嚴(yán)寒地區(qū)熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要問(wèn)題及解決方案★

韓宗偉 陰啟明 張艷紅 熱孜望·坎吉

(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，新疆 烏魯木齊 830011)

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·水·暖·電·

嚴(yán)寒地區(qū)熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要問(wèn)題及解決方案★

韓宗偉1陰啟明1張艷紅2熱孜望·坎吉2

(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，新疆 烏魯木齊 830011)

分析了目前常規(guī)熱泵系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題，綜述了針對(duì)這些問(wèn)題的研究工作進(jìn)展情況，在此基礎(chǔ)上總結(jié)提出了寒冷地區(qū)熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建思想，并據(jù)此思想提出了幾個(gè)熱泵系統(tǒng)解決方案，以期為今后熱泵技術(shù)應(yīng)用提供一定參考。

熱泵技術(shù)，可再生能源，寒冷地區(qū)，構(gòu)建思想，解決方案

0 引言

我國(guó)建筑能耗增長(zhǎng)迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)1996年建筑用商品總能耗為2.59億tce，2008年該值達(dá)到6.55億tce。建筑能耗占社會(huì)總能耗的27%左右，供暖、空調(diào)能耗占建筑總能耗的55%。我國(guó)供暖空調(diào)的能源主要是礦物能源，利用高品位能量去滿(mǎn)足低品位需求的方式難以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求?！案咂肺荒茉刺菁?jí)利用”和“利用可再生能源”是暖通空調(diào)科學(xué)發(fā)展觀(guān)的重要體現(xiàn)。

可再生能源是低品位能源，有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，為保證供暖空調(diào)的可靠性與穩(wěn)定性，熱泵技術(shù)是可再生能源用于供暖空調(diào)的理想途徑。應(yīng)用較廣泛的熱泵方式包括空氣源熱泵、地源熱泵，本文根據(jù)熱泵研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了其所存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了解決方案。

1 空氣作為熱源的熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

空氣源熱泵在我國(guó)暖通空調(diào)中應(yīng)用十分廣泛，目前我國(guó)是空氣源熱泵應(yīng)用最廣泛的區(qū)域之一?？諝庠礋岜么嬖谝韵聠?wèn)題：

1)隨著室外溫度的降低，空氣源熱泵制熱性能變差，制熱量下降，而建筑熱負(fù)荷增加，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮系統(tǒng)的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性，確定合理的平衡點(diǎn)溫度。

2)空氣源熱泵在低溫下排氣溫度升高，致熱泵不能運(yùn)行或可靠性降低。對(duì)于空氣—空氣熱泵來(lái)說(shuō)出風(fēng)溫度低，融霜時(shí)室內(nèi)溫度降低，影響室內(nèi)舒適性。

近年來(lái)各國(guó)學(xué)者對(duì)提高空氣源熱泵的低溫適用性做了大量工作，主要集中在設(shè)備性能提升和系統(tǒng)集成方面，設(shè)備性能提升包括改進(jìn)制冷循環(huán)部件性能(如采用變頻壓縮機(jī)，增加室外換熱器面積、改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)[8.9]等)、制冷循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制(如采用經(jīng)濟(jì)器的制冷循環(huán)等)[10,11]、采用新型制冷劑(如共沸制冷劑)[12]及改進(jìn)融霜技術(shù)(蓄熱融霜技術(shù)、熱氣旁通融霜技術(shù)等)[13]等。

此外，許多學(xué)者通過(guò)系統(tǒng)集成方式“揚(yáng)長(zhǎng)避短”利用空氣熱源。馬最良教授提出了雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)并進(jìn)行了研究[14]，系統(tǒng)通過(guò)降低供水溫度，使壓縮機(jī)的排氣溫度、壓縮比等降低，使機(jī)組在低溫下長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行。

