太阳能-空气源耦合热泵系统研究现状

王佩祥，冯秀娟，赵运超

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

随着过去20年来世界经济的快速发展，全球能源消耗总量增长了49%，其中世界建筑能耗占总能耗的30%[1]。人们对供暖、制冷的需求不断增加，导致化石燃料消耗日益加重，导致全国各地PM2.5严重超标等环境污染问题凸显，这促使人们寻找更高效、低排放的能源供应方式。太阳能与空气能作为重要的可再生清洁能源，其热泵设备被认为是最有潜力替代传统化石燃料为建筑室内供暖。独立太阳能热泵和空气源热泵各有利弊，两者耦合成为太阳能-空气源热泵系统能够实现优势互补，有助于绿色节能建筑目标的实现。

本文通过国内外的实验研究和工程实例证实了太阳能-空气源耦合热泵系统绿色节能特性，介绍了耦合热泵系统4种组合形式的优缺点。概述了太阳能-空气源耦合热泵系统的优化方式：①改造部件结构后系统能效比提升40%以上；应用相变蓄能材料制热量普遍提升20%以上；应用光伏光热技术系统能效比达到3.4以上；②精准监控负荷变化优化系统控制策略；采用合适制冷剂后系统适应于高层建筑。认为未来应该从节能、成本、工程化三个方面考虑发展太阳能-空气源耦合热泵设备发展方向，鉴于中国迫切需要调整能源供应模式，总结归纳太阳能-空气源耦合热泵系统研究现状是十分有必要的。

1 太阳能-空气源耦合热泵系统研究

1.1 太阳能-空气源耦合热泵系统国内外研究

太阳能热泵和空气源热泵都是市场上较为成熟的商用热泵设备产品，但两个独立热泵设备都具有明显缺陷，限制了热泵设备进一步的发展。独立的太阳能热泵系统投资较大，且供热性能随着太阳辐射变化不稳定，独立的空气源热泵冬季易结霜、能效比低[2]。而太阳能-空气源耦合热泵系统有效地克服太阳能热泵不稳定性，也解决空气源热泵系统冬季效率低的问题，这一优点通过许多国内外的实验研究和工程实例得到有效证明，见表1。

Jodan等[3-5]在20世纪50年代提出，太阳能耦合热泵具有同时提高太阳能集热效率和热泵系统性能的优势，Lof[6]通过实验说明了太阳能-空气源耦合系统的优越性。Mehrpooya等[7]建立了10个集成热泵与太阳能热泵系统组合，通过对比独立的热泵系统发现耦合供暖系统可以保证稳定的热源供应，并能节省能源消耗。在国内初期，旷玉辉等[8-9]就建立了直接膨胀式耦合热泵系统实验台，太阳能耦合热泵在冬季采暖条件下设计开发的平板太阳能集热器的平均太阳能集热效率达到67.2%。徐国英等[10]建立耦合热泵的数学模型,在以南京气候为计算条件，模拟结果证实了耦合热泵系统对比独立热泵系统更为节能。赵军等[11]对耦合热泵系统进行了理论和实验研究，实验结果表明耦合系统全年正常运行时系统的COP在3左右，比独立热泵COP值更高。

表1 太阳能-空气源耦合热泵系统工程实例

1.2 太阳能-空气源耦合热泵组合形式

当前，太阳能-空气源耦合热泵系统根据系统单元组合形式可分为4类：直接膨胀式耦合热泵系统、串联式耦合热泵、并联式耦合热泵和双热源式耦合热泵系统[19]。

1.2.1 直接膨胀式耦合热泵系统 Sporn[20]于1955年首先提出了直接膨胀式热泵系统的概念，而直接膨胀式耦合热泵系统则在直接膨胀式热泵系统上进一步改进所得，其耦合热泵系统最主要核心设计是将太阳能热泵单元集热器和空气源热泵单元蒸发器整合为同一装置，即集热蒸发器。系统形式见图1，在晴朗的白天中，图中的集热蒸发器运作，同时吸收太阳能与空气能，再通过冷凝器将热量传送给用户水箱；在阴雨天和夜晚，由于没有太阳能辐射，集热蒸发器等同于独立的空气源热泵蒸发器，仅吸收了空气中热量。

