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摘要
在严寒地区，由于季节性热量提取远超夏季热量排放，地源热泵系统容易出现长期的地温失衡。为解决这一问题，本研究针对中国东北长春以供暖为主的工业建筑，提出了一种质子交换膜燃料电池辅助的地源热泵系统，并采用级联余热回收技术。通过耦合建筑负荷、PEMFC电堆、垂直地源换热器、水源热泵、蓄热罐、电池储能、循环泵及协调控制模块，开发了一个基于TRNSYS的动态模拟模型。回收的PEMFC余热优先用于空间供暖和蓄热，并在需要时进一步分配用于地侧热补偿。进行了年度和十年的模拟，以评估PEMFC集成对地面温度、土壤热平衡、热泵功耗和季节性性能系数的影响。模拟的年度供暖和制冷需求分别为516,721和99,538 kWh，证实了该案例建筑具有强烈的供暖主导负荷特征。与参考GSHP系统相比，PEMFC辅助系统将年度土壤温度降幅从1.24 °C降低至0.37 °C。在十年期间，最终平均土壤温度从7.29 °C上升至9。95 °C，对应土壤累积温度下降减少了52.1%。此外，冬季热泵功率范围从15.76–39.94 kW降至12.33–28.90 kW，而供暖季平均COP从4.68提高到5.21。这些结果表明，PEMFC余热回收不仅可作为辅助热源，还能作为主动式地热补偿机制，从而提高严寒地区GSHP系统长期热可持续性和运行性能。
质子交换膜燃料电池; 地源热泵; 余热回收; 地温平衡; 严寒地区
1. 引言
向低碳高效能源系统的转型已成为工业园区核心要求，尤其是在供暖期长、冬季气候严酷的地区[1]。在严寒地区，由于室内外温差大、供暖时间长以及围护结构热损失显著，工业建筑通常表现出高度以供暖为主的负荷特性[2,3,4]。大跨度工业建筑因其室内空间大、空间热惯性高以及对室内热环境稳定性的严格要求，进一步加剧了这一挑战[5,6]。因此，开发能够同时确保高能效、运行可靠性和长期热稳定性的清洁供热系统，对于严寒地区的工业脱碳具有重要意义。
]。地源热泵系统作为清洁供暖和制冷技术已得到广泛应用，因为它们利用温度特性相对稳定的浅层地热能。与传统的化石燃料供暖系统相比，地源热泵系统通过从地下提取低品位热量并通过蒸汽压缩循环进行升级，能够大幅提高供暖效率。然而，地源热泵系统的长期性能受到地源换热器热平衡的强烈制约。在以供暖为主的地区，冬季从地下提取的热量通常远大于夏季排入地下的热量[6,7,8,9,10]。这种季节性失配导致土壤温度持续下降，热泵蒸发器进口温度降低，压缩机功耗增加，最终导致性能系数恶化。因此，土壤热失衡已成为严寒地区地源热泵系统可持续运行的主要障碍之一。
为了理解和缓解地源热泵系统的土壤热失衡问题，已开展了大量研究。现有研究表明，地源热失衡比与建筑类型、气候条件、负荷曲线、钻孔配置以及长期运行策略密切相关[3,11,12]。对于以供暖为主的建筑，土壤温度的持续下降会严重降低供暖性能，甚至威胁整个系统的长期可靠性。为解决这一问题，人们提出了混合式地源热泵系统，通过引入辅助热源或散热装置来补偿季节性的地热亏损[13,14,15,16]。典型方法包括太阳能辅助地热再生、冷却塔辅助散热、锅炉辅助供暖、余热注入以及季节性热储能[9这些策略可以在不同程度上改善地源热回收；然而，太阳能辅助系统受限于间歇性和气候依赖性，冷却塔主要应对以冷却为主导的工况，而传统的辅助加热可能会增加化石能源的消耗[17,18,19因此，稳定且低碳的废热源正日益被视为主动地源热补偿的理想选择。
质子交换膜燃料电池为氢能分布式能源供应提供了一条充满前景的途径，因为它们能以高效率、低噪音和低局部排放将氢能化学能直接转化为电能[20,21,22,23]。在运行过程中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆也会产生大量中低品位热量，必须通过有效的热管理系统将其移除，以使电堆保持在最佳运行温度范围内。如果将这些热量直接排放到周围环境中，则会造成大量氢能输入的浪费。相反，如果通过级联能量管理回收并利用PEMFC的废热，PEMFC不仅可以作为发电单元运行，还可以作为热电联产系统的可控热源[22,23,24,25在建筑能源应用中，基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的联合供热供电（CHP）系统已被研究用于提高一次能源效率、减少温室气体排放并增强分布式能源的自主性。
