空氣—地源雙源熱泵的研究現(xiàn)狀與展望

初詩(shī)凝

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)）

1 引言

熱泵是一種利用高品位能（電能）使熱量從低位熱源轉(zhuǎn)移到高位熱源的節(jié)能裝置，將不能直接利用的土壤、水和空氣中所含的太陽(yáng)能與熱能，轉(zhuǎn)換為可以直接利用的高品位熱能[1]。熱泵技術(shù)以其高效、環(huán)保等特點(diǎn)成為建筑物供冷、供熱最為廣泛的應(yīng)用方式，也是暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑。

單一熱源熱泵在應(yīng)用中各自存在缺陷：空氣源熱泵制冷量和制熱量受室外空氣溫度變化的影響較大，無(wú)法滿足室內(nèi)供冷供熱的需求，且在嚴(yán)寒地區(qū)冬季空氣溫度較低，室外蒸發(fā)器越容易發(fā)生結(jié)霜的問(wèn)題[2]；土壤源熱泵受土壤或巖體的熱物性及地埋管換熱性能的影響，容易造成吸放熱量不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷制熱量在運(yùn)行期間不穩(wěn)定[3]；水源熱泵需要大量穩(wěn)定的地下水資源，水泵功耗高，且地下水回灌技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和地表下沉[4]。此外，實(shí)踐表明，通過(guò)增加地埋管數(shù)量和埋管間距、利用高品位熱源和耦合太陽(yáng)能集熱器等方法都難以滿足工程的實(shí)際需要，所以尋找可靠性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、能效高的技術(shù)方案具有重要意義。

2 空氣—地源雙源熱泵的分類(lèi)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于空氣源—地源雙源熱泵特點(diǎn)的研究，常見(jiàn)的系統(tǒng)形式按照蒸發(fā)器數(shù)目可分為雙蒸發(fā)器型、復(fù)合蒸發(fā)器型；按照壓縮機(jī)的數(shù)目可分為單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮、多級(jí)壓縮；按連接方式可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景和出現(xiàn)的弊端，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，使機(jī)組的穩(wěn)定性、制熱性能和COP等都有了很大的提高。主要包括幾個(gè)方面。

1）雙蒸發(fā)器型

雙蒸發(fā)器型是目前最常見(jiàn)的雙源熱泵系統(tǒng)，蒸發(fā)器由兩個(gè)介質(zhì)換熱器組合而成（見(jiàn)圖1），復(fù)合熱源分別為空氣和淺層地能，工質(zhì)可以通過(guò)兩種不同形式的蒸發(fā)器，分別與兩種熱源的熱媒進(jìn)行獨(dú)立的熱交換。其工作原理為：將空氣源熱泵系統(tǒng)和水地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，并共用系統(tǒng)的冷凝器、壓縮機(jī)和蒸發(fā)器，將空氣源與地源結(jié)合在一起，根據(jù)冬夏季不同工況切換兩種熱泵的使用模式。

圖1 雙蒸發(fā)器型雙源熱泵原理圖

在設(shè)備開(kāi)發(fā)方面，近年來(lái)研究者們提出了諸多方案。雙蒸發(fā)器型的雙源熱泵通過(guò)耦合空氣源換熱器，利用跨季節(jié)土壤蓄熱實(shí)現(xiàn)夏熱冬用。清華大學(xué)游田等人在常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上耦合熱管/空氣源補(bǔ)熱器，根據(jù)熱源品位切換非供暖季土壤補(bǔ)熱、供暖初末期直接供熱、非供暖季制備生活熱水三種運(yùn)行模式，解決了土壤源熱泵在北方地區(qū)由于土壤熱不平衡引起的運(yùn)行可靠性差的問(wèn)題。李炳田等人在此基礎(chǔ)上，模擬驗(yàn)證了基于分離式熱管和蒸汽壓縮式熱泵的復(fù)合補(bǔ)熱地源熱泵系統(tǒng)，不僅保證了土壤的熱平衡，滿足供暖、供冷和供生活熱水等多種建筑用能需求，還具有很好的節(jié)能效果。對(duì)復(fù)合蒸發(fā)器系統(tǒng)的性能提升，清華大學(xué)李先庭等人的專(zhuān)利“熱泵空調(diào)系統(tǒng)”，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)復(fù)合蒸發(fā)器系統(tǒng)的熱泵機(jī)組，在部分空調(diào)機(jī)組需要除霜時(shí)利用連通回路內(nèi)循環(huán)的高溫?fù)Q熱介質(zhì)作為反向除霜熱源，且在部分空調(diào)機(jī)組制冷劑回路發(fā)生故障時(shí)，利用連通回路內(nèi)循環(huán)的高溫?fù)Q熱介質(zhì)向室內(nèi)繼續(xù)放熱。

