南方地区热泵供暖空调系统的现状与构建方式探讨

韩宗伟，孟欣，李卫华，韩宇，王一茹，杨军

(1-东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819；2-新疆太阳能科技开发公司，新疆乌鲁木齐 830011)

南方地区热泵供暖空调系统的现状与构建方式探讨

韩宗伟*1，孟欣1，李卫华2，韩宇2，王一茹1，杨军1

(1-东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819；2-新疆太阳能科技开发公司，新疆乌鲁木齐 830011)

针对我国南方夏热冬冷地区建筑空调的特点，指出了单一热源的热泵系统存在的问题，综述了冷却塔辅助散热的混合式热泵系统、冻土蓄冷混合式热泵系统以及能源塔热泵系统等复合热源系统的研究及应用情况。混合式热泵系统的性能较单一形式热泵系统有所改善，但仍存在一些问题亟待解决。为进一步提高热泵系统的节能性和可靠性，基于“用、补、蓄”的思想，本文提出一种季节性蓄存环境空气冷能的混合热泵系统，并对该系统进行了简单的数值模拟，探讨了其在夏热冬冷地区应用的可行性。

混合式热泵系统；冻土蓄冷；能源塔；季节性蓄冷

0 前言

能源紧张和环境破坏已成为制约人类发展和威胁人类生存的重大问题。目前,我国的“能耗大户”主要为建筑、工业和交通，尤其是建筑能耗，已占总能耗的30%左右。城市民用建筑中，空调能耗占整个建筑能耗的50%～60%，尤其是我国的南方地区，夏季温度高并且持续时间长，空调能耗较大。为了缓解能源短缺的矛盾，研究和探讨南方地区高效的供暖空调系统意义重大[1]。

我国南方地区大多处于夏热冬冷地区，这些地区冬季较长时间潮湿阴冷，该地区的空调能耗巨大，且随着人们生活质量的提高，冬季供暖需求不断增加。由于热泵系统可充分利用自然界普遍存在的可再生能源，且可同时满足冷、热需求，因而在该地区得到了广泛的应用。目前该地区应用的空调系统形式有空气源热泵系统、地源热泵系统[2]，以及近年来得到广泛推广的混合式热泵系统和能源塔热泵系统等。但受热源自身特性的限制，这些系统在该地区应用存在一些问题，如空气源热泵系统在夏季炎热高温空气的影响下，冷却散热能效比较低，冬天制热工况的室外机易因空气湿度大而结霜；地源热泵系统受到土壤源的限制，且长期运行存在土壤热不平衡问题；能源塔热泵系统易腐蚀板式换热器而增加投资，且对循环防冻液的要求较高，其推广也受到一定的限制。

为了提高热泵系统的节能性和可靠性，需充分考虑建筑负荷特性以及可利用自然能源的具体特点，实现能源的即时高效利用（简称“用”原则）、蓄能利用（简称“蓄”原则）及互补利用（简称“补”）。基于上述原则，本文在总结分析现有南方地区空调系统问题的基础上，根据南方地区供暖空调系统的负荷特点与“用、蓄、补”的建立原则，探讨适用于南方地区供暖空调可行的供暖空调方式。

1 单一热源热泵供暖系统应用研究

南方夏热冬冷地区夏季炎热持续时间长，且冬季阴冷，空调负荷较大。单一热源的热泵供暖系统应用较为广泛的是空气源热泵系统、地源热泵系统及能源塔热泵系统。

1.1 空气源热泵系统

以环境空气作为自然冷源的热泵系统，由于空气容量大且可以付出较小的代价，方便的加以使用，因此，空气源热泵在南方地区使用时最容易构建，但由于冷源存在波动性和低温性的特点，在南方地区的应用存在以下的问题：

1）环境空气同时作为空气源热泵的冷源和建筑排热的热汇，导致空气源热泵的制冷性能和建筑冷负荷不匹配；南方地区夏季室外环境温度比较高，空气源热泵的制冷性能变低，而此时建筑冷负荷增加，使得空气源热泵难以很好满足建筑室内冷负荷的要求[3]；

