随着清洁取暖工作的推进,地源热泵在北方地区的应用越来越广泛,成为农村地区中小学主要的清洁供暖技术之一。由于气候条件和学校的运行特性导致了冬夏负荷差距较大,长期运行造成机组性能恶化。利用太阳能对土壤进行补热,能有效解决土壤热失衡问题。但目前太阳能地源热泵系统的设计和运行调节方法仍较粗放,导致系统实际运行效果以及经济性不佳。因此本文针对北方村镇中小学太阳能地源热泵系统的设计和运行进行调研实测和模拟优化研究,提高系统在实际应用中的能效和经济性,促进地源热泵清洁供暖技术的进一步推广。本文首先通过文献调研梳理了北方农村地区中小学的建筑形式、热工性能、和运行方式,并对北京大兴区某中学太阳能地源热泵系统典型冬夏季运行工况进行调研实测,分析系统在运行调节和选型设计方面存在的问题。为了探究系统常年运行效果,利用TRNSYS建立系统模型,并采用实测数据加以验证。然后对系统当前存在的问题进行设计和运行优化,运行优化包括增加启停控制,采用Trn Opt优化集热和补热的控制温差;设计方面以15年运行年平均地温变化小于1%为目标优化集热面积,使土壤达到热平衡。在此基础上对比了两种热源串联形式,热源侧机组出水先经过埋管再经水箱在冬季能获得更高热源温度,利于提升冬季运行能效;而先经过水箱的系统全年热源出水温度较稳定,利于夏季运行,优化后两系统运行能效分别提升了23%和23.4%。当前集热器选型方法对于机组实际运行能效和土壤恢复能力方面考虑不足,本文基于热平衡法进行选型方法研究。通过单因素分析和正交试验方差分析得到冷热负荷比例和地温对集热面积有显著影响,分别占53.1%和35%,土壤综合导热率影响较小,占5%。对实验结果进行逐步回归分析,得到了集热器选型模型。在土壤热平衡前提下,缩短补热期增加集热面积也会对系统经济性和能效造成影响,为了使系统达到更好的运行效果,本文针对不同冷热负荷比例的工况,分别设定4种补热期进行模拟,通过土壤蓄热体边界能量流动分析太阳能补热的季节特性并对比各工况的静态回收期。结果表明随冷负荷比例增加,缩短补热期增加集热面积的经济性不断提升,当全年累计冷热负荷比例为0～0.15左右时,推荐进行全年补热;当冷热负荷比例≥0.3时,最佳补热期为冬夏秋三季。