图1 直接膨胀式耦合热泵系统

1.2.2 串联式耦合热泵系统 串联式耦合热泵系统，系统形式见图2，图中蓄热水箱负责把太阳能热泵单元的集热器吸收能量有效地蓄积起来，空气源热泵单元的蒸发器与整个耦合热泵系统环路串联并吸收太阳能热泵单元热量，冷凝器再与水箱串联，将能量提供给用户使用，总体简述太阳能热泵单元和空气源热泵单元简单地串联连接形成耦合热泵系统。

图2 串联式耦合热泵系统

1.2.3 并联式耦合热泵系统 并联式耦合热泵系统，系统形式见图3，太阳能热泵单元和空气源热泵单元并联，其太阳能热泵单元的集热器和空气源热泵单元的蒸发器可在不同的系统工况条件下能够单独或联合运行。在晴天的白天，室外太阳辐射较高时运行太阳能热泵单元关闭空气源热泵单元，在连续阴雨天气和夜晚时太阳能辐射量极低只运行空气热泵单元，在太阳能辐射不高时单独运行太阳能热泵单元不能满足负荷条件时同时开启空气源热泵单元。

图3 并联式耦合热泵系统

1.2.4 双热源耦合热泵系统 双热源耦合热泵系统，系统形式见图4，图中耦合热泵系统具有水源和空气两种热源，因此有水源蒸发器、空气蒸发器、集热器、冷凝器，水源蒸发器与空气源蒸发器并联使用，再与太阳能单元串联。其中太阳能单元的热量提升了水源蒸发器侧的温度，使得双热源热泵系统能源效率最大幅度提升，并且双热源耦合热泵系统通过后期改造还能够实现制冷功能。

图4 双热源式耦合热泵系统

1.2.5 热泵形式发展方向 直接膨胀式耦合热泵系统在小型化和商业化发展的潜力巨大,但是热泵系统中的核心部件，集热蒸发器制造技术难度系数非常大，需要进一步降低集热蒸发器的研究成本。串联式耦合热泵系统结构简单易于实现，但串联式耦合热泵系统的空气源单元必须持续开启工作，导致整个耦合热泵系统能耗值较大。并联式耦合热泵系统能够根据实际气候条件，独立启动太阳能热泵或空气源热泵，更为节能，所以是当前工程实例运用较多的一种形式，但该系统太阳能热泵单元产生热量直接作用于用户水箱，并没有提升空气源热泵单元蒸发器进口温度，不能最大化提升空气源热泵制热效率，只是将两个热泵单元系统孤立叠加，并没有起到相互供暖增效的结果。双热源式热泵系统能够最大效率提升耦合热泵供热能效值，Freeman等[21]使用TNYSYS软件建立模型证实了双热源式耦合热泵系统能效性始终优于串联式和并联式热泵系统，且能够实现供冷供热一体化服务，是目前太阳能-空气源耦合热泵研究热点，但双热源耦合热泵系统也存在一些问题，面临较多的蒸发器部件导致整个系统结构复杂、体积庞大，设备成本高问题，需要进一步完善。

近期太阳能-空气源耦合热泵得到了长足发展，其中并联式和双热源式耦合热泵形式因为其实用性和高效性的特点，是目前研究太阳能-空气源耦合热泵的热点形式。未来为了满足不同的安装环境与用户需要，实现热泵系统高效节能性，需要灵活地将4种热泵形式进行整体或局部的有机组合。

2 太阳能-空气源耦合系统优化方案

目前，太阳能-空气源耦合热泵系统的最大问题是制热能效比会随室外环境条件变化而不稳定。Michalis等[22]在哈尼亚测试了空气源-太阳能耦合热泵系统性能，当实验室外环境温度由10 ℃变为5 ℃时，系统效率会下降7.6%，说明耦合热泵系统不稳定。于立强等[8]的实验结果表明，当室外空气温度在-9～4 ℃之间波动变化，整个耦合热泵系统的平均COP为2.19，能效比较低。以上实验说明了太阳能-空气源耦合热泵系统性能易受到周边环境变化影响，系统性能不稳定波动较大。目前针对室外气温较低导致耦合热泵空气源单元结霜，太阳能辐射变化波动大导致耦合太阳能单元供热性能波动剧烈，这两个主要困难，有以下几种方法来优化改进太阳能-空气源耦合系统。

