太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

王佩祥，馮秀娟，趙運(yùn)超

(江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著過去20年來世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源消耗總量增長(zhǎng)了49%，其中世界建筑能耗占總能耗的30%[1]。人們對(duì)供暖、制冷的需求不斷增加，導(dǎo)致化石燃料消耗日益加重，導(dǎo)致全國各地PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)等環(huán)境污染問題凸顯，這促使人們尋找更高效、低排放的能源供應(yīng)方式。太陽能與空氣能作為重要的可再生清潔能源，其熱泵設(shè)備被認(rèn)為是最有潛力替代傳統(tǒng)化石燃料為建筑室內(nèi)供暖。獨(dú)立太陽能熱泵和空氣源熱泵各有利弊，兩者耦合成為太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有助于綠色節(jié)能建筑目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文通過國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)例證實(shí)了太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)綠色節(jié)能特性，介紹了耦合熱泵系統(tǒng)4種組合形式的優(yōu)缺點(diǎn)。概述了太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化方式：①改造部件結(jié)構(gòu)后系統(tǒng)能效比提升40%以上；應(yīng)用相變蓄能材料制熱量普遍提升20%以上；應(yīng)用光伏光熱技術(shù)系統(tǒng)能效比達(dá)到3.4以上；②精準(zhǔn)監(jiān)控負(fù)荷變化優(yōu)化系統(tǒng)控制策略；采用合適制冷劑后系統(tǒng)適應(yīng)于高層建筑。認(rèn)為未來應(yīng)該從節(jié)能、成本、工程化三個(gè)方面考慮發(fā)展太陽能-空氣源耦合熱泵設(shè)備發(fā)展方向，鑒于中國迫切需要調(diào)整能源供應(yīng)模式，總結(jié)歸納太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀是十分有必要的。

1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)研究

1.1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)國內(nèi)外研究

太陽能熱泵和空氣源熱泵都是市場(chǎng)上較為成熟的商用熱泵設(shè)備產(chǎn)品，但兩個(gè)獨(dú)立熱泵設(shè)備都具有明顯缺陷，限制了熱泵設(shè)備進(jìn)一步的發(fā)展。獨(dú)立的太陽能熱泵系統(tǒng)投資較大，且供熱性能隨著太陽輻射變化不穩(wěn)定，獨(dú)立的空氣源熱泵冬季易結(jié)霜、能效比低[2]。而太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)有效地克服太陽能熱泵不穩(wěn)定性，也解決空氣源熱泵系統(tǒng)冬季效率低的問題，這一優(yōu)點(diǎn)通過許多國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)例得到有效證明，見表1。

Jodan等[3-5]在20世紀(jì)50年代提出，太陽能耦合熱泵具有同時(shí)提高太陽能集熱效率和熱泵系統(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)，Lof[6]通過實(shí)驗(yàn)說明了太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)的優(yōu)越性。Mehrpooya等[7]建立了10個(gè)集成熱泵與太陽能熱泵系統(tǒng)組合，通過對(duì)比獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)耦合供暖系統(tǒng)可以保證穩(wěn)定的熱源供應(yīng)，并能節(jié)省能源消耗。在國內(nèi)初期，曠玉輝等[8-9]就建立了直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，太陽能耦合熱泵在冬季采暖條件下設(shè)計(jì)開發(fā)的平板太陽能集熱器的平均太陽能集熱效率達(dá)到67.2%。徐國英等[10]建立耦合熱泵的數(shù)學(xué)模型,在以南京氣候?yàn)橛?jì)算條件，模擬結(jié)果證實(shí)了耦合熱泵系統(tǒng)對(duì)比獨(dú)立熱泵系統(tǒng)更為節(jié)能。趙軍等[11]對(duì)耦合熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明耦合系統(tǒng)全年正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的COP在3左右，比獨(dú)立熱泵COP值更高。

