空气—地源双源热泵的研究现状与展望

2021-07-08初诗凝

智能建筑与智慧城市 2021年6期

初诗凝

（沈阳建筑大学）

1 引言

热泵是一种利用高品位能（电能）使热量从低位热源转移到高位热源的节能装置，将不能直接利用的土壤、水和空气中所含的太阳能与热能，转换为可以直接利用的高品位热能[1]。热泵技术以其高效、环保等特点成为建筑物供冷、供热最为广泛的应用方式，也是暖通空调领域内实现建筑节能的重要途径。

单一热源热泵在应用中各自存在缺陷：空气源热泵制冷量和制热量受室外空气温度变化的影响较大，无法满足室内供冷供热的需求，且在严寒地区冬季空气温度较低，室外蒸发器越容易发生结霜的问题[2]；土壤源热泵受土壤或岩体的热物性及地埋管换热性能的影响，容易造成吸放热量不平衡，导致系统制冷制热量在运行期间不稳定[3]；水源热泵需要大量稳定的地下水资源，水泵功耗高，且地下水回灌技术不够成熟，导致资源浪费和地表下沉[4]。此外，实践表明，通过增加地埋管数量和埋管间距、利用高品位热源和耦合太阳能集热器等方法都难以满足工程的实际需要，所以寻找可靠性强、经济性好、能效高的技术方案具有重要意义。

2 空气—地源双源热泵的分类

根据目前国内外关于空气源—地源双源热泵特点的研究，常见的系统形式按照蒸发器数目可分为双蒸发器型、复合蒸发器型；按照压缩机的数目可分为单级压缩、双级压缩、多级压缩；按连接方式可分为串联式、并联式。针对应用场景和出现的弊端，众多学者进行了大量研究，使机组的稳定性、制热性能和COP等都有了很大的提高。主要包括几个方面。

1）双蒸发器型

双蒸发器型是目前最常见的双源热泵系统，蒸发器由两个介质换热器组合而成（见图1），复合热源分别为空气和浅层地能，工质可以通过两种不同形式的蒸发器，分别与两种热源的热媒进行独立的热交换。其工作原理为：将空气源热泵系统和水地源热泵系统进行结合，并共用系统的冷凝器、压缩机和蒸发器，将空气源与地源结合在一起，根据冬夏季不同工况切换两种热泵的使用模式。

图1 双蒸发器型双源热泵原理图

在设备开发方面，近年来研究者们提出了诸多方案。双蒸发器型的双源热泵通过耦合空气源换热器，利用跨季节土壤蓄热实现夏热冬用。清华大学游田等人在常规地源热泵系统的基础上耦合热管/空气源补热器，根据热源品位切换非供暖季土壤补热、供暖初末期直接供热、非供暖季制备生活热水三种运行模式，解决了土壤源热泵在北方地区由于土壤热不平衡引起的运行可靠性差的问题。李炳田等人在此基础上，模拟验证了基于分离式热管和蒸汽压缩式热泵的复合补热地源热泵系统，不仅保证了土壤的热平衡，满足供暖、供冷和供生活热水等多种建筑用能需求，还具有很好的节能效果。对复合蒸发器系统的性能提升，清华大学李先庭等人的专利“热泵空调系统”，通过并联多个复合蒸发器系统的热泵机组，在部分空调机组需要除霜时利用连通回路内循环的高温换热介质作为反向除霜热源，且在部分空调机组制冷剂回路发生故障时，利用连通回路内循环的高温换热介质向室内继续放热。

双蒸发器型双源热泵的实际应用性需要进行测试分析，进一步分析其在各个地区的推广适用性。高朋等人测试了空气源辅热的双源热泵对土壤热不平衡率的影响，得出当空气源辅热采用“过渡季节补热、供暖季优先”运行策略时，可有效降低地源热泵取热量。刘馨等人基于某绿色办公建筑，对比分析了土壤源热泵单独运行和双源热泵运行时供回水温度、换热量和性能系数以及能耗的差异。丁伟翔等人测算出双源热泵全年EER（系统能效系数）为传统空气源热泵+燃气锅炉方案的两倍之多。以上案例均显现出通过不同的运行策略，双源热泵系统在不同地区的应用前景。

空气源和地源两种能源间的负荷分担比对双源热泵的经济性产生了影响。唐天跻等人对此进行了模拟分析，得出各台机组在不同的室内外温度下对应固定COP值时，若地源热泵承担20%热负荷，空气源热泵承担80%热负荷；当地源热泵承担100%冷负荷的情况下，经济性最优。然而该模拟在设置运行模式时，没有将空气源热泵单独承担100%冷负荷参与比较，无法得出双源热泵在实际应用中比单一地源热泵更强的经济性。李志茹等人从运行方式的角度进行分析，间歇运行模式下的初投资要低于连续运行，且二者均高于单一模式运行，但从全年系统运行费用来看，投资回报期约为6a～8a，长远看仍具有一定的经济优势。

双蒸发器的复合热泵系统通过水（地）源换热器与空气源（风冷）换热器耦合的方式来提高系统性能，但采用不同连接形式（串联或者并联）必然会导致双源热泵系统的制热性能发生变化。付文轩等人曾对太阳能—空气源双源热泵系统的连接方式进行研究。从能耗来看，并联式能耗明显下降；从经济性来看，并联式系统需要增加一台压缩机，会使初期投资略大于串联式系统；从设备生命周期来看，双蒸发器并联连接的复合热泵系统更具有经济性。然而，目前在空气源—水源双源热泵领域，两种热源连接方式对系统性能的影响，在研究中还未涉及。