2）我国长江以南地区的相对湿度一般在75%以上，在低温高湿的气象条件下，空气源热泵的风冷蒸发器易结霜，阻塞空气流通；频繁融霜会导致热泵不能正常工作，造成系统冬季供热系数较低。

1.2 地源热泵系统

与环境空气热源相比，浅层土壤热源能量品位较高且比较稳定，使得地源热泵系统性能和稳定性较空气源热泵高，南方地区使用单一的地源热泵存在以下问题：

1）我国南方地区，建筑内夏季的冷负荷远远超过了冬季的热负荷，如若采用地源热泵冷暖联供，夏季向土壤中排热量远大于冬季从土壤中的取热量，打破了土壤的热平衡；例如，对武汉和上海建筑进行研究表明：随着系统运行时间的增长，地埋管换热器周围的土壤温度将会进一步的上升，地源热泵的性能系数(COP)不断下降，导致热泵性能的恶化[4-5]；

2）现有的地下水源热泵系统的回灌问题难以解决，造成许多地区地下水资源得到不同程度的破坏，有的地区甚至出现了地面的塌陷。

1.3 能源塔热泵系统

能源塔（也称热源塔）热泵是一种不受地区地质和自然环境的限制的一种新兴的单一热源热泵系统，近年来被广泛的应用于南方地区的大中型建筑中[6-9]。

根据工作介质与空气的接触方式，可分为开式能源塔和闭式能源塔系统。开式能源塔是由开式冷却塔改造而来，塔中工作介质与空气直接接触进行热质交换[10]。夏季与开式冷却塔的工作过程相似，冬季与绝热型除湿塔的工作过程类似。闭式能源塔是由闭式冷却塔改造而来，塔中工作介质与空气不直接接触，是通过低温宽带换热盘管进行间接热质交换。闭式能源塔[11-12]的换热过程包含了两个循环，即工作介质循环和喷淋介质循环。工作介质走盘管内，连续稳定的采集冷源或者热源；喷淋介质走盘管外，夏季为喷淋水，主要用来提高冷却效果，冬季为喷淋防冻溶液，主要用来降低盘管表面冰点，防止湿空气遇冷在盘管表面结霜。

虽然能源塔热泵系统具有较高的换热效率，实现夏季热量、过度季节冷量免费回收利用、高效节能。但系统对不冻液的要求较高，不冻液与热泵蒸发器通过板式换热器进行连接，易对板式换热器进行腐蚀，且要求热泵系统的蒸发器能够在较低温度下高效率的工作。

除上述三种应用较为广泛的单一热源的供暖热泵系统之外，蒸发冷却技术在我国南方地区也得到广泛的关注，理论上也开展了大量的研究[13-17]。根据南方夏热冬冷地区的气候条件，间接蒸发冷却与机械制冷结合、一级直接蒸发冷却和两级（DEC+IEC）蒸发冷却三种制冷形式均能够满足负荷需求。通过对比可知，间接蒸发冷却与机械制冷相结合的空调系统的送风温度较低，送风量较小，初投资比单独使用蒸发冷却空调高，能效比却要低于后者；一级直接蒸发冷却空调系统的结构简单，安装方便，易于维护，但送风温度较高，风量和湿度较大；二级（DEC+IEC）蒸发冷却空调系统的送风温度、风量和湿度都比一级直接蒸发冷却空调系统相对低，系统也较机械制冷简单，易于安装和维护。因此两级蒸发冷却空调系统值得在南方夏热冬冷地区广泛的推广[18]。

综上所述，虽然单一热源形式的热泵系统能够满足建筑负荷的需求，但是存在一些问题亟待解决。针对这一情况，国内外学者对南方地区负荷特性进行深入的研究，且实现自然冷源的高效利用，提出一系列复合热源热泵供暖系统[19-24]。