表1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)工程實(shí)例

1.2 太陽能-空氣源耦合熱泵組合形式

當(dāng)前，太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)單元組合形式可分為4類：直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng)、串聯(lián)式耦合熱泵、并聯(lián)式耦合熱泵和雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)[19]。

1.2.1 直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng) Sporn[20]于1955年首先提出了直接膨脹式熱泵系統(tǒng)的概念，而直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng)則在直接膨脹式熱泵系統(tǒng)上進(jìn)一步改進(jìn)所得，其耦合熱泵系統(tǒng)最主要核心設(shè)計(jì)是將太陽能熱泵單元集熱器和空氣源熱泵單元蒸發(fā)器整合為同一裝置，即集熱蒸發(fā)器。系統(tǒng)形式見圖1，在晴朗的白天中，圖中的集熱蒸發(fā)器運(yùn)作，同時(shí)吸收太陽能與空氣能，再通過冷凝器將熱量傳送給用戶水箱；在陰雨天和夜晚，由于沒有太陽能輻射，集熱蒸發(fā)器等同于獨(dú)立的空氣源熱泵蒸發(fā)器，僅吸收了空氣中熱量。

圖1 直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng)

1.2.2 串聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng) 串聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)形式見圖2，圖中蓄熱水箱負(fù)責(zé)把太陽能熱泵單元的集熱器吸收能量有效地蓄積起來，空氣源熱泵單元的蒸發(fā)器與整個(gè)耦合熱泵系統(tǒng)環(huán)路串聯(lián)并吸收太陽能熱泵單元熱量，冷凝器再與水箱串聯(lián)，將能量提供給用戶使用，總體簡(jiǎn)述太陽能熱泵單元和空氣源熱泵單元簡(jiǎn)單地串聯(lián)連接形成耦合熱泵系統(tǒng)。

圖2 串聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)

1.2.3 并聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng) 并聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)形式見圖3，太陽能熱泵單元和空氣源熱泵單元并聯(lián)，其太陽能熱泵單元的集熱器和空氣源熱泵單元的蒸發(fā)器可在不同的系統(tǒng)工況條件下能夠單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)行。在晴天的白天，室外太陽輻射較高時(shí)運(yùn)行太陽能熱泵單元關(guān)閉空氣源熱泵單元，在連續(xù)陰雨天氣和夜晚時(shí)太陽能輻射量極低只運(yùn)行空氣熱泵單元，在太陽能輻射不高時(shí)單獨(dú)運(yùn)行太陽能熱泵單元不能滿足負(fù)荷條件時(shí)同時(shí)開啟空氣源熱泵單元。

圖3 并聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)

1.2.4 雙熱源耦合熱泵系統(tǒng) 雙熱源耦合熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)形式見圖4，圖中耦合熱泵系統(tǒng)具有水源和空氣兩種熱源，因此有水源蒸發(fā)器、空氣蒸發(fā)器、集熱器、冷凝器，水源蒸發(fā)器與空氣源蒸發(fā)器并聯(lián)使用，再與太陽能單元串聯(lián)。其中太陽能單元的熱量提升了水源蒸發(fā)器側(cè)的溫度，使得雙熱源熱泵系統(tǒng)能源效率最大幅度提升，并且雙熱源耦合熱泵系統(tǒng)通過后期改造還能夠?qū)崿F(xiàn)制冷功能。

圖4 雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)