2.1 部件结构改造

改造太阳能-空气源耦合热泵关键部件结构能够使得太阳能热泵单元产生热量去除空气源热泵单元的结霜问题，是高效优化方案之一。通过翅片与套管有机组合来改造太阳能热泵单元的换热器，增强其传热性能，解决空气源热泵单元的除霜问题，是太阳能-空气源耦合热泵技术重要优化路线之一。阳季春等通过在耦合热泵系统供热侧同时安装套管式和管翅式换热器的方法，达到了太阳能热泵和空气源热泵有机结合，在冷凝器侧进水温度为(20±1)～(40±1)℃工况下，得到耦合系统平均COP值在2.88～3.96之间变化，火用性能COPEX在0.17～0.31之间变化，两个值都明显高于传统热泵系统，证明了双热源式耦合热泵系统性能优于单独热泵系统[23]。Liu等[24]设计了改进双热源耦合热泵系统，是以翅片-套管式三介质复合换热器为核心，在管翅式换热器的换热管内部安装另外一根换热管，结合管翅式和套管式换热器两者优势，使得制冷剂可以同时与热水和环境空气换热，简化了整个系统结构，在室外环境温度低于-15 ℃时进行测试实验，结果表明，与传统空气源热泵相比,耦合系统的COP值提高了50%以上。王建民等[25]设计了一套双热源式耦合热泵系统，以一套翅片-套管复合式换热器为核心，平均室外温度取为-10 ℃和-15 ℃，系统在北京项目低温环境下能效值得到提高，COP 值平均提高约为40%。冉思源等[26]设计的双热源式耦合热泵系统：水源热泵的蒸发器连接到风冷换热器和太阳能单元的集热器并联组合，水箱连接到水源热泵的冷凝器，太阳能直接制热板式换热器设置太阳能集热器和热泵冷凝器之间。该耦合热泵系统有4种不同的运行模式，一种模式为太阳能空气源共同作用模式，即当太阳辐射较弱，单独太阳能热泵制热能力低于用户负荷需求时，此时同时开启风冷换热器和太阳能集热器，使得工质能够同时吸收空气热能和太阳能。并设有独特的除霜模式，利用太阳能热泵制取的热水为空气源热泵换热器除霜，保证系统制热稳定性。以北京的某一个100 m2的建筑为例计算，该系统的一次能源效率最高可达到1.13，与太阳能集热器+电加热系统相比，节能率为58%。黄文竹等[27]研究了直接膨胀式太阳能热泵对热泵系统结霜现象的改进，建立了理论模型并进行预测，在不同条件下的焓差实验室内进行了集热器测试实验，在环境温度1.0 ℃，相对湿度70%，辐射强度为100 W/m2条件下结霜速度比独立空气源热泵更为缓慢。

他们设计的太阳能-空气源耦合热泵系统，对比独立的空气源热泵COP值均提升在40%以上，实现了太阳能-空气源耦合热泵能够在寒冷地区冬季全天候供暖。但是改造系统的换热器或集热器等关键部件成本较高，并会导致耦合热泵系统构造复杂体积过于庞大，有进一步改进的空间。

2.2 相变蓄能技术应用

相变蓄能材料相比于传统单相材料，相变蓄能材料的潜热换热能力更加优异，因此调节太阳能-空气源耦合系统稳定性。目前，相变储能材料技术主要运用于太阳能-空气源耦合热泵系统中换热器、蓄能水箱等蓄热装置的改造。杨灵艳等[28]设计了以三套管蓄能换热器为核心部件的太阳能与空气源耦合热泵，单个换热器单元中内层为制冷剂通道，外层为水通道，有机相变材料RT6填充在中层。系统采用了相变材料显热蓄冷供热，提高了系统蓄冷供热时蒸发温度效果，使得系统能效比提高。首先建立三套管蓄能换热器的数学模型，模拟动态特性并进行数值分析，为耦合热泵系统的开发与优化设计奠定了理论基础。之后测试耦合热泵系统在正常环境工况的稳定性，测得实验数值供冷模式COP可达到2.0～2.8，供热模式的COP值达到3.0～3.75，蓄能供热模式COP值达到3.31～3.45，并测试了耦合热泵在非常定的环境工况下表现，测得供冷模式的COP值为2.4～2.8，供热模式的COP值为2.8，比单独的空气源热泵COP值分别提升了17%和65%，最后提升温度或增大流量来进一步提升耦合热泵系统的供热效率，新模式下制热功率提高13%，能量功耗降低了41%。谢豪等[29]也在蓄热器盘管上采用了相变蓄热材料，节能效果明显，同时提升23.4%系统制热量。有效利用相变储能材料能够使得太阳能-空气源耦合热泵能效显著提升。