雙蒸發(fā)器型雙源熱泵的實(shí)際應(yīng)用性需要進(jìn)行測(cè)試分析，進(jìn)一步分析其在各個(gè)地區(qū)的推廣適用性。高朋等人測(cè)試了空氣源輔熱的雙源熱泵對(duì)土壤熱不平衡率的影響，得出當(dāng)空氣源輔熱采用“過(guò)渡季節(jié)補(bǔ)熱、供暖季優(yōu)先”運(yùn)行策略時(shí)，可有效降低地源熱泵取熱量。劉馨等人基于某綠色辦公建筑，對(duì)比分析了土壤源熱泵單獨(dú)運(yùn)行和雙源熱泵運(yùn)行時(shí)供回水溫度、換熱量和性能系數(shù)以及能耗的差異。丁偉翔等人測(cè)算出雙源熱泵全年EER（系統(tǒng)能效系數(shù)）為傳統(tǒng)空氣源熱泵+燃?xì)忮仩t方案的兩倍之多。以上案例均顯現(xiàn)出通過(guò)不同的運(yùn)行策略，雙源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的應(yīng)用前景。

空氣源和地源兩種能源間的負(fù)荷分擔(dān)比對(duì)雙源熱泵的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了影響。唐天躋等人對(duì)此進(jìn)行了模擬分析，得出各臺(tái)機(jī)組在不同的室內(nèi)外溫度下對(duì)應(yīng)固定COP值時(shí)，若地源熱泵承擔(dān)20%熱負(fù)荷，空氣源熱泵承擔(dān)80%熱負(fù)荷；當(dāng)?shù)卦礋岜贸袚?dān)100%冷負(fù)荷的情況下，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。然而該模擬在設(shè)置運(yùn)行模式時(shí)，沒(méi)有將空氣源熱泵單獨(dú)承擔(dān)100%冷負(fù)荷參與比較，無(wú)法得出雙源熱泵在實(shí)際應(yīng)用中比單一地源熱泵更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。李志茹等人從運(yùn)行方式的角度進(jìn)行分析，間歇運(yùn)行模式下的初投資要低于連續(xù)運(yùn)行，且二者均高于單一模式運(yùn)行，但從全年系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用來(lái)看，投資回報(bào)期約為6a～8a，長(zhǎng)遠(yuǎn)看仍具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

雙蒸發(fā)器的復(fù)合熱泵系統(tǒng)通過(guò)水（地）源換熱器與空氣源（風(fēng)冷）換熱器耦合的方式來(lái)提高系統(tǒng)性能，但采用不同連接形式（串聯(lián)或者并聯(lián)）必然會(huì)導(dǎo)致雙源熱泵系統(tǒng)的制熱性能發(fā)生變化。付文軒等人曾對(duì)太陽(yáng)能—空氣源雙源熱泵系統(tǒng)的連接方式進(jìn)行研究。從能耗來(lái)看，并聯(lián)式能耗明顯下降；從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，并聯(lián)式系統(tǒng)需要增加一臺(tái)壓縮機(jī)，會(huì)使初期投資略大于串聯(lián)式系統(tǒng)；從設(shè)備生命周期來(lái)看，雙蒸發(fā)器并聯(lián)連接的復(fù)合熱泵系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)性。然而，目前在空氣源—水源雙源熱泵領(lǐng)域，兩種熱源連接方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在研究中還未涉及。