1.2.5 熱泵形式發(fā)展方向 直接膨脹式耦合熱泵系統(tǒng)在小型化和商業(yè)化發(fā)展的潛力巨大,但是熱泵系統(tǒng)中的核心部件，集熱蒸發(fā)器制造技術(shù)難度系數(shù)非常大，需要進(jìn)一步降低集熱蒸發(fā)器的研究成本。串聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但串聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)的空氣源單元必須持續(xù)開啟工作，導(dǎo)致整個(gè)耦合熱泵系統(tǒng)能耗值較大。并聯(lián)式耦合熱泵系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際氣候條件，獨(dú)立啟動(dòng)太陽能熱泵或空氣源熱泵，更為節(jié)能，所以是當(dāng)前工程實(shí)例運(yùn)用較多的一種形式，但該系統(tǒng)太陽能熱泵單元產(chǎn)生熱量直接作用于用戶水箱，并沒有提升空氣源熱泵單元蒸發(fā)器進(jìn)口溫度，不能最大化提升空氣源熱泵制熱效率，只是將兩個(gè)熱泵單元系統(tǒng)孤立疊加，并沒有起到相互供暖增效的結(jié)果。雙熱源式熱泵系統(tǒng)能夠最大效率提升耦合熱泵供熱能效值，F(xiàn)reeman等[21]使用TNYSYS軟件建立模型證實(shí)了雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)能效性始終優(yōu)于串聯(lián)式和并聯(lián)式熱泵系統(tǒng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)供冷供熱一體化服務(wù)，是目前太陽能-空氣源耦合熱泵研究熱點(diǎn)，但雙熱源耦合熱泵系統(tǒng)也存在一些問題，面臨較多的蒸發(fā)器部件導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，設(shè)備成本高問題，需要進(jìn)一步完善。

近期太陽能-空氣源耦合熱泵得到了長(zhǎng)足發(fā)展，其中并聯(lián)式和雙熱源式耦合熱泵形式因?yàn)槠鋵?shí)用性和高效性的特點(diǎn)，是目前研究太陽能-空氣源耦合熱泵的熱點(diǎn)形式。未來為了滿足不同的安裝環(huán)境與用戶需要，實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)高效節(jié)能性，需要靈活地將4種熱泵形式進(jìn)行整體或局部的有機(jī)組合。

2 太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)優(yōu)化方案

目前，太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)的最大問題是制熱能效比會(huì)隨室外環(huán)境條件變化而不穩(wěn)定。Michalis等[22]在哈尼亞測(cè)試了空氣源-太陽能耦合熱泵系統(tǒng)性能，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室外環(huán)境溫度由10 ℃變?yōu)? ℃時(shí)，系統(tǒng)效率會(huì)下降7.6%，說明耦合熱泵系統(tǒng)不穩(wěn)定。于立強(qiáng)等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)室外空氣溫度在-9～4 ℃之間波動(dòng)變化，整個(gè)耦合熱泵系統(tǒng)的平均COP為2.19，能效比較低。以上實(shí)驗(yàn)說明了太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)性能易受到周邊環(huán)境變化影響，系統(tǒng)性能不穩(wěn)定波動(dòng)較大。目前針對(duì)室外氣溫較低導(dǎo)致耦合熱泵空氣源單元結(jié)霜，太陽能輻射變化波動(dòng)大導(dǎo)致耦合太陽能單元供熱性能波動(dòng)劇烈，這兩個(gè)主要困難，有以下幾種方法來優(yōu)化改進(jìn)太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)。