2 复合热源热泵供暖系统应用研究

目前工程上常用的混合热源热泵供暖系统多为冷却塔辅助散热的混合式热泵系统，按照地埋管换热器与冷却塔的连接方式可分为串联式、并联式及混联式三种形式。此外，冻土蓄冷热泵系统在南方地区也得到了广泛的应用。

2.1 串联式冷却塔辅助散热的混合式热泵系统

在串联式冷却塔辅助散热的混合式热泵系统中，冷却塔和埋管共同作为冷却源供机组运行。经过冷却塔的冷冻水，进入冷凝器或地下换热器，降低了冷凝器的冷凝温度，实现了埋管和冷凝器作为系统冷却源的互补，从而提高了整个热力系统的COP值[25]。随着冷凝器进入水温的降低，系统COP值迅速增加，远高于单独的地源热泵系统。但该系统不能实现埋管或者冷却塔单独作为冷却源的运行工况。

串联式地埋管热泵系统运行方式主要是先运行地埋管系统，在不能满足负荷要求时在运行冷却塔系统。控制策略主要有以下三种。1）热泵进口流体最高温度控制：以埋管换热为主，当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）达到并超过设定温度时，即开启冷却塔辅助散热。2）温差控制：当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）与室外湿球温度的差值超过设定温度时，则开启冷却塔辅助散热。3）控制冷却塔开启时间：例如每天20:00～24:00开冷却塔，或固定每年某几个月始终开启冷却塔[26]。Yavuzturk和Spltle[27]对冷却塔-土壤源热泵系统在上述三种运行控制策略下20年运行情况进行模拟计算，对各策略下系统的初投资及20年运行维护费用进行经济性和节能性比较，得出的结论是方案2优于方案3，方案3优于方案1。

2.2 并联式冷却塔辅助散热的混合式热泵系统

并联冷却塔辅助散热热泵系统实际上就是由冷却塔和地源热泵系统所联合组成的[28,29]。此系统中冷却塔和埋管可作为独立的冷却源交替使用。可实现三种运行工况：1）地埋管作为单独冷却源供热泵机组运行；2）冷却塔作为单独冷却源供热泵机组运行；3）地埋管和冷却塔同时作为冷却源供机组运行。

并联式地埋管热泵系统运行方式十分灵活，可以充分利用供冷初期和末期的室外环境空气冷能，其控制策略主要有两种：基于最高流体温度控制和温差控制，此时的控制冷却塔开启时间不能作为一种控制手段，这是因为冷却塔无法实现将地下的热量排放到大气中。由于地埋管换热器与冷却塔两者是并联关系，二者之间的流量分配将直接影响了冷却效果，控制起来比较复杂。

2.3 混联式冷却塔辅助散热的混合式热泵系统

综合考虑室外空气冷源和土壤冷源特性的基础上，结合串联和并联两种连接方式的优点，专家学者提出了一种混联式的冷却塔辅助散热的混合式热泵系统。该系统可以三种供冷运行工况：1）冷却塔单独作为热泵机组冷却源运行；2）地埋管换热器单独作为热泵机组冷却源运行；3）地埋管换热器与冷却塔串联运行。

三种冷却方式的运行控制可按如下方法进行：1）当室外环境温度（湿球温度）较低时，冷却塔单独作为热泵机组冷却源运行；2）当室外环境温度（湿球温度）较高，且地埋管出水温度较低时，地埋管换热器单独作为热泵机组冷却源运行；3）当室外环境温度（湿球温度）较高且地埋管出水温度也较高时，地埋管换热器与冷却塔串联运行。

一般工程中较为常用的是开式冷却塔加板式换热器的方式实现辅助散热，也可以用闭式冷却塔代替。采用闭式冷却塔的目的是保证地热换热器循环介质流量的相对稳定[32-33]。