近期关于质子交换膜燃料电池（PEMFC）余热回收的研究主要集中在热管理、热电联产、热电冷联产，以及与热泵、吸收式制冷机和有机朗肯循环等辅助能量转换装置的集成。这些研究表明，PEMFC余热可用于生活热水、空间供暖、制冷或提升热泵系统的效率。特别是将PEMFC与热泵耦合具有吸引力，因为PEMFC产生的电能可以部分满足热泵的用电需求，而PEMFC余热则能降低分配给热泵的热负荷，或改善热泵源侧的运行条件[26,27]. 这种耦合带来了双重效益：电力自给和热量回收。然而，现有的大多数PEMFC-热泵研究主要集中在短期热力学性能、能源效率或经济评估上，而PEMFC废热与地源热交换器长期热演化之间的相互作用仍未得到充分阐明。
从多性向能源系统运行的角度来看，PEMFC辅助的GSHP系统比传统的CHP或热泵系统具有更复杂的耦合机制。PEMFC的电输出可用于驱动热泵、循环泵或建筑用电负荷；回收的废热可储存在蓄热罐中、直接供应给建筑，或注入地侧回路以进行土壤热再生；而热泵性能则受建筑负荷变化和地侧温度演化的共同影响。因此，系统性能受建筑需求、PEMFC热电输出、蓄热、热泵运行和地热平衡之间动态交互作用的制约。若缺乏适当的协调控制策略，PEMFC过度运行可能导致热量失配，而废热回收不足则可能无法缓解土壤温度下降[28,29,30因此，有必要开发一个动态建模与控制框架，以量化系统在年度和长期运行期间的耦合热电行为。
尽管地源热泵系统、质子交换膜燃料电池热电联产系统以及混合热泵系统的独立技术已得到广泛研究，但仍存在若干研究空白。首先，以往的地源热泵研究主要通过优化钻孔、辅助热源或季节性储热来解决土壤热量不平衡问题，但将质子交换膜燃料电池废热作为主动可控的土壤热补偿源的研究关注度有限。其次，现有的质子交换膜燃料电池热电联产研究主要侧重于电效率、废热回收效率或建筑级能源供应，而质子交换膜燃料电池废热对地源热泵系统中土壤温度长期恢复的影响鲜有量化研究。第三，地源热交换器设计参数与质子交换膜燃料电池运行参数对季节性能源性能、热泵功耗以及土壤热稳定性的耦合影响仍不明确。最后，一个整合了室内热需求、PEMFC运行、热泵启动、热储能以及地温约束的协调控制框架，在严寒地区仍不够完善。
为填补这些空白，本研究提出了一种适用于严寒地区工业建筑的PEMFC辅助地源热泵系统，该系统具有级联余热回收功能。该系统集成了PEMFC子系统、地源热泵子系统、垂直地源热交换器、储热罐、储能单元、循环泵以及建筑负荷末端。通过耦合建筑负荷模型、PEMFC电堆模型、地源热交换器模型、热泵模型、辅助部件模型和控制模块，建立了一个动态模拟模型。通过年度和十年模拟，评估PEMFC余热回收对地源热交换器温度、土壤热平衡、热泵功耗及季节性COP的影响。此外，还进行了参数化分析，以研究钻孔深度、U型管配置、钻孔半径、循环流速、PEMFC活性面积、电堆数量和氢气压力对系统性能的影响。本研究的主要贡献如下。首先，针对严寒地区以供暖为主的工业建筑，开发了一种具有级联余热回收功能的PEMFC辅助GSHP系统。其次，通过年度和十年动态模拟，量化了PEMFC余热缓解土壤热失衡的长期机制。第三，阐明了PEMFC输出、热泵功耗、源侧温度回收与系统COP之间的热电耦合关系。第四，系统分析了关键地源热交换器和PEMFC参数的敏感性，以确定主导设计和运行因素。最后，提出了一种协调控制概念，用于调节PEMFC运行、热泵启动、热储能和季节性运行模式，为严寒工业园区氢能清洁供暖系统提供理论依据。2. 系统描述
2.1. 案例构建与气候边界条件
所提出的PEMFC辅助地源热泵系统，以中国东北长春的一座大型工业建筑为对象进行了评估。长春是典型的严寒地区，具有供暖季长、冬季室外气温低以及供暖与制冷需求季节性失衡明显的特点。这些气候特征使得该案例非常适合研究PEMFC余热回收能否缓解以供暖为主的地源热泵系统中的长期地温失衡问题。该案例建筑为A级工业车间，尺寸为60米×24%% 2米×17.5米（参见图1中的建筑模型。图1）。室内设计温度在供暖季节设定为18°C，制冷季节设定为26°C。相应的室内相对湿度值分别为40%和60%。建筑负荷模拟中包含了来自人员、照明和装备的内部热增益。人员密度设定为20 m2每人，而照明和装备的功率密度分别为10 W/m2和30 W/m2，分别如此。长春的典型气象年数据被用作气候边界条件；室外干球温度和湿球温度的年变化，以及总水平太阳辐射强度，如图所示图2。每小时的室外干球温度、湿球温度和水平太阳辐射被导入建筑模拟模型中，以计算动态供暖和制冷负荷。本案例研究中使用的气候和建筑设计参数汇总在表1.