2.1 部件結(jié)構(gòu)改造

改造太陽能-空氣源耦合熱泵關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)能夠使得太陽能熱泵單元產(chǎn)生熱量去除空氣源熱泵單元的結(jié)霜問題，是高效優(yōu)化方案之一。通過翅片與套管有機(jī)組合來改造太陽能熱泵單元的換熱器，增強(qiáng)其傳熱性能，解決空氣源熱泵單元的除霜問題，是太陽能-空氣源耦合熱泵技術(shù)重要優(yōu)化路線之一。陽季春等通過在耦合熱泵系統(tǒng)供熱側(cè)同時(shí)安裝套管式和管翅式換熱器的方法，達(dá)到了太陽能熱泵和空氣源熱泵有機(jī)結(jié)合，在冷凝器側(cè)進(jìn)水溫度為(20±1)～(40±1)℃工況下，得到耦合系統(tǒng)平均COP值在2.88～3.96之間變化，火用性能COPEX在0.17～0.31之間變化，兩個(gè)值都明顯高于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，證明了雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)性能優(yōu)于單獨(dú)熱泵系統(tǒng)[23]。Liu等[24]設(shè)計(jì)了改進(jìn)雙熱源耦合熱泵系統(tǒng)，是以翅片-套管式三介質(zhì)復(fù)合換熱器為核心，在管翅式換熱器的換熱管內(nèi)部安裝另外一根換熱管，結(jié)合管翅式和套管式換熱器兩者優(yōu)勢(shì)，使得制冷劑可以同時(shí)與熱水和環(huán)境空氣換熱，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在室外環(huán)境溫度低于-15 ℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)空氣源熱泵相比,耦合系統(tǒng)的COP值提高了50%以上。王建民等[25]設(shè)計(jì)了一套雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)，以一套翅片-套管復(fù)合式換熱器為核心，平均室外溫度取為-10 ℃和-15 ℃，系統(tǒng)在北京項(xiàng)目低溫環(huán)境下能效值得到提高，COP 值平均提高約為40%。冉思源等[26]設(shè)計(jì)的雙熱源式耦合熱泵系統(tǒng)：水源熱泵的蒸發(fā)器連接到風(fēng)冷換熱器和太陽能單元的集熱器并聯(lián)組合，水箱連接到水源熱泵的冷凝器，太陽能直接制熱板式換熱器設(shè)置太陽能集熱器和熱泵冷凝器之間。該耦合熱泵系統(tǒng)有4種不同的運(yùn)行模式，一種模式為太陽能空氣源共同作用模式，即當(dāng)太陽輻射較弱，單獨(dú)太陽能熱泵制熱能力低于用戶負(fù)荷需求時(shí)，此時(shí)同時(shí)開啟風(fēng)冷換熱器和太陽能集熱器，使得工質(zhì)能夠同時(shí)吸收空氣熱能和太陽能。并設(shè)有獨(dú)特的除霜模式，利用太陽能熱泵制取的熱水為空氣源熱泵換熱器除霜，保證系統(tǒng)制熱穩(wěn)定性。以北京的某一個(gè)100 m2的建筑為例計(jì)算，該系統(tǒng)的一次能源效率最高可達(dá)到1.13，與太陽能集熱器+電加熱系統(tǒng)相比，節(jié)能率為58%。黃文竹等[27]研究了直接膨脹式太陽能熱泵對(duì)熱泵系統(tǒng)結(jié)霜現(xiàn)象的改進(jìn)，建立了理論模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)，在不同條件下的焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了集熱器測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在環(huán)境溫度1.0 ℃，相對(duì)濕度70%，輻射強(qiáng)度為100 W/m2條件下結(jié)霜速度比獨(dú)立空氣源熱泵更為緩慢。

他們?cè)O(shè)計(jì)的太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)，對(duì)比獨(dú)立的空氣源熱泵COP值均提升在40%以上，實(shí)現(xiàn)了太陽能-空氣源耦合熱泵能夠在寒冷地區(qū)冬季全天候供暖。但是改造系統(tǒng)的換熱器或集熱器等關(guān)鍵部件成本較高，并會(huì)導(dǎo)致耦合熱泵系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜體積過于龐大，有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

