2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，如何减少能源消耗和使用清洁能源得到广泛关注。在我国北方地区每年冬季供暖消耗大量化石能源，“煤改电”项目的推进能够有效减少化石能源的消耗^[1]，但这导致了高峰用电负荷的增加。为了达到“削峰填谷”的目的，可以大力支持在低谷电时段用电，相变储能技术为农业温室提供了一个可行的和有效的解决方案，有利于减少温室能源消耗和碳排放^[2-5]。

随着我国现代化农业的发展，温室大棚供暖的能源供应以清洁能源为主。我国北方地区冬季太阳辐射较强，有研究学者提出将太阳能热利用技术应用于温室大棚供暖，并对太阳能在温室中的应用进行了优化设计^[6-7]。太阳能由于能量不稳定，具有间歇性和周期性等诸多局限性，从而使太阳能系统采暖直接利用受到限制，而土壤可以作为太阳能的良好蓄热体，夏季太阳能集热器可以把收集的热量通过地下换热器存储到土壤中，使土壤保持比较高的温度，冬季可以利用地埋管反向提取土壤中储存的热量，为冬季建筑采暖提供部分热源，实现了太阳能季节性利用，有效地向土壤补充热量，有利于地埋管周围土壤温度场以年为周期的热平衡，降低系统热损失，提高太阳能保证率，为建筑采暖提供清洁能源^[8-10]。

蒋绿林等人^[11]建立了温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的试验装置，试验结果表明供暖系统在不同工况下，试验温室空气温度较环境温度提升3～8 ℃。李慧星等人^[12]构建空气源热泵-相变蓄热水箱供暖系统，通过相变储能技术的合理应用，优化了太阳能、空气热能等非连续能源的供能方式，有效提高了建筑中可再生能源的利用率。张文娟等人^[13]利用TRNSYS建立基于相变蓄热器的太阳能-地源热泵系统模型，针对低谷电驱动下的系统运行策略进行优化研究，结果表明，在整个供暖季中，相变蓄热器的蓄热利用率达到87%，能够满足整个建筑的供暖需求。Yang等人^[14]开展了太阳能-土壤源热泵复合系统供暖实验研究，复合供暖系统在整个供暖季太阳能直供热量占比为10.7%，复合系统COP为3.32，比纯热泵系统COP提高了6.8%；对比电采暖和纯土壤源热泵供暖，复合系统供暖方式运行电耗分别降低70.74%和12.17%，具有更好的环保效益。山强等人^[15]基于TRNSYS软件开展了太阳能跨季节蓄热增强土壤源热泵供暖系统建模与仿真研究，结果表明该系统可以有效维持系统井群区域土壤热平衡。

在已有的针对基于相变蓄热器的太阳能耦合地源热泵系统的研究中，对利用低谷电实现整个供暖季供暖的研究较少。本工作在中国河北省某市开展的太阳能耦合地源热泵农业温室供暖实验研究的基础上，利用TRNSYS软件搭建了太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统，为了转移高峰用电负荷和降低成本，此系统可以利用地源热泵在夜间将电能转化为热能储存在相变储热罐中，在白天将相变储热罐中的热能释放出来用于供暖，有效缓解白天用电高峰。研究结果可为低谷电驱动下的太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的应用提供借鉴。

太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统如图1所示，供暖系统主要由真空管太阳能集热器、地源热泵、储热水箱、相变储热罐、地埋管、水泵和风机盘管组成。在白天，主要通过相变储热罐里面的相变材料凝固释放热量来满足供暖末端的供暖需求，当相变储热罐里面的相变材料凝固释放的热量不能满足供暖需求时，就会启动地源热泵给温室进行供暖，地源热泵通过蓄热水箱将一部分热量传递给温室用来满足供暖需求，另一部分传递给相变储热罐蓄热；当太阳辐射强度足够大时，太阳能集热器给蓄热水箱加热，使蓄热水箱的温度大于相变储热罐的温度，此时主要是太阳能集热器进行供暖，太阳能集热器通过蓄热水箱将一部分热量传递给相变储热罐，另一部分热量传递给供暖末端用来满足温室的供暖需求。在夜间，主要靠地源热泵利用低谷电供暖，地源热泵产生的热量一部分用于供暖末端供暖，另一部分用于给相变储热罐加热，使相变储热罐中的相变材料熔化，然后用于白天供暖。