一些學(xué)者還提出了利用太陽(yáng)能作為輔助熱源的復(fù)合系統(tǒng)。根據(jù)太陽(yáng)能的利用方式，系統(tǒng)分為以下三類(lèi)：

a.太陽(yáng)能作為獨(dú)立熱源輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)[15]，白天室外溫度較高時(shí)運(yùn)行空氣源熱泵供暖，集熱器對(duì)水箱蓄熱。夜間室外溫度較低時(shí)，利用蓄存的熱量輔助或單獨(dú)供暖。空氣源熱泵設(shè)計(jì)容量大，大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷，效率低。集熱器平均溫度較高，效率低，集熱面積大，系統(tǒng)初投資增加。

b.帶有水冷式蒸發(fā)器的雙熱源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)氣象參數(shù)的變化，在兩個(gè)蒸發(fā)器之間切換。系統(tǒng)沒(méi)有解決太陽(yáng)能與空氣源熱泵同時(shí)出現(xiàn)最不利工況的問(wèn)題，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，空氣源熱泵的設(shè)計(jì)容量較大。

c.三套管蓄能型太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)[17]，采用三套管相變蓄能換熱器取代蓄熱水箱及水冷式換熱器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了初投資，通過(guò)制冷循環(huán)的改變?cè)谙募究筛鶕?jù)電價(jià)峰谷差實(shí)現(xiàn)夜間蓄冷等。

2 地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

地源熱泵系統(tǒng)采用淺層地表土壤作為熱泵的熱源和熱匯。地源熱泵系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

1)地下?lián)Q熱系統(tǒng)初投資較常規(guī)單一供暖方式相對(duì)較高。

2)土壤是熱容量較大的蓄能體，地源熱泵的應(yīng)用須保證換熱系統(tǒng)周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的熱平衡。對(duì)于抽取地下水作為冷(熱)源的地源熱泵系統(tǒng)，要確保良好的回灌效果。

3)土壤作為冷熱源時(shí)傳熱特性是不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程，存在累積效應(yīng)，因此，合理的設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制對(duì)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

為保證地源熱泵換熱系統(tǒng)周?chē)寥赖臒崞胶?，主要有三?lèi)解決措施：

1)增加埋管數(shù)量和埋管間距，擴(kuò)大換熱系統(tǒng)取熱范圍，該方法不能解決地源熱泵長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，由于工程中地下?lián)Q熱系統(tǒng)安裝面積通常有限，初投資相對(duì)較高。

2)增加輔助熱源輔助供熱，減少?gòu)耐寥乐械娜?，工程中通常采用鍋爐補(bǔ)熱的地源熱泵系統(tǒng)[18,19]，該系統(tǒng)保證了土壤熱平衡，系統(tǒng)可靠性提高，缺點(diǎn)是節(jié)能性差，輔助熱源的容量較大，其初投資大。

3)通過(guò)太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱保證地源熱泵土壤換熱器周?chē)寥赖臒崞胶鈁20]，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了地源熱泵的熱平衡，還克服了太陽(yáng)能系統(tǒng)間歇性和穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行性能高，節(jié)能性好，但系統(tǒng)成本較高。

3 熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用方式的探討

在供暖空調(diào)領(lǐng)域，“高”溫供冷、“低”溫供熱成為提高供暖空調(diào)系統(tǒng)性能的一大趨勢(shì)，熱泵是實(shí)現(xiàn)該方式的有效途徑。

3.1 建筑供暖空調(diào)能量需求與自然能源時(shí)間分布特性

建筑負(fù)荷由環(huán)境參數(shù)變化引起，供暖空調(diào)時(shí)，空氣熱源與建筑所需的能量品位差為負(fù)值，若采用環(huán)境空氣作為熱源須借助熱泵系統(tǒng)?？諝庠礋岜迷诠┡跗诤湍┢诳諝鉁囟雀哂谄胶鉁囟葧r(shí)制熱能力過(guò)剩，在部分負(fù)荷下運(yùn)行。在供暖中期環(huán)境溫度低于平衡溫度時(shí)，空氣源熱泵制熱性能較差或難以運(yùn)行，難以滿(mǎn)足供暖需求。由圖1可知，在空氣源熱泵性能差或難以運(yùn)行溫度下的熱負(fù)荷總量占總負(fù)荷很小的比例，大部分熱負(fù)荷分布在空氣源熱泵運(yùn)行性能較好的溫度范圍內(nèi)，因此，若能解決好占總負(fù)荷較小比例的溫度段，就可發(fā)揮空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)。

由圖2可知，土壤熱源輸出能量品位與建筑所需的能量品位差夏季存在正值，意味著可利用土壤熱源直接供冷。根據(jù)取熱和排熱的大小，寒冷地區(qū)為“累積取熱型”，寒冷地區(qū)由于取熱大于排熱，致土壤溫度逐年降低，運(yùn)行性能及可靠性下降。