2.2 相變蓄能技術(shù)應(yīng)用

相變蓄能材料相比于傳統(tǒng)單相材料，相變蓄能材料的潛熱換熱能力更加優(yōu)異，因此調(diào)節(jié)太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性。目前，相變儲(chǔ)能材料技術(shù)主要運(yùn)用于太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)中換熱器、蓄能水箱等蓄熱裝置的改造。楊靈艷等[28]設(shè)計(jì)了以三套管蓄能換熱器為核心部件的太陽能與空氣源耦合熱泵，單個(gè)換熱器單元中內(nèi)層為制冷劑通道，外層為水通道，有機(jī)相變材料RT6填充在中層。系統(tǒng)采用了相變材料顯熱蓄冷供熱，提高了系統(tǒng)蓄冷供熱時(shí)蒸發(fā)溫度效果，使得系統(tǒng)能效比提高。首先建立三套管蓄能換熱器的數(shù)學(xué)模型，模擬動(dòng)態(tài)特性并進(jìn)行數(shù)值分析，為耦合熱泵系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。之后測(cè)試耦合熱泵系統(tǒng)在正常環(huán)境工況的穩(wěn)定性，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)值供冷模式COP可達(dá)到2.0～2.8，供熱模式的COP值達(dá)到3.0～3.75，蓄能供熱模式COP值達(dá)到3.31～3.45，并測(cè)試了耦合熱泵在非常定的環(huán)境工況下表現(xiàn)，測(cè)得供冷模式的COP值為2.4～2.8，供熱模式的COP值為2.8，比單獨(dú)的空氣源熱泵COP值分別提升了17%和65%，最后提升溫度或增大流量來進(jìn)一步提升耦合熱泵系統(tǒng)的供熱效率，新模式下制熱功率提高13%，能量功耗降低了41%。謝豪等[29]也在蓄熱器盤管上采用了相變蓄熱材料，節(jié)能效果明顯，同時(shí)提升23.4%系統(tǒng)制熱量。有效利用相變儲(chǔ)能材料能夠使得太陽能-空氣源耦合熱泵能效顯著提升。

相變儲(chǔ)能材料運(yùn)用在蓄熱水箱中常見的是石蠟及以石蠟為基礎(chǔ)納米復(fù)合材料。侴喬力等[30]研制了一個(gè)蓄熱水箱采用了相變溫度 40 ℃的石蠟相變蓄能材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變蓄能材料可有效減少熱泵系統(tǒng)的融霜次數(shù)，簡(jiǎn)化換熱環(huán)節(jié)，多種模式下COP系數(shù)在2.99以上，對(duì)比國家標(biāo)準(zhǔn)制熱量提升20%以上。太陽能-空氣源耦合熱泵的蓄熱水箱采用相變蓄能材料還有脂肪酸類[31-35]、MgCl2·6H2O、十二烷酸與癸酸混合物、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O與Na2SO4·10H2O等。

上述實(shí)驗(yàn)說明采用相變蓄能材料的太陽能-空氣源耦合熱泵能效比都得到大幅提升，太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)的制熱量均提升20%以上，今后需要考慮的是相變蓄能材料運(yùn)用于市場(chǎng)工程中成本問題和操作復(fù)雜問題。

2.3 光伏光熱技術(shù)應(yīng)用

Mateus等[36]和Sanaye等[37]提出了在太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)使用光伏光熱技術(shù)，通過吸收太陽輻射同時(shí)提供熱能和電力。目前，絕大多數(shù)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)使用太陽能集熱技術(shù)，太陽能光伏光熱技術(shù)有望替換太陽能集熱技術(shù)。太陽能光伏光熱集熱器的背板溫度越高，發(fā)電效率就越低，利用這項(xiàng)特性將太陽能光伏光熱與空氣源熱泵完美結(jié)合，不僅利用太陽能背板的余熱解決空氣源熱泵結(jié)霜問題，而且降低了自身背板溫度，提高光伏電池發(fā)電效率和耦合系統(tǒng)能效值。Wang等[38]就設(shè)計(jì)了以太陽能光伏光熱集熱器為核心技術(shù)的雙熱源式耦合系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分組成，雙熱源復(fù)合系統(tǒng)、光伏光熱系統(tǒng)和用戶熱水系統(tǒng)。當(dāng)室外溫度為6.5 ℃和太陽輻射照度為581.5 W/m2時(shí)，系統(tǒng)的平均熱收集效率為43.8%，系統(tǒng)最大循環(huán)吸收效率為15.0%，雙熱源模式的COP值為2.24～2.49，單空氣熱源模式的COP值為1.31～1.40，驗(yàn)證雙熱源模式性能優(yōu)越性，在系統(tǒng)中使用PVT集熱器COP值提升到了4.08，系統(tǒng)的火用效率達(dá)到了0.33。測(cè)試3種不同供暖模式：太陽能PVT集熱循環(huán)與水源熱泵聯(lián)合運(yùn)行、雙熱源、單空氣源，通過對(duì)比發(fā)電效率、室內(nèi)溫度、制熱量、熱泵COP、集熱效率，結(jié)果3種模式的COP值分別為3.4，2.61，2.26，平均室內(nèi)溫度也達(dá)到了18.8，16.5，15.3 ℃。周偉等[39]設(shè)計(jì)的光伏光熱耦合熱泵系統(tǒng)COP對(duì)比單獨(dú)太陽能熱泵和空氣源熱泵分別提升了32.78%，47.64%，陳劍波等[40]設(shè)計(jì)的耦合系統(tǒng)COP值達(dá)到了3.6。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，太陽能光伏光熱復(fù)合雙熱源系統(tǒng)對(duì)比光熱系統(tǒng)具有良好節(jié)能特性，太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)COP達(dá)到了3.4以上，但目前光伏光熱組件成本較高不利于耦合熱泵系統(tǒng)工程化。