系统运行主要分为4个模式，即太阳能跨季节蓄热模式、相变储热罐供暖模式、太阳能系统供暖模式、地源热泵供暖模式。

（1）太阳能跨季节蓄热模式。在非供暖期，太阳能集热系统可以将太阳能热量收集，当太阳能集热器的出水温度高于45 ℃时，集热侧水泵开启，太阳能集热器可以把收集的热量通过地埋管存储到土壤中，使土壤温度升高；冬季可以利用地埋管反向提取土壤中储存的热量，为冬季采暖提供部分热源。在非供暖季，太阳能集热器可以把收集到的热量供给相变储热罐，使相变储热罐中的相变材料熔化蓄热；在供暖季初期，可以利用相变储热罐中的相变材料凝固放热进行供暖。

（2）相变储热罐供暖模式。在供暖季，相变储热罐在夜晚由地源热泵用低谷电进行加热，使相变蓄热罐里面的相变材料熔化，达到储热的目的；在白天供暖时，通过使相变蓄热罐里面的相变蓄热材料凝固放热，用来满足温室大棚的供暖需求，在整个供暖季白天大部分都是采用相变储热罐供暖模式。

（3）太阳能供暖模式。在供暖季白天太阳辐射强度足够大时，太阳能集热器吸收热量传递给蓄热水箱，当蓄热水箱的温度大于负荷侧供水温度时，水箱侧水泵开启，蓄热水箱中的水流经相变储热罐，可以使蓄热水箱中的热量一部分用于给供暖末端供暖，另一部分热量用于给相变储热罐蓄热。太阳能供暖模式一般只在供暖季白天太阳辐射强度满足供暖需求的时候出现。

（4）地源热泵供暖模式。在供暖季夜晚时，太阳辐射强度几乎为零，此时地源热泵开启，地源热泵产生的热量一部分用于供暖末端供暖，另一部分用于给相变储热罐加热，可以使相变储热罐中的相变材料熔化蓄热，然后用于白天供暖。在供暖季白天相变储热罐相变产生的热量无法满足供暖末端供暖时，此时地源热泵也会开启，地源热泵产生的热量一部分用于供暖末端供暖，另一部分用于给相变储热罐蓄热，当相变储热罐中的相变材料熔化后，地源热泵关闭，此时继续使用相变储热罐里面的热量给供暖末端加热。在白天地源热泵开启的情况很少出现，主要是因为在白天相变储热罐和太阳能供给的热量大部分时候能满足温室的供暖需求。

本工作以河北省某温室大棚为研究对象，建筑长14 m，宽8 m，供暖面积约为110 m²，采暖温度为15 ℃，温室四周围护结构为中空双层玻璃，传热系数为4 W/(m²·℃)，温室顶部采用5 mm钢化玻璃，对应传热系数6.4 W/(m²·℃)。为了对比研究太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的性能，分别构建了太阳能耦合地源热泵供暖系统仿真模型和太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统仿真模型。仿真所用的气象数据由软件Meteonorm 8导出，利用TRNSYS软件进行建筑负荷系统模型搭建，得到该地区供暖季环境温度和逐时热负荷随时间变化情况如图2所示。

由图2可知，供暖期的日最高气温不超过15.3 ℃，日最低气温为-13.8 ℃，供暖期的日平均温度约为-0.98 ℃。建筑热负荷在供暖期内的变化受室外环境温度变化影响，环境温度升高，逐时热负荷降低，环境温度降低，逐时热负荷升高，供暖期在1月16日出现逐时热负荷最大值，最大逐时热负荷为18.5 kW。

根据供暖系统各部件参数，结合农业温室热负荷模型，构建了太阳能耦合地源热泵供暖系统仿真模型，如图3所示。仿真模型用到的主要模块包括地源热泵机组、地埋管、水泵、太阳能集热器、分流阀、合流阀和蓄热水箱。

温室热负荷由负荷读取部件载入模型当中，太阳能集热器通过集热侧水泵将热量经由蓄热水箱传递给用户侧进行供暖；热泵机组负荷侧通过负荷侧水泵连接蓄热水箱进行供暖，热泵机组源侧选用竖直地埋管实现与土壤的换热，通过对水泵启停控制实现整个系统的正常运行。该系统模型可以实现太阳能跨季节土壤蓄热、太阳能直接供暖、地源热泵供暖和太阳能耦合地源热泵供暖运行模式，与实验系统运行情况保持一致。

仿真模型各模块参数设置按照实验系统的结构参数和运行参数设定。太阳能集热器有效集热面积为40 m²；地源热泵的额定制冷量36.5 kW，制冷输入功率7.35 kW，额定制热量38.4 kW，制热输入功率10.66 kW；地埋管选用垂直双U型HDPE管作为地埋管换热器，公称管径为DN32；土壤的热物性参数由岩土热响应实验获得，土壤的平均温度为14.68 ℃，导热系数为1.582 W/(m·℃)，容积比热容为2000 kJ/(m·℃)，热扩散率0.986×10^-6 m²/s，实验所得对应土壤温度梯度为0.019 ℃/m；供暖末端选取6台MFC136型风机盘管。