相变储能材料运用在蓄热水箱中常见的是石蜡及以石蜡为基础纳米复合材料。侴乔力等[30]研制了一个蓄热水箱采用了相变温度 40 ℃的石蜡相变蓄能材料。实验结果表明，相变蓄能材料可有效减少热泵系统的融霜次数，简化换热环节，多种模式下COP系数在2.99以上，对比国家标准制热量提升20%以上。太阳能-空气源耦合热泵的蓄热水箱采用相变蓄能材料还有脂肪酸类[31-35]、MgCl2·6H2O、十二烷酸与癸酸混合物、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O与Na2SO4·10H2O等。

上述实验说明采用相变蓄能材料的太阳能-空气源耦合热泵能效比都得到大幅提升，太阳能-空气源耦合热泵系统的制热量均提升20%以上，今后需要考虑的是相变蓄能材料运用于市场工程中成本问题和操作复杂问题。

2.3 光伏光热技术应用

Mateus等[36]和Sanaye等[37]提出了在太阳能-空气源热泵系统使用光伏光热技术，通过吸收太阳辐射同时提供热能和电力。目前，绝大多数太阳能-空气源耦合热泵系统使用太阳能集热技术，太阳能光伏光热技术有望替换太阳能集热技术。太阳能光伏光热集热器的背板温度越高，发电效率就越低，利用这项特性将太阳能光伏光热与空气源热泵完美结合，不仅利用太阳能背板的余热解决空气源热泵结霜问题，而且降低了自身背板温度，提高光伏电池发电效率和耦合系统能效值。Wang等[38]就设计了以太阳能光伏光热集热器为核心技术的双热源式耦合系统。该系统主要由三部分组成，双热源复合系统、光伏光热系统和用户热水系统。当室外温度为6.5 ℃和太阳辐射照度为581.5 W/m2时，系统的平均热收集效率为43.8%，系统最大循环吸收效率为15.0%，双热源模式的COP值为2.24～2.49，单空气热源模式的COP值为1.31～1.40，验证双热源模式性能优越性，在系统中使用PVT集热器COP值提升到了4.08，系统的火用效率达到了0.33。测试3种不同供暖模式：太阳能PVT集热循环与水源热泵联合运行、双热源、单空气源，通过对比发电效率、室内温度、制热量、热泵COP、集热效率，结果3种模式的COP值分别为3.4，2.61，2.26，平均室内温度也达到了18.8，16.5，15.3 ℃。周伟等[39]设计的光伏光热耦合热泵系统COP对比单独太阳能热泵和空气源热泵分别提升了32.78%，47.64%，陈剑波等[40]设计的耦合系统COP值达到了3.6。

上述实验结果说明，太阳能光伏光热复合双热源系统对比光热系统具有良好节能特性，太阳能-空气源耦合热泵系统COP达到了3.4以上，但目前光伏光热组件成本较高不利于耦合热泵系统工程化。

2.4 控制策略优化

太阳能-空气源耦合热泵系统安置室外环境，其温度、湿度、太阳辐射量等工况波动较大，Jing等[41]指出耦合系统的控制策略对系统能耗影响至关重要。设计精准控制系统能够提升太阳能-空气源耦合热泵系统的能效。Zhang[42]建立了太阳能-空气源耦合热泵模型，通过分析模型能耗结果，得到优化运行策略后，对比传统热泵系统能耗减少了31%。闫泽滨等[43]设计了一种用于联合控制耦合热泵的系统，系统以32位高性能微处理器STM32F103为核心，一台集中控制器为主站和四台热泵控制器为从站，监控耦合系统实时制热量来确定热泵机组的运行台数，满足用户侧供热负荷需求。实验表明，当环境温度为15 ℃时，系统制热COP为3.77，机组的COP为2.6，能效值得到明显提升。刘业凤等[44]设计了双热源耦合热泵系统,不仅在冬季能够提供有效稳定的采暖，在夏季降温季节，调节空调切换阀，空气源单元用于冷却，以满足用户侧的舒适性要求。在春秋季节没有冷热负荷需求时,空调系统改为全新风方式运行,为室内换气改善室内空气品质，家用热水由太阳能单元收集提供，当不足时，热泵系统被激活以补充。路诗奎等[45]通过利用PLC和MCGS组态软件构建一套监控系统，通过监测系统能耗对比说明该耦合系统节能优异性。