2）復(fù)合蒸發(fā)器型

復(fù)合蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）用一個(gè)三介質(zhì)換熱器替代兩個(gè)單獨(dú)的換熱器，既能實(shí)現(xiàn)單一熱源換熱，也可以實(shí)現(xiàn)空氣和水兩種非同態(tài)熱源與制冷劑兩兩同步換熱。復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的核心設(shè)備是三介質(zhì)復(fù)合式換熱器，復(fù)合熱源大多為太陽(yáng)能、淺層地能、廢熱和空氣，其中制冷劑可以通過(guò)三介質(zhì)復(fù)合式蒸發(fā)器，同步或交替與兩種熱源進(jìn)行熱交換。工作時(shí)，將地下埋管換熱器中的熱媒水送至空氣—地源雙熱源復(fù)合換熱器，同時(shí)開(kāi)啟復(fù)合換熱器水側(cè)的閥門(mén)和空氣側(cè)風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)，形成空氣—地源雙熱源復(fù)合供熱，通過(guò)進(jìn)入的水提高熱泵系統(tǒng)的制熱量。

圖2 復(fù)合蒸發(fā)器型雙源熱泵原理圖

2004年Saad等人首次提出了三介質(zhì)復(fù)合換熱的概念，并采用雙盤(pán)管式蒸發(fā)器，利用內(nèi)外兩個(gè)套管使熱水通過(guò)內(nèi)管流動(dòng)，空氣在外管流動(dòng)，制冷劑在內(nèi)管和外管之間的環(huán)形空間流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合蒸發(fā)器系統(tǒng)對(duì)熱水和空氣能熱源的同時(shí)利用[2]。該裝置作為三介質(zhì)復(fù)合換熱器的雛形，被國(guó)內(nèi)外研究者們進(jìn)行了充分的優(yōu)化和改良。西安建筑科技大學(xué)劉寅等人[3]提出并設(shè)計(jì)了一種雙熱源復(fù)合換熱器，該換熱器具有三個(gè)介質(zhì)通道分別為內(nèi)管管腔、內(nèi)管外壁與外管內(nèi)壁之間、翅片與外管外表面，其中內(nèi)管管腔為制冷劑通道，內(nèi)外管之間為熱泵工質(zhì)通道，翅片與外管外表面之間為空氣流通通道。

影響翅片管三介質(zhì)換熱器效率的結(jié)構(gòu)因素繁多且關(guān)系復(fù)雜，包括內(nèi)外管徑、內(nèi)外管間距、管壁厚度、套管總長(zhǎng)度、翅片間距、翅片厚度、翅片高度等，而目前結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析較為片面，且多集中于單一參數(shù)分析，缺少多參數(shù)間的定量分析和優(yōu)化。東南大學(xué)方雷[4]等人分析翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合蒸發(fā)器的影響，發(fā)現(xiàn)翅片間距、銅管內(nèi)徑和翅片高度對(duì)集熱效率影響最大。

復(fù)合換熱器型雙源熱泵系統(tǒng)的性能分析，可以從土壤熱平衡性、系統(tǒng)COP、經(jīng)濟(jì)性等方面研究。山東建筑大學(xué)張兵兵[1]等人提出以土壤熱平衡為基準(zhǔn)，綜合考慮土壤熱不平衡和空氣源熱泵的運(yùn)行特性，確定了復(fù)合換熱器中兩種熱源最佳復(fù)合溫度的方法，證明了空氣—土壤源雙熱源熱泵比單一的土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定且COP更高，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行。周光輝等人從系統(tǒng)COP的角度，得到該系統(tǒng)可解決低溫環(huán)境下單一空氣源熱泵制熱量不足、能效比顯著下降的結(jié)論。但是，該測(cè)試僅從提升空氣源熱泵性能的角度分析，沒(méi)有針對(duì)單一地（水）源模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)法綜合得出系統(tǒng)優(yōu)越性的結(jié)論。徐駿芳等人的實(shí)驗(yàn)顯示，蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)水溫度的有效溫差是空氣—水雙熱源模式中制熱的關(guān)鍵因素，但是并沒(méi)有給出最佳有效溫差控制范圍。對(duì)此，陳圣潔通過(guò)結(jié)合室外空氣溫度、室外空氣流量、水側(cè)溫度和水側(cè)流量，提供了不同條件下，計(jì)算復(fù)合供熱模式有效溫差的方法，確定了熱源工作模式合理的工作溫度范圍。