在太阳能耦合地源热泵供暖系统仿真模型的基础上，加入了相变储热罐，构建了太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统仿真模型，如图4所示。该模型采用带有浸入式热交换器的相变储热罐，其中相变储热罐中的流体允许从液体转变为固体，反之可以从固体转变为液体；相变储热罐中的相变材料为CaCl₂·6H₂O，CaCl₂·6H₂O的固体密度为1630 kg/m³，液体密度为2310 kg/m³，定压比热容为1.34 kJ/kg，相变潜热170 kJ/kg，熔化温度29.4 ℃。

表1为太阳能耦合地源热泵供暖仿真模型模拟与实验结果对比情况，可以看出仿真模型所得热泵供热量、太阳能供热量、系统总供热量、热泵系统耗电量及热泵机组COP模拟值与实验值都较为接近，系统总供热量模拟值为33643 kWh，实验值为33149 kWh，相对误差为1.49%；热泵机组COP的相对误差最大，达到3.56%，各项误差均在5%以内。总的来说，TRNSYS所建立的太阳能地源热泵联合供暖系统模型各项实验值与模拟值偏差相对较小，能够较好地反映系统实际的运行工况。

本工作在太阳能耦合地源热泵供暖系统仿真模型的基础上，搭建了太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统仿真模型，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统选用1.5 m³的CaCl₂·6H₂O相变储热罐，分别对夜间蓄热温度为34.4 ℃、39.4 ℃、44.4 ℃、49.4 ℃的相变储热罐进行研究，得到相变储热罐在整个供暖季的温度分布如图5所示。

由图5可知，在整个供暖季内，当夜晚蓄热温度为34.4 ℃时，相变储热罐的蓄热量只有在供暖季初期和末期能满足白天的供暖需求，在大多数的白天无法满足供暖需求，需要在白天开启地源热泵；当夜晚蓄热温度为39.4 ℃时，相变储热罐的蓄热量在整个供暖期内共有38天无法满足白天的供暖需求，在这38天内白天会开启地源热泵；当夜晚蓄热温度为44.4 ℃时，相变储热罐的蓄热量在整个供暖期内只有8天无法满足白天的供暖需求，在这8天白天会短暂地开启地源热泵；当夜晚蓄热温度为49.4 ℃时，相变储热罐的蓄热量在整个供暖季内每天都能满足白天的供暖需求，在整个供暖季内均使用夜间低谷电进行供暖。CaCl₂·6H₂O相变储热罐在蓄热温度为44.4 ℃时，在整个供暖季低谷电利用率达到98%以上，因此建议选用44.4 ℃作为CaCl₂·6H₂O相变储热罐在夜间的蓄热温度。

太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在一个供暖期内的运行结果如表2所示。由表1和表2可知太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统热泵机组COP为2.95，而太阳能耦合地源热泵供暖系统热泵机组COP为3.43，主要原因是由于太阳能耦合地源热泵供暖系统的供暖温度为30 ℃，而太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在夜间需要将相变储热罐的蓄热温度加热到44.4 ℃，供水温度的升高导致了系统COP的降低。太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统热泵机组供热量26397 kWh，太阳能耦合地源热泵供暖系统热泵机组供热量29745 kWh，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统热泵机组供热量相比太阳能耦合地源热泵供暖系统热泵机组供热量降低了11.2%，主要原因是由于太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在非供暖期时相变储热罐会熔化蓄热，在供暖期初期会凝固放热，进而导致在一个供暖期内太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统热泵机组供热量小于太阳能耦合地源热泵供暖系统的热泵机组供热量。

太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在一个供暖期内热泵机组COP与热泵机组能耗随相变储热罐蓄热温度变化如图6所示，由图6可知，随着相变储热罐蓄热温度的升高，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的热泵能耗逐渐增大，主要原因是相变储热罐的蓄热温度升高，相变储热罐在夜间的蓄热量就会增大，地源热泵机组在夜间的供热量就会增加，导致地源热泵机组的能耗逐渐增大。随着相变储热罐蓄热温度的升高，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统COP逐渐减小，主要原因是相变储热罐的蓄热温度升高，地源热泵机组在夜间的供水温度就会升高，导致地源热泵机组的COP逐渐减小。太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统选用1.5 m³的CaCl₂·6H₂O相变储热罐时，当蓄热温度从34.4 ℃增加到49.4 ℃，热泵机组能耗从7843 kWh增加到10145 kWh，热泵系统的COP从3.36降低到2.68。因此在满足供暖需求的情况下可以适当地降低相变储热罐的蓄热温度，有利于提高系统COP，有效降低系统能耗。