2.4 冻土蓄冷与冷却塔辅助的混合式热泵系统

除上述三种冷却塔辅助散热的混合式热泵系统之外，冻土蓄冷与冷却塔辅助的混合热泵系统[34-36]相结合，减少纯粹蓄冷空调系统的投资和占地面积，又能减少夏天空调对土壤的排热量，也起到平衡冬夏土壤温度场的作用。用夜晚廉价的电将白天土壤吸收的热量转移到空气中，既减少系统平时的运行费用，又利于土壤源热泵在稳定的土壤温度场下常年高效地运行。根据文献[34]研究的结果，冻土蓄冷的特点，在一天里，其出水温度是随着时间的推移逐渐升高的，因而从土壤中获取的冷量也随之不断减少，而建筑物的最大冷负荷一般是出现在空调供冷的下半段时间，这样就会影响到土壤源热泵的工作效率[37]。

虽然冻土蓄冷能缓解冬夏土壤温度场的不平衡问题，但其工作原理仍然是利用高品位热能来制造冷量，且只适用于夜晚不工作的办公建筑中。

3 南方地区热泵供暖能源利用的思考

3.1 南方地区热泵供暖空调系统的构建原则

如前所述，单一的热泵系统难以持续高效的满足我国南方地区以建筑冷负荷为主的供暖空调的需求，为提高热泵的适用性，须将可以利用的自然能源与现有的地源热泵系统有机耦合，笔者认为，针对于建筑冷负荷为主的供暖空调系统的构建应秉承以下三条原则：

1）“即时直接利用原则”：当以某冷源构建的热泵系统能够高效满足建筑负荷时优先直接利用，如在供冷初期和末期，室外环境温度较低，空气冷源比较丰富，可以利用自然循环的方式优先利用室外的空气冷源直接对建筑进行供冷；

2）“能量转移利用原则”：由于冷源与建筑冷负荷均客观存在，消除两者在时间上的不协同性，利用蓄能技术实现能量的转移利用是节能减排的有效手段；

3）“冷源互补利用原则”：充分考虑到不同冷源如空气冷源和土壤冷源的特性，实现取长补短、优势互补，最大限度的提高可再生能源利用率和功能保障性。

3.2 季节性蓄存空气冷能的混合式热泵系统

基于上述三条原则，本文提出了一种季节性蓄存空气冷能的混合式热泵系统。

图1 季节性蓄存空气冷能的混合式热泵供暖空调系统图

季节性蓄存空气冷能的混合式热泵供暖空调系统是在常规的地源热泵系统基础上增加新型空气源冷水机组。如图1所示。新型的空气源冷水机组同时具有热管自然循环制冷和空气源热泵制冷模式，因此该机组不仅可以用于非供冷期的室外空气冷能蓄冷，在供冷期还可以利用风冷冷水机组辅助地源热泵供冷，充分发挥风冷冷水机组的在供冷初期和末期室外温度相对较低时制冷性能好的优点，这样还可以减少地源热泵系统夏季的排热量，进而可以降低非供冷期的蓄冷量。

该系统在全年的不同阶段可以运行以下5种运行模式。

模式①：分离式热管制备冷水进行土壤蓄冷模式，在非供冷期当室外温度较低时，系统开启循环泵和风机制备冷水对埋管周围土壤进行蓄冷，考虑到供暖需要将地埋管分为供暖系列和蓄冷系列。

模式②：地源热泵供冷模式，当室外温度较高，风冷冷水机组性能较差，此时单独运行地源热泵进行供冷。

模式③：风冷冷水机组供冷模式，在供暖的初期和末期室外温度相对较低时，可以运行该模式进行供冷。

模式④：风冷冷水机组与地源热泵联合供冷，当风冷冷水机组可以运行但是难以满足供冷需求时，启动地源热泵联合供冷。

模式⑤：地源热泵供暖模式，该模式为该系统唯一的供暖模式。

系统在非供冷期，当室外温度较低时，通过新型风冷冷水机组将环境空气冷能在蓄热系列埋管周围土壤中，蓄冷模式运行采用温差控制，即当埋管换热器周围平均土壤温度与环境温度差大于风冷冷水机组的运行控制温度时，开启；蒸发器进口流体温度与环境空气温度差小于风冷冷水机组的运行控制温度时，停止。