對(duì)復(fù)合換熱器型的雙源熱泵而言，仍存在需要解決和討論的問(wèn)題，如溫差較大的兩種熱源混合引起的熵產(chǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)偏高、維護(hù)管理成本偏大等問(wèn)題。復(fù)合式換熱器的兩種介質(zhì)處于同一蒸發(fā)溫度，在低溫環(huán)境下，空氣介質(zhì)通道蒸發(fā)能力減弱，不僅無(wú)法吸收空氣中的熱量，甚至?xí)夯橘|(zhì)通道的蒸發(fā)吸熱，所以復(fù)合式換熱器形式的雙源熱泵不適合嚴(yán)寒地區(qū)。

3）雙級(jí)壓縮系統(tǒng)

和常見(jiàn)的單級(jí)壓縮雙源熱泵系統(tǒng)形式相比，通過(guò)將空氣源熱泵技術(shù)中常用的兩級(jí)壓縮技術(shù)應(yīng)用于雙源熱泵中，既可以解決空氣源熱泵運(yùn)行效率問(wèn)題，也可以提升雙源熱泵的壓縮效率?；凇澳芰繉?duì)口，梯級(jí)利用”的原則，雙級(jí)壓縮雙源熱泵系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上增加了一臺(tái)高壓壓縮機(jī)，可以將不同熱源輸入溫度相當(dāng)?shù)恼舭l(fā)器中。

2015年，鐘曉輝等人提出了低溫空氣源地源雙源熱泵機(jī)組及其控制方法(見(jiàn)圖3)，采用雙級(jí)壓縮的形式，解決雙源熱泵空氣源部分冬季供熱運(yùn)行效率低下、運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性差等技術(shù)難題，達(dá)到提高機(jī)組能效比和運(yùn)行可靠性的目的。然而，相比通過(guò)制定合理的運(yùn)行策略調(diào)節(jié)空氣源側(cè)運(yùn)行效率的方法，雙級(jí)壓縮的方法在經(jīng)濟(jì)性上存在劣勢(shì)，其實(shí)際運(yùn)行效果仍需要進(jìn)一步分析論證。

圖3 雙級(jí)壓縮雙源熱泵機(jī)組原理圖

3 展望

耦合熱源熱泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種及以上可再生能源的綜合利用，解決了單一熱源熱泵實(shí)際應(yīng)用中的不足，并顯示出其在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。此外，隨著技術(shù)進(jìn)步，雙源熱泵的產(chǎn)品和功能也將趨向多樣化，對(duì)機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也會(huì)提出更高要求。但目前由于復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)較為復(fù)雜，運(yùn)行控制要求較高，并且初期投資較高，回收周期長(zhǎng)，一定程度上阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，除了研究工作者從技術(shù)角度進(jìn)行更深入廣泛的研究，優(yōu)化其系統(tǒng)構(gòu)件匹配外，還需要國(guó)家制定配套激勵(lì)政策，推動(dòng)這一節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用。

3.1 相變儲(chǔ)能與雙源熱泵技術(shù)的結(jié)合

相變儲(chǔ)能技術(shù)是提高能源利用效率的重要技術(shù)，能夠解決熱能供給與需求失配的矛盾。相變儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為機(jī)組與供暖用戶之間起到緩沖的作用，降低機(jī)組啟停頻率，并通過(guò)儲(chǔ)熱消除個(gè)別寒冷天氣供熱不足的現(xiàn)象。

3.2 利用太陽(yáng)能幕墻空腔熱風(fēng)作為空氣源

太陽(yáng)光照射光伏板產(chǎn)熱，加熱幕墻與外墻間的空氣。通過(guò)設(shè)置風(fēng)管連接空腔與空氣源熱泵，以循環(huán)風(fēng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)力，形成空氣源回路。冬季，空氣源熱泵的熱源是雙熱源熱泵機(jī)組的主要熱源，可以為建筑供熱。