数据，这个换热站大概需要承担总供热负荷30%到40%的调峰任务，剩下的60%到70%由一次网供应。所以我就把它的调峰负荷当成需要补的热量。

从数据来看，这个换热站最大的调峰负荷出现在12月18日，有736千瓦，这也是它需要补的最大热量。

二、补热系统的原理和仿真模型

针对这个换热站供不上热的问题，我设计了一套PV/T耦合地源热泵的补热系统，专门用来调峰。

这套系统能解决两个关键问题：一是换热站供热能力不够，满足不了用户需求；二是长期从地下取热，导致地下温度逐年下降，让热泵效率变低。它主要包括PV/T系统、热泵系统、地埋管储热系统、蓄电池、换热器，还有水泵、集热水箱这些辅助设备。

系统有两种运行模式，分别是蓄热和取热。

蓄热模式主要在非采暖季运行，PV/T系统收集的热量会通过地埋管存到土壤里；到了采暖季，如果天气条件允许，也会把热量传给热泵，持续补充热量。

取热模式则在采暖季工作，通过热泵系统从土壤这个“储热体”里取热，用来加热二次网的供水。另外，PV/T系统不仅能提供热量，还能通过光伏发电给热泵系统供电，降低能耗。

为了验证这个系统行不行，我用Trnsys仿真软件建了一个模型。建模的时候，为了方便计算，我忽略了管道里的热量损失，还有设备老化带来的参数变化。

三、接下来给大家说说系统里关键设备的参数设置。

先看PV/T集热器，它最上面是光伏电池板，下面有降温流道，这样能让光伏电池保持稳定温度，保证发电效率。虽然有研究说，没有玻璃盖板的PV/T集热器集热效果更好，更适合给土壤补热，但有玻璃盖板会降低一点光电转换效率。综合实际情况，我还是选了有玻璃盖板、集热效果好的PV/T集热器。考虑到工质泄漏和成本问题，循环工质用的是水。

这个PV/T集热器的面积是48平方米，吸收板厚度0.005米，额定光伏效率18%，基准温度25℃，光伏效率温度系数是-0.5%/℃，流道管径 0.01米、间距0.1米，安装倾角37°。

根据现场实际情况和施工需求，光伏组件铺设面积占了换热站及周边可用面积的80%，有1650平方米。安装的时候，结合济南的纬度，把倾角设为37°，方位角0°，这样能让它的性能达到最好。

再看热泵系统，它是给二次网补热的核心设备，能把PV/T系统存在土壤里的热量取出来，加热二次网的供水。同时，它还能利用PV/T系统发的电，减少自身能耗。为了保证供热效果，选机组的时候特意留了一定的富余量。

我选的热泵型号是SSD1500DW，制热量168.6千瓦，制热输入功率40.7千瓦，额定制热量每小时606960千焦，额定制热COP（性能系数）4.41。冷凝器的水流量是每小时26立方米，蒸发器是每小时32立方米，地源侧进水温度在- 5℃到 25℃之间，冷凝侧出口温度在33℃到55℃之间。

最后是地源热泵的储热体模型，我依据DST储能传热模型来建的，建模时没考虑地下水渗流、储热体温度分布不均匀这些非关键因素。

储热体用的土壤和地埋管参数是这样的：钻孔深度150米，直径0.3米；外管内直径0.2米，内管外直径0.14米，内管内直径0.12米；外管导热系数41W/(m・℃)，地温梯度0.03，土壤导热系数1.53W/(m・℃)，土壤比热容2000kJ/(m³・℃)，回填材料导热系数2.6W/(m・℃)，土壤初始平均温度15℃。

另外，我用COP值来评价热泵系统的性能，用太阳能电池的光电转换效率来衡量PV/T系统的发电效果。COP值的计算是用系统的供热负荷，除以压缩机和循环水泵消耗的总功率；光电转换效率则参考标准工况下的效率，再结合温度系数来计算。

四、系统运行效果分析

（一）系统运行的关键数据

为了分析PV/T系统的转换效率，我选了普通PV系统做对比，还挑了夏季7月12日作为典型日，计算两个系统的转换效率。

那天从0点到24点，PV系统和PV/T系统的表面温度、光热转换效率有明显差别。日出后，太阳辐射量越来越大，两个系统的表面温度都开始上升。到了正午，PV系统的表面温度达到最高，有59.6℃；但PV/T系统不一样，表面温度上升到一定程度后，因为有液体冷却，温度一直稳定在21.4℃到24.3℃之间。

也正是因为冷却效果，PV/T系统的光电转换效率比PV系统高，最高能到17.2%，而且效率特别稳定，不会像PV系统那样因为温度过高而下降。

另外，我还计算了系统正常运行20年后土壤的平均温度，想看看土壤温度的变化趋势。结果显示，随着系统运行，土壤平均温度一直在下降。初始温度是15℃，到第20年降到了13.49℃，和初始温度差了1.51℃。虽然每年土壤的最低温度都在降，但通过PV/T集热器给土壤补热，能缓解因为冷热负荷不平衡导致的土壤温度大幅下降，让土壤温度不会降得太快。

（二）补热效果怎么样

通过热泵系统补热后，二次网的供水温度有明显提升。我对比了补热前后的温度数据，发现没补热的时候，二次网的供水温度在30.2℃到45.6℃之间波动；补热之后，供水温度升到了30.5℃到51.4℃之间，最高提高了10.2℃。

而且补热后，二次网的供水温度会跟着室外温度变化。室外温度低的时候，需要补的热量多，供水温度就会升高；室外温度高的时候，需要的热量少，供水温度也会相应降低，能很好地匹配用户的实际需求。

（三）热泵系统的COP和节能效果

我还统计了供暖季每个月系统的COP值，发现这个数值一直在下降。供暖季刚开始的11月，COP最高能到4.86；到了供暖季末期，就降到了4.32。主要原因是供暖期间一直在从土壤里取热，土壤温度慢慢下降，导致热泵系统的效率跟着降低。但即便如此，整个供暖季的COP值都保持在4.32以上，还是处于较高水平，说明系统的节能效果不错。

五、总结

我用Trnsys软件建了这套换热站补热系统的仿真模型，还结合济南这个末端换热站的供暖调峰数据做了模拟，分析了系统的运行特性和补热能力，最后得出了几个关键结论。

首先，把PV/T耦合热泵系统用在换热站补热上，能高效利用可再生能源。典型日里，PV/T系统的光电热转换效率最高能到17.2%，能充分利用太阳能；同时，系统还能给土壤储热体补热，让土壤温度一直稳定在13.49℃到15℃之间，有效维持了土壤的热平衡，不会让土壤因为长期取热而温度骤降。

其次，在供暖系统的末端换热站补热，是个很有效的供暖调节方式。通过热泵系统补热，二次网的供水温度范围提高到了30.5℃到51.4℃，而且供热负荷能跟着室外温度波动及时调整，能有效提高供暖质量，保证用户能用到足够的热。

最后，PV/T光热系统给土壤储热体补热，不仅改善了土壤热失衡的问题，还让热泵系统保持了较高的COP值。整个供暖季，系统COP稳定在4.32到4.86之间，既能满足供暖需求，又能节约能源，对北方末端换热站解决供暖难题有很好的参考意义。