綜上所述，如何利用土壤受環(huán)境參數(shù)影響小的特點(diǎn)，消除地源熱泵熱量累積效應(yīng)，是確保地源熱泵長(zhǎng)期高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用方法

針對(duì)空氣源熱泵和地源熱泵存在的問(wèn)題，基于可再生能源利用的“用”“蓄”“補(bǔ)”思想，本文認(rèn)為空氣源熱泵和地源熱泵應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1)“熱泵直接高效應(yīng)用”，即熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮熱源供能特性，對(duì)于隨著時(shí)間變化較大的熱源，如環(huán)境空氣熱源，當(dāng)熱泵運(yùn)行參數(shù)較佳時(shí)，優(yōu)先直接利用該熱源進(jìn)行供暖空調(diào)。對(duì)于像土壤熱源基本不受時(shí)間影響，具有熱量累積效應(yīng)的熱源，應(yīng)考慮在其他熱源運(yùn)行性能較差時(shí)(如供暖、供冷中期)運(yùn)行，提高系統(tǒng)在全年內(nèi)的總體運(yùn)行性能。

2)“熱泵系統(tǒng)蓄能利用”，可分為跨季節(jié)和短期的蓄冷(熱)。對(duì)于空氣源熱泵應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了充分利用其在環(huán)境溫度較高時(shí)性能較好的特點(diǎn)，提高空氣源熱泵利用率及在環(huán)境溫度較低時(shí)空氣源熱泵運(yùn)行性能系數(shù)，減小空氣源熱泵的設(shè)計(jì)容量，可考慮將供暖期室外溫度較高時(shí)空氣源熱泵制備的多余的熱量蓄存起來(lái)，用于室外環(huán)境溫度較低時(shí)輔助供暖，也可以將夏季空調(diào)的冷凝熱、太陽(yáng)能蓄存起來(lái)用于供暖期在室外環(huán)境空氣溫度較低時(shí)輔助供暖；對(duì)于地源熱泵應(yīng)用來(lái)說(shuō)，季節(jié)性蓄能是解決由于熱量累積效應(yīng)帶來(lái)的全年取熱排熱不平衡問(wèn)題的有效途徑，對(duì)于冬季取熱大于排熱的北方地區(qū)，可以采用太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱，除此之外也可以考慮季節(jié)性蓄存非供暖期環(huán)境空氣中的熱量。

3)“不同熱源熱泵系統(tǒng)之間的互補(bǔ)利用”，不同熱源的全年能量輸出特性不同，因此，為了提高系統(tǒng)全年供暖空調(diào)性能，可考慮充分發(fā)揮不同熱源各自的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。如在室外環(huán)境參數(shù)較佳時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行空氣源熱泵，當(dāng)空氣源熱泵性能較差時(shí)運(yùn)行地源熱泵，這樣既可以發(fā)揮空氣源熱泵的運(yùn)行性能，亦可以減少地源熱泵的累積取(排)熱量，有效緩解地源熱泵應(yīng)用時(shí)存在的取熱和排熱不平衡問(wèn)題。除了空氣熱源與土壤熱源可以互相實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)利用外，二者也可以與太陽(yáng)能進(jìn)行互補(bǔ)利用，太陽(yáng)能可以有效緩解空氣源熱泵的低溫制熱性能差的問(wèn)題及北方寒冷地區(qū)地源熱泵應(yīng)用存在的取熱大于排熱問(wèn)題，而空氣源熱泵和地源熱泵解決了太陽(yáng)能供能存在間歇性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題。

以上是在考慮建筑用能品位、負(fù)荷特性及熱源供能特性基礎(chǔ)上提出的，簡(jiǎn)稱(chēng)熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)的“用”“蓄”“補(bǔ)”思想。

4 熱泵供暖空調(diào)應(yīng)用解決方案舉例

下面針對(duì)空氣源熱泵及地源熱泵存在的問(wèn)題，基于熱泵供暖空調(diào)的“用”“蓄”“補(bǔ)”思想，構(gòu)思新型的熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)解決方案。

4.1 空氣源熱泵應(yīng)用解決方案

針對(duì)空氣源熱泵存在低溫制熱性能差或無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題，提出如下解決方案。