基于太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统仿真模型，对供暖系统的长期运行特性进行研究，主要探究供暖系统长年供暖条件下的井群区域土壤平均温度变化规律。由表3可知，在两系统运行10年后，太阳能耦合地源热泵供暖系统热泵机组供热量为296982 kWh，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的热泵机组供热量为259397 kWh，太阳能耦合地源热泵供暖系统的热泵机组供热量大于太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的热泵机组供热量，主要原因是相变储热罐的存在，相变储热罐在非供暖期蓄热，在供暖期放热，由于相变储热罐的存在，在系统运行10年期间可以为系统累计节约能耗42598 kWh，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统相比太阳能耦合地源热泵供暖系统具有更好的节能效果。

两系统运行10年的土壤温度变化如图7所示，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统土壤温度高于太阳能耦合地源热泵供暖系统土壤温度。由表3可知，在两系统运行10年后，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的地埋管向土壤蓄热量为173690 kWh，地埋管向土壤取热量为169207 kWh，地埋管向土壤蓄热量比地埋管向土壤取热量多4487 kWh，因此可以更好地使土壤每年的平均温度保持平衡。太阳能耦合地源热泵供暖系统的地埋管向土壤蓄热量为162689 kWh，地埋管向土壤取热量为209912 kWh，地埋管向土壤蓄热量比地埋管向土壤取热量少47232 kWh，导致土壤每年的平均温度下降。因此，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统可以更加有效地解决地源热泵用于农业温室供暖所存在的土壤热失衡问题。

本工作所构建的太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统采用的是真空管式太阳能集热器，平均使用寿命为15年，其余部件使用寿命均在20年以上，以太阳能集热器报废年份分析系统经济性。表4为太阳能耦合地源热泵供暖系统和太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统运行15年的热泵供热量、热泵机组能耗、太阳能直供热量。从表中可以发现，太阳能耦合地源热泵供暖系统运行15年热泵供热量为446064 kWh，而太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统运行15年热泵供热量为386706 kWh，由于相变储热罐的存在，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统运行15年热泵供热量减少了13.3%。太阳能耦合地源热泵供暖系统运行15年的热泵机组能耗为146336 kWh，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的能耗为131541 kWh，根据低谷电价0.27元/kWh和居民电价0.52元/kWh计算，太阳能耦合地源热泵供暖系统运行15年花费76095元；而太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统运行15年花费35516元，运行成本相比太阳能耦合地源热泵供暖系统减少了53%。

根据市场调研，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统初始投资如表5所示，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统初始投资为77000元，太阳能耦合地源热泵供暖系统初始投资为62500元。系统的经济性是能否大面积推广应用的关键因素，利用费用年值法对本工作提出的太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统的经济性进行分析评价，考虑年利率因素对初始投资的影响，将系统的初始投资综合纳入到系统生命周期内，并结合运行费用对系统经济性进行综合评价，费用年值计算公式如式(1)所示。

式中，Sd为费用年值，元；i为折现利率，取7%；Ci为初始投资，元；Co为运行费用，元；n为设备生命周期，取15年。

由表1可知，太阳能耦合地源热泵供暖系统在一个供暖期内的机组能耗为9728 kWh，运行成本约为5058元，由表2可知，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在一个供暖期内的机组能耗为9043 kWh，运行成本约为2436元，太阳能耦合地源热泵供暖系统综合费用年值为11920元，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统综合费用年值为10890元，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统相比太阳能耦合地源热泵供暖系统综合费用年值减少了8%。因此，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统具有更好的经济效益。

本工作以河北省某温室大棚为研究对象，利用TRNSYS软件搭建了基于低谷电驱动的太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统仿真模型，基于该仿真模型对系统供暖性能、土壤热失衡问题、系统经济性进行分析，得出如下结论。

（1）相变储热罐在蓄热温度为44.4 ℃时，在整个供暖季低谷电利用率达到98%以上，且在一个供暖季内系统能耗较低，因此建议选用44.4 ℃作为CaCl₂·6H₂O相变储热罐的蓄热温度。

（2）在系统运行10年的情况下，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统地埋管累计向土壤蓄热量比地埋管累计向土壤取热量多4487 kWh，太阳能耦合地源热泵供暖系统地埋管累计向土壤蓄热量比地埋管累计向土壤取热量少47232 kWh，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统可以更好地使土壤每年的平均温度保持平衡，可以更加有效地解决地源热泵用于农业温室供暖所存在的土壤热失衡问题。

（3）太阳能耦合地源热泵供暖系统在一个供暖期内的运行成本约为5058元，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统在一个供暖期内的运行成本约为2436元，综合费用年值分别为11920元和10890元，太阳能-地源热泵相变蓄热供暖系统相比太阳能耦合地源热泵供暖系统综合费用年值减少了8%，具有更好的经济效益。