SketchUp建筑模型图。2.2. 参考地源热泵系统
图2。长春典型（）年户外干球和湿球温度（）年总水平太阳辐射强度。b) annual total horizontal solar radiation intensity.
表1。案例研究中使用的气候和建筑设计参数。
2.2. Reference Ground Source Heat Pump System
建立了一套常规地源热泵系统作为参考系统，以评估集成PEMFC所带来的性能提升。该系统的示意图见图3该参考系统由垂直地源热交换器、水源热泵机组、地侧循环泵、负荷侧循环泵以及建筑末端装置组成。系统包含两个闭式水力回路：地侧回路和负荷侧回路。在地侧回路中，循环介质由地侧泵驱动进入垂直钻孔热交换器，在此与周围土壤进行热交换。在供暖季节，热量从地下提取并输送至热泵的蒸发器侧。在制冷季节，建筑排出的热量通过相同的钻孔场转移到地下。在负荷侧回路中，循环水与热泵的冷凝器或蒸发器侧进行热交换，然后向建筑末端提供供暖或制冷。这种常规的GSHP配置为量化PEMFC余热回收对源侧温度、热泵功耗、性能系数以及长期土壤温度演变的影响提供了基准。
图3。参考地源热泵系统示意图。2.3. PEMFC辅助地源热泵系统
在参考地源热泵系统的基础上，引入了PEMFC子系统，以构建多能耦合的热电供应系统。所提系统的示意图如图图4所示。它由PEMFC电堆、储氢单元、供气单元、冷却回路、换热器、储热罐、电池储能单元、逆变器、地源热泵垂直地源换热器、循环泵和建筑末端组成。该系统旨在回收PEMFC的电能和热能输出，并将其与热泵和地源换热器协调运行。该系统采用储热罐温度作为核心决策变量。当仅PEMFC回收的废热就足以满足建筑供暖读档；随后控制器向GSHP发出停机指令，建筑末端直接由储热罐供热。若储罐温度继续升高并达到50°C，PEMFC也将停机以防过热。当，PEMFC废热不足以满足全部供暖需求；控制器启动GSHP，储罐的回水先经热泵升温后再送回储罐，两个热源串联运行。当，如果PEMFC尚未运行，则优先启动它；如果它已经在运行但仍无法维持水箱温度，则同时启动GSHP，两者共同为水箱供热。在阀门控制方面，通过组合使用分流阀和混合阀，根据水箱温度调节PEMFC冷却水的流向。当，冷却水被旁路至冷却回路；当温度在35至50之间时冷却水被完全引导至板式换热器进行余热回收。混合阀通过调节旁路流量，使进入储水箱的供水温度保持稳定。在电力调度层面，PEMFC产生的直流电通过逆变器转换为交流电，供给热泵压缩机、循环泵和建筑用电负荷。当发电量超过瞬时需求时，多余的电能储存在电池中；当用电负荷超过PEMFC输出时，电池放电以补充缺口，从而平滑发电与需求之间的瞬时不匹配。此外，在供暖季优先利用PEMFC余热的策略，有效降低了从土壤中提取热量的强度，有助于缓解长期运行下的土壤冷量积累，并维持地源热泵系统的季节性热平衡。通过上述控制逻辑，系统实现了燃料电池余热、GSHP、电储能与建筑负荷之间的多能协同运行，确保了在各种运行工况下热能的梯级利用、供需平衡以及地面侧的长期热稳定性。
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