2.4 控制策略優(yōu)化

太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)安置室外環(huán)境，其溫度、濕度、太陽輻射量等工況波動(dòng)較大，Jing等[41]指出耦合系統(tǒng)的控制策略對(duì)系統(tǒng)能耗影響至關(guān)重要。設(shè)計(jì)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)能夠提升太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)的能效。Zhang[42]建立了太陽能-空氣源耦合熱泵模型，通過分析模型能耗結(jié)果，得到優(yōu)化運(yùn)行策略后，對(duì)比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)能耗減少了31%。閆澤濱等[43]設(shè)計(jì)了一種用于聯(lián)合控制耦合熱泵的系統(tǒng)，系統(tǒng)以32位高性能微處理器STM32F103為核心，一臺(tái)集中控制器為主站和四臺(tái)熱泵控制器為從站，監(jiān)控耦合系統(tǒng)實(shí)時(shí)制熱量來確定熱泵機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，滿足用戶側(cè)供熱負(fù)荷需求。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱COP為3.77，機(jī)組的COP為2.6，能效值得到明顯提升。劉業(yè)鳳等[44]設(shè)計(jì)了雙熱源耦合熱泵系統(tǒng),不僅在冬季能夠提供有效穩(wěn)定的采暖，在夏季降溫季節(jié)，調(diào)節(jié)空調(diào)切換閥，空氣源單元用于冷卻，以滿足用戶側(cè)的舒適性要求。在春秋季節(jié)沒有冷熱負(fù)荷需求時(shí),空調(diào)系統(tǒng)改為全新風(fēng)方式運(yùn)行,為室內(nèi)換氣改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，家用熱水由太陽能單元收集提供，當(dāng)不足時(shí)，熱泵系統(tǒng)被激活以補(bǔ)充。路詩奎等[45]通過利用PLC和MCGS組態(tài)軟件構(gòu)建一套監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗對(duì)比說明該耦合系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)異性。

上述研究驗(yàn)證未來太陽能-空氣源熱泵需要采用更加符合系統(tǒng)實(shí)際工況的算法，如遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，通過PLC和MCGS軟件構(gòu)建更為精準(zhǔn)的熱泵負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)來制定符合當(dāng)?shù)貧夂蛱厣南到y(tǒng)控制策略。