上述研究验证未来太阳能-空气源热泵需要采用更加符合系统实际工况的算法，如遗传算法、神经元网络算法，通过PLC和MCGS软件构建更为精准的热泵负荷监控系统来制定符合当地气候特色的系统控制策略。

2.5 采用合适制冷剂

制冷剂在太阳能-空气源耦合热泵中的使用能够实现无水式热泵供暖，制冷剂的供热性能更强，并且无水式太阳能-空气源耦合热泵系统能够解决高层建筑用水能耗高的问题，满足高层建筑对室外安装空间的狭窄、垂直的要求，使得系统安全、便捷。Dong等[46]设计了一套无水式直膨的耦合热泵系统，热泵系统选择R407为系统制冷剂并采用辐射采暖。他们首先建立了耦合系统的TRNSYS模型，通过模拟数据结果表明在夏季高温太阳能和冬季低温高湿易结霜状况工况下，系统的COP分别对比独立空气源热泵提升了44.16%和6.56%，模拟为系统运用工程进行铺垫与预测，之后通过实验室测试得到：在太原城市环境条件下，该耦合系统的COP值为2.54对比独立空气源系统提升了14.9%。Faria等[47]建立了耦合热泵系统模型验证了使用CO2制冷剂后，系统制热效率提高。Li等[48]依次分析了R744、R134a、R22、CO2在耦合热泵的制热性能，工况温度13 ℃以上采用R134热泵系统COP值最高，工况温度13 ℃以下采用R744热泵系统COP最高。

制冷剂耦合热泵系统实验证实了太阳能-空气源耦合系统在高层住宅中节约了整体的安装空间与供水量，为热泵系统适用于高层建筑中提供了新思路。但制冷剂的运用对太阳能-空气源耦合热泵系统工作压力大，对耦合系统设备要求增加且制冷剂有泄漏隐患。

3 结论

(1)太阳能-空气源耦合热泵系统通过国内外理论研究和工程实例验证了其绿色节能特性，而其耦合系统形式为了满足不同的安装环境与用户需要，实现热泵系统组高效节能性，需要灵活地将4种热泵形式进行整体或局部的有机组合，不再严格设置技术界限。

(2)太阳能-空气源耦合热泵系统优化方式：①通过改造耦合热泵系统的传热器、蒸发器等部件，增强太阳能单元组件除霜能力，对比独立的空气源热泵，耦合热泵系统COP值提升普遍在40%以上；②相变蓄能材料在换热器、蓄热水箱等蓄热装置采用使得热泵系统能效比都得到大幅提升，COP达到了2.8以上，制热量均提升了20%以上；③光伏光热技术通过利用太阳能单元背板的余热解决空气源单元热泵结霜问题，既提升光伏光热背板发电效率也使得耦合热泵系统COP达到3.4以上；④制冷剂耦合热泵系统实验证实了太阳能-空气源耦合系统在高层住宅中节约了整体的安装空间与供水量，为热泵系统适用于高层建筑中提供新思路。

(3)太阳能-空气源耦合热泵系统需要从节能、成本、工程化三个方面进行考虑未来的优化方案：①部件结构改造方案会导致耦合热泵系统构造复杂体积过于庞大，需要缩小设备占用面积；②相变蓄能材料和光伏光热技术成本高，在实际工程实施比较困难，需将操作系统简单化；③采用先进算法如遗传算法、神经元网络算法，通过PLC和MCGS软件构建更为精准的热泵负荷监控系统来制定符合当地气候特色的系统；④制冷剂的运用对太阳能-空气源耦合热泵系统工作压力大，对耦合系统设备要求增高，同时防止制冷剂泄漏隐患。期望今后完善的太阳能-空气源耦合热泵系统为实现绿色节能建筑目标做出巨大贡献。