近期，在由國家太陽能光熱聯盟和中國科學院電工研究所主辦，內蒙古旭宸能源有限公司聯合承辦的“2020國際可再生能源供熱技術大會”上，內蒙古科技大學吳晅教授作了題為《太陽能+土壤源熱泵耦合供暖研究與應用》的主旨報告。作為國家自然科學基金、內蒙古自治區自然科學基金、內蒙古自治區科技創新引導資金、內蒙古自治區成果轉化專案等資助的科技專案，吳晅教授介紹其低品位能源綜合利用創新團隊在太陽能+土壤源熱泵的執行模式最佳化、土壤源熱泵地埋管換熱器強化換熱以及在寒冷地區太陽能蓄熱+熱泵多能互補供暖工程示範應用等方面的研究工作及進展，認為“嚴寒地區大型住宅建築，太陽能+土壤源熱泵系統相對具有較好的抗風險能力”。
以下為其報告的主要內容：
一、太陽能+土壤源熱泵複合系統的必要性
1、土壤熱平衡的需要
2、土壤熱平衡的需要（供熱為主）
3、地域氣候與能源特點的需要
包頭市位於內蒙古中東部，北緯40°38′，東經109°59′，海拔約為1067 m，年均日照輻射小時數3115.5h。日照時最長在5～7月，平均每天9～10小時。
最冷月為1月份，日平均氣溫為-20℃，日最高氣溫-2 ℃。冬季供暖時間為10月15日至次年4月15日，共計182天。
4、系統長期高效執行的需要
結果表明，COP隨蒸發溫度的降低而降低。因此，必須尋找一種可行的恢復地溫的方法。而將太陽能儲存到地面是一個不錯的選擇！
5、降低投資風險的需要
◎ 以包頭地區約1萬平米的建築為例，對單一土壤源熱泵系統和太陽能+土壤源熱泵系統進行成本和收益的估算。
◎在執行年限內，單一土壤源熱泵系統，其回收年限要長於太陽能+土壤源熱泵系統。
◎ 對於嚴寒地區大型住宅建築，太陽能+土壤源熱泵系統相對具有較好的抗風險能力。
6、降低系統初投資的需要
土壤源熱泵系統執行費用低，但初投資偏高，如何降低初投資是其推廣應用的關鍵。降低土壤源熱泵系統初投資的主要在於減少地埋管換熱器成本。
7、供熱為主（熱負荷大於冷負荷）
二、系統最佳化研究
我們認為，系統最佳化措施主要有地埋管換熱強化、執行模式最佳化、控制策略最佳化、部件匹配最佳化等措施。
以下詳述地埋管換熱強化、執行模式最佳化的過程及結果：
1、地埋管換熱強化
（1）鑽孔埋管引數
◎ 幾何結構引數：鑽孔直徑、鑽孔深度、埋管形式、管腳間距、埋管直徑等。
◎ 流動及熱物性引數：流體熱物性、管材熱物性、流體流速等。
（2）鑽孔回填材料
◎ 導熱效能：綜合考慮管腳熱短路及強化傳熱
（3）換熱控制模式
◎ 間歇執行：給予土壤溫度恢復的時間
◎ 分割槽調控：部分負荷時，不同區域埋管輪換使用
（4）換熱管間熱短路
（5）地下水滲流強化管群換熱
蓄熱為例加以說明:
雖然滲流速度越大，上下游埋管換熱量差異越大；但從換熱量差佔總換熱量的比值來看，其值逐漸減少。
與無滲流現象發生時相比，滲流速度的增加強化了管群的換熱能力。
（6）分層結構對管群整體換熱影響
管群的換熱效率始終低於均質岩土的效率。岩土分層現象對管群的整體換熱起到削弱作用，且換熱時間越長，其與均質模型的換熱效率差異也越大。
（7）非連續（間歇）執行控制
非連續執行工況可改變土壤溫度變化趨勢，延緩土壤溫升或溫降率，從而可有效提高淺層地熱能利用率。
2、執行模式最佳化
（1）跨季節蓄熱型熱泵系統模擬
太陽能集熱器將吸收的熱量儲存在蓄熱水箱之中，蓄熱水箱中的熱水透過迴圈水泵將熱量透過豎直U型地埋管換熱器儲存於土壤之中；取熱過程中，取熱地埋管換熱器將蓄熱地埋管傳遞給周圍土壤中的熱量透過迴圈水傳遞給熱泵機組的蒸發器端，然後透過熱力迴圈過程將熱量傳遞到使用者側，達到採暖目的。
（2）內蒙包頭地區採暖期：10月15日～4月15日共計6個月時間
◎ 5月～6月份採用白天蓄熱6小時，晚上恢復18小時，蓄熱溫度為30℃～40℃；
◎ 7月～9月份白天採用蓄熱8小時，晚上恢復16小時，蓄熱溫度為40℃～60℃；
◎ 11月～4月份採用白天蓄熱4小時，晚上恢復18小時，蓄熱溫度為30℃～35℃；
◎ 取熱過程採用熱泵連續執行模式，取熱過程中流體溫度為7℃～9℃。
三、實驗示範
內蒙古科技大學能源與環境學院太陽能+熱泵供熱系統實驗示範平臺
該實驗示範平臺位於內蒙古科技大學校園內，主要裝置有：
◎ 2眼換熱孔，採用雙U型PE管垂直地埋管，並聯連線，管外徑32mm，管內徑26mm，管壁厚3mm，埋管深度75m，井間距4m。
◎ 實驗平臺：熱泵機組、風機盤管、補水箱、太陽能集熱板、地埋管換熱器、蓄熱水箱等。
◎由兩個5.9m × 2.4m × 2.4m集裝箱構成模擬房，分兩層、四個房間佈局，每個房間均佈置一臺風盤末端。
系統設定為太陽能補熱模式，並使用間歇模式進行補熱。設定當天6：00—20：00為補熱模式，當天20點至第二天上午6點為無功迴圈模式。
四、工程應用
1、熱響應測試儀效能檢測平臺
準確的岩土熱物性引數是影響土壤源熱泵系統的一個重要因素。熱響應測試主要透過熱響應測試儀來實現，很多熱響應測試儀器在測量的準確性方面都存在問題。
該檢測平臺能夠模擬不同引數地埋管換熱孔出水溫度的控制要求。利用該檢測臺可以對熱響應測試儀進行線上精度檢測和準確性檢測，透過精度檢測試驗，可對不同型別TRT裝置線上精度和控制精度做出評價。
2、基於太陽能集熱和先進的低溫蓄熱技術的熱泵供暖系統
該系統由內蒙古科技大學能源與環境學院、北京華清榮昊新能源開發有限責任公司共同設計和建設。
◎ 多能互補供暖工程佔地面積約為1300平米，室內建築面積約為550平米，集辦公、住宿、展廳等多種功能。
◎ 室內末端形式有風機盤管、地板採暖、毛細管、冷梁、暖氣片，其中北側展示廳裝有新風系統，採用屋頂風口和地面新風置換兩種方式。
◎ 太陽能集熱、地埋管地源熱泵供熱、空氣源熱泵供熱以及谷電階段的水蓄熱和低溫相變蓄熱。
◎ 太陽能的集熱面積30平米，採用平板式太陽能集熱器。
◎ 4眼換熱孔和3眼監測孔，孔深分別為150m、100m、100m和120m；1#、2#和4#換熱孔埋設雙U型PE管，3#換熱孔埋設同軸套管換熱器；其中1#監測孔為環境監測孔，位於1#換熱孔北側6m；2#和3#監測孔位於1#和2#換熱孔之間為干擾監測孔。