2.5 采用合適制冷劑

制冷劑在太陽能-空氣源耦合熱泵中的使用能夠?qū)崿F(xiàn)無水式熱泵供暖，制冷劑的供熱性能更強(qiáng)，并且無水式太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)能夠解決高層建筑用水能耗高的問題，滿足高層建筑對(duì)室外安裝空間的狹窄、垂直的要求，使得系統(tǒng)安全、便捷。Dong等[46]設(shè)計(jì)了一套無水式直膨的耦合熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)選擇R407為系統(tǒng)制冷劑并采用輻射采暖。他們首先建立了耦合系統(tǒng)的TRNSYS模型，通過模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表明在夏季高溫太陽能和冬季低溫高濕易結(jié)霜狀況工況下，系統(tǒng)的COP分別對(duì)比獨(dú)立空氣源熱泵提升了44.16%和6.56%，模擬為系統(tǒng)運(yùn)用工程進(jìn)行鋪墊與預(yù)測(cè)，之后通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到：在太原城市環(huán)境條件下，該耦合系統(tǒng)的COP值為2.54對(duì)比獨(dú)立空氣源系統(tǒng)提升了14.9%。Faria等[47]建立了耦合熱泵系統(tǒng)模型驗(yàn)證了使用CO2制冷劑后，系統(tǒng)制熱效率提高。Li等[48]依次分析了R744、R134a、R22、CO2在耦合熱泵的制熱性能，工況溫度13 ℃以上采用R134熱泵系統(tǒng)COP值最高，工況溫度13 ℃以下采用R744熱泵系統(tǒng)COP最高。

制冷劑耦合熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)在高層住宅中節(jié)約了整體的安裝空間與供水量，為熱泵系統(tǒng)適用于高層建筑中提供了新思路。但制冷劑的運(yùn)用對(duì)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)工作壓力大，對(duì)耦合系統(tǒng)設(shè)備要求增加且制冷劑有泄漏隱患。

3 結(jié)論

(1)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)通過國內(nèi)外理論研究和工程實(shí)例驗(yàn)證了其綠色節(jié)能特性，而其耦合系統(tǒng)形式為了滿足不同的安裝環(huán)境與用戶需要，實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)組高效節(jié)能性，需要靈活地將4種熱泵形式進(jìn)行整體或局部的有機(jī)組合，不再嚴(yán)格設(shè)置技術(shù)界限。

(2)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)優(yōu)化方式：①通過改造耦合熱泵系統(tǒng)的傳熱器、蒸發(fā)器等部件，增強(qiáng)太陽能單元組件除霜能力，對(duì)比獨(dú)立的空氣源熱泵，耦合熱泵系統(tǒng)COP值提升普遍在40%以上；②相變蓄能材料在換熱器、蓄熱水箱等蓄熱裝置采用使得熱泵系統(tǒng)能效比都得到大幅提升，COP達(dá)到了2.8以上，制熱量均提升了20%以上；③光伏光熱技術(shù)通過利用太陽能單元背板的余熱解決空氣源單元熱泵結(jié)霜問題，既提升光伏光熱背板發(fā)電效率也使得耦合熱泵系統(tǒng)COP達(dá)到3.4以上；④制冷劑耦合熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了太陽能-空氣源耦合系統(tǒng)在高層住宅中節(jié)約了整體的安裝空間與供水量，為熱泵系統(tǒng)適用于高層建筑中提供新思路。

(3)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)需要從節(jié)能、成本、工程化三個(gè)方面進(jìn)行考慮未來的優(yōu)化方案：①部件結(jié)構(gòu)改造方案會(huì)導(dǎo)致耦合熱泵系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜體積過于龐大，需要縮小設(shè)備占用面積；②相變蓄能材料和光伏光熱技術(shù)成本高，在實(shí)際工程實(shí)施比較困難，需將操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單化；③采用先進(jìn)算法如遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，通過PLC和MCGS軟件構(gòu)建更為精準(zhǔn)的熱泵負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)來制定符合當(dāng)?shù)貧夂蛱厣南到y(tǒng)；④制冷劑的運(yùn)用對(duì)太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)工作壓力大，對(duì)耦合系統(tǒng)設(shè)備要求增高，同時(shí)防止制冷劑泄漏隱患。期望今后完善的太陽能-空氣源耦合熱泵系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑目標(biāo)做出巨大貢獻(xiàn)。