2）复合蒸发器型

复合蒸发器热泵系统（见图2）用一个三介质换热器替代两个单独的换热器，既能实现单一热源换热，也可以实现空气和水两种非同态热源与制冷剂两两同步换热。复合热源热泵系统蒸发器的核心设备是三介质复合式换热器，复合热源大多为太阳能、浅层地能、废热和空气，其中制冷剂可以通过三介质复合式蒸发器，同步或交替与两种热源进行热交换。工作时，将地下埋管换热器中的热媒水送至空气—地源双热源复合换热器，同时开启复合换热器水侧的阀门和空气侧风机的开关，形成空气—地源双热源复合供热，通过进入的水提高热泵系统的制热量。

图2 复合蒸发器型双源热泵原理图

2004年Saad等人首次提出了三介质复合换热的概念，并采用双盘管式蒸发器，利用内外两个套管使热水通过内管流动，空气在外管流动，制冷剂在内管和外管之间的环形空间流动，实现了复合蒸发器系统对热水和空气能热源的同时利用[2]。该装置作为三介质复合换热器的雏形，被国内外研究者们进行了充分的优化和改良。西安建筑科技大学刘寅等人[3]提出并设计了一种双热源复合换热器，该换热器具有三个介质通道分别为内管管腔、内管外壁与外管内壁之间、翅片与外管外表面，其中内管管腔为制冷剂通道，内外管之间为热泵工质通道，翅片与外管外表面之间为空气流通通道。

影响翅片管三介质换热器效率的结构因素繁多且关系复杂，包括内外管径、内外管间距、管壁厚度、套管总长度、翅片间距、翅片厚度、翅片高度等，而目前结构参数的分析较为片面，且多集中于单一参数分析，缺少多参数间的定量分析和优化。东南大学方雷[4]等人分析翅片管的结构参数对复合蒸发器的影响，发现翅片间距、铜管内径和翅片高度对集热效率影响最大。

复合换热器型双源热泵系统的性能分析，可以从土壤热平衡性、系统COP、经济性等方面研究。山东建筑大学张兵兵[1]等人提出以土壤热平衡为基准，综合考虑土壤热不平衡和空气源热泵的运行特性，确定了复合换热器中两种热源最佳复合温度的方法，证明了空气—土壤源双热源热泵比单一的土壤源热泵系统运行更稳定且COP更高，能够实现整个系统的长期高效运行。周光辉等人从系统COP的角度，得到该系统可解决低温环境下单一空气源热泵制热量不足、能效比显著下降的结论。但是，该测试仅从提升空气源热泵性能的角度分析，没有针对单一地（水）源模式进行数据采集，无法综合得出系统优越性的结论。徐骏芳等人的实验显示，蒸发器进风温度和进水温度的有效温差是空气—水双热源模式中制热的关键因素，但是并没有给出最佳有效温差控制范围。对此，陈圣洁通过结合室外空气温度、室外空气流量、水侧温度和水侧流量，提供了不同条件下，计算复合供热模式有效温差的方法，确定了热源工作模式合理的工作温度范围。

对复合换热器型的双源热泵而言，仍存在需要解决和讨论的问题，如温差较大的两种热源混合引起的熵产、结构复杂造价偏高、维护管理成本偏大等问题。复合式换热器的两种介质处于同一蒸发温度，在低温环境下，空气介质通道蒸发能力减弱，不仅无法吸收空气中的热量，甚至会恶化水介质通道的蒸发吸热，所以复合式换热器形式的双源热泵不适合严寒地区。

3）双级压缩系统

和常见的单级压缩双源热泵系统形式相比，通过将空气源热泵技术中常用的两级压缩技术应用于双源热泵中，既可以解决空气源热泵运行效率问题，也可以提升双源热泵的压缩效率。基于“能量对口，梯级利用”的原则，双级压缩双源热泵系统在原有的基础上增加了一台高压压缩机，可以将不同热源输入温度相当的蒸发器中。

2015年，钟晓辉等人提出了低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法(见图3)，采用双级压缩的形式，解决双源热泵空气源部分冬季供热运行效率低下、运行可靠性和稳定性差等技术难题，达到提高机组能效比和运行可靠性的目的。然而，相比通过制定合理的运行策略调节空气源侧运行效率的方法，双级压缩的方法在经济性上存在劣势，其实际运行效果仍需要进一步分析论证。

图3 双级压缩双源热泵机组原理图

3 展望

耦合热源热泵技术可实现对两种及以上可再生能源的综合利用，解决了单一热源热泵实际应用中的不足，并显示出其在节能方面的优势，具有巨大的市场潜力。此外，随着技术进步，双源热泵的产品和功能也将趋向多样化，对机组的可靠性和经济性也会提出更高要求。但目前由于复合热源热泵系统较为复杂，运行控制要求较高，并且初期投资较高，回收周期长，一定程度上阻碍了该技术的推广应用。因此，除了研究工作者从技术角度进行更深入广泛的研究，优化其系统构件匹配外，还需要国家制定配套激励政策，推动这一节能环保技术的应用。