系统在供冷期有三种供冷运行模式，分别是模式②、模式③、模式④，分别利用了供暖期的环境空气冷能和浅层土壤中蕴藏的冷量。为了尽可能缓解地源热泵取排热导致的热不平衡问题，在供冷期室外环境空气温度较低，模式③供冷性能较好且可以满足供冷需求时，优先运行模式③进行供冷；随着室外温度的升高，模式③可以运行但难以满足供冷需求，则运行模式④，采用风冷冷水机组与地源热泵联合供冷；当室外温度较高风冷冷水机组性能较差时，系统运行模式②进行供冷。系统在供暖期内只有一种运行模式（模式⑤），模拟时系统采用间歇供暖的控制方式。

3.3 系统运行可行性分析

为了验证该系统的可行性，现选择南京地区某建筑为研究对象，建筑面积为5760 m2，该建筑在全年内供暖空调负荷如图2所示。

对系统各个部件进行简化，建立简化后的数学模型，并对其运行性能进行动态的模拟。基于以上运行控制策略，利用编程软件模拟该系统的运行特性，将模拟结果汇总于表1。

由表1中可以看出，系统在全年运行中土壤的取排热基本达到平衡，排热略大于取热，不平衡率为4.1%，可以通过土壤的自身恢复实现平衡。对于新型空气热源热水机组蓄冷模式，由于本文的计算时对循环系统没有采用变频措施，使得模式①平均COP不是很高，考虑到环境空气热能自然蓄冷能耗的全年供暖空调COP值为2.78。可以保障系统运行的可靠性。

图2 建筑全年供暖空调变化曲线

表1 系统总体模拟运行结果

4 结论

本文针对我国南方地区建筑负荷特点，分析了南方地区现有的热泵供暖空调方案存在的一些主要问题。由分析可知，以单一热泵形式为主的系统难以很好地满足供冷空调系统节能性、经济性及可靠性方面的要求，复合热源的混合式热泵系统是南方地区供暖空调良好解决方案；在总结分析现有研究基础上，本文基于自然冷源高效利用、蓄能利用和互补利用的原则，充分考虑空气冷源和土壤冷源的特性，提出了一种季节性蓄存空气冷能的混合热泵系统。对该系统建立数学模型模拟计算可知，该系统能够保障地埋管换热器取热和排热的平衡，同时具有较好的运行性能，表明南方地区采用季节性蓄存空气冷能的混合热泵系统有较好的可行性。

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Discussion of Status and Construction Ways of the Heat Pump Heating and Air-conditioning System in the Southern Region

HAN Zong-wei*1, MENG Xin1, LI Wei-hua2, HAN Yu2, WANG Yi-ru1, YANG Jun1
(1-School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China; 2-Xinjiang Solar Technology Development Company, Urumqi, Xinjiang 830011, China)

In views of the features of building air-conditioning in the hot summer and cold winter in southern China, the problems of single heat source heat pump system were pointed out, and the research and application of cooling tower hybrid heat pump system, frozen storage hybrid heat pump and energy tower hybrid heat pump systems were summarized. The hybrid heat pump system has better comparing with the single heat source of heat pump, but a number of problems should be solved. To improve the energy efficiency and reliability of the hybrid heat pump system, a kind of seasonal cold energy storage hybrid heat pump system was proposed based on the thought of "use, supply and build" in this paper. Then the simple numerical simulation of this system was conducted to verify its feasibility of the application in the hot summer and cold winter regions.

Hybrid heat pump system; Frozen storage; Energy tower; Seasonal cold energy storage

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.208

*韩宗伟（1980-），男，副教授，工学博士。研究方向：制冷空调、可再生能源利用。联系地址：沈阳市和平区文化路3号巷11号，邮编：110819。联系电话：024-83686994。E-mail：hanzw@smm.neu.edu.cn。

辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2013100），新疆维吾尔自治区十二五科技重大专项（No.201130107）

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。