圖3為帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)可將供暖初期空氣源熱泵多余的制熱量蓄存在蓄熱裝置中，環(huán)境溫度較低時(shí)，利用蓄存的熱量輔助供暖。系統(tǒng)考慮了空氣熱源的供能特性，利用了空氣源熱泵在環(huán)境溫度較高時(shí)性能較好的特點(diǎn)，提高了熱泵的利用率，減少了熱泵的設(shè)計(jì)容量，一般情況下系統(tǒng)在環(huán)境溫度較低時(shí)累積供熱量比例較小(如圖1所示)，且蓄存時(shí)間較短，因此蓄熱裝置容量不致太大，系統(tǒng)在夏季空調(diào)時(shí)可用于夜間蓄冷。系統(tǒng)的設(shè)置與運(yùn)行體現(xiàn)了“用”和“蓄”的思想。圖4為季節(jié)性蓄熱輔助空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)示意圖，與圖3所示帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)所不同的是該系統(tǒng)采用回收夏季空調(diào)冷凝熱或全年太陽(yáng)能來(lái)輔助空氣源熱泵供暖，而在圖3所示帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)中供暖所需的熱量均來(lái)自供暖期。雖然季節(jié)性蓄存熱量效率相對(duì)較低，但是所蓄的熱量為空調(diào)冷凝熱或者是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)里面過(guò)剩的太陽(yáng)熱。與圖2～圖4所示系統(tǒng)相同，該系統(tǒng)的構(gòu)成也是主要基于“用”和“蓄”的思想，若利用冬季太陽(yáng)能直接供暖則“補(bǔ)”的思想也被體現(xiàn)。

4.2 地源熱泵應(yīng)用解決方案

針對(duì)地源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)土壤取熱大于排熱的問(wèn)題，提出如下解決方案。

圖5為太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)將非供暖期集熱器收集的太陽(yáng)能蓄存到土壤中，在供暖期直接利用集熱器收集的太陽(yáng)能供暖，方案通過(guò)“蓄”和“補(bǔ)”的思想實(shí)現(xiàn)了換熱器周?chē)寥牢艧崞胶?，保證了系統(tǒng)持續(xù)高效運(yùn)行。

由于淺層土壤溫度場(chǎng)的能量品位較低，為保證埋管周?chē)寥罒崞胶?，除利用太?yáng)能季節(jié)性蓄熱外，還可蓄存非供暖期空氣熱能，圖6為季節(jié)性蓄存空氣熱能地源熱泵系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)在地源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了新型高效空氣源熱水機(jī)組，可將非供暖期的空氣熱量蓄存至土壤中，增加土壤的吸熱量，在供暖期環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，利用空氣熱源熱水機(jī)組供暖，減少地源熱泵土壤取熱量。系統(tǒng)體現(xiàn)了熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)“用”“蓄”“補(bǔ)”的思想。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)熱泵研究成果和存在的問(wèn)題，通過(guò)分析環(huán)境空氣熱源與淺層土壤的能量品位與建筑供暖空調(diào)所需能量品位之間的關(guān)系，得出了指導(dǎo)空氣源熱泵與地源熱泵應(yīng)用的“用”“蓄”“補(bǔ)”指導(dǎo)思想，基于該思想提出了應(yīng)用地源熱泵和空氣源熱泵的解決方案，以期為工程實(shí)踐提供一定的理論指導(dǎo)。

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Discussion on the main problems and solutions of heat pump in the applications of heating and air conditioning in cold area★

Han Zongwei1Yin Qiming1Zhang Yanhong2Reziwang·Kanji2

(1.CollegeofMaterialandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2.XinjiangSolarEnergyScientific&TechnicalDevelopmentCo.,Ltd,Urumqi830011,China)

The paper analyzed the present application problems of the conventional heat pump system in the north cold area, the research progress about these problems was summarized, on this basis, the thoughts of constructing about heat pump system in cold area were proposed, and several solutions of heat pump system were proposed on the basis of this thought, in order to provide certain reference for the heat pump technology application in the future.

heat pump technology, renewable energy sources, cold area, the idea of constructing, solution

1009-6825(2015)18-0123-03

2015-04-17★：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2012BAA13B00)

韓宗偉(1980- )，男，碩士生導(dǎo)師，副教授； 陰啟明(1989- )，男，在讀碩士； 張艷紅(1976- )，女，副研究員； 熱孜望·坎吉(1963- )，女，研究員

TU831

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