嚴寒地區熱泵供暖空調系統主要問題及解決方案★

韓宗偉 陰啟明 張艷紅 熱孜望·坎吉

(1.東北大學材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819; 2.新疆太陽能科技開發公司，新疆 烏魯木齊 830011)

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·水·暖·電·

嚴寒地區熱泵供暖空調系統主要問題及解決方案★

韓宗偉1陰啟明1張艷紅2熱孜望·坎吉2

(1.東北大學材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819; 2.新疆太陽能科技開發公司，新疆 烏魯木齊 830011)

分析了目前常規熱泵系統在北方寒冷地區應用時存在的問題，綜述了針對這些問題的研究工作進展情況，在此基礎上總結提出了寒冷地區熱泵系統的構建思想，并據此思想提出了幾個熱泵系統解決方案，以期為今后熱泵技術應用提供一定參考。

熱泵技術，可再生能源，寒冷地區，構建思想，解決方案

0 引言

我國建筑能耗增長迅速，據統計，我國1996年建筑用商品總能耗為2.59億tce，2008年該值達到6.55億tce。建筑能耗占社會總能耗的27%左右，供暖、空調能耗占建筑總能耗的55%。我國供暖空調的能源主要是礦物能源，利用高品位能量去滿足低品位需求的方式難以適應可持續發展的要求。“高品位能源梯級利用”和“利用可再生能源”是暖通空調科學發展觀的重要體現。

可再生能源是低品位能源，有間歇性和不穩定性的特點，為保證供暖空調的可靠性與穩定性，熱泵技術是可再生能源用于供暖空調的理想途徑。應用較廣泛的熱泵方式包括空氣源熱泵、地源熱泵，本文根據熱泵研究及應用現狀，分析了其所存在的問題，并針對這些問題提出了解決方案。

1 空氣作為熱源的熱泵供暖空調系統研究及應用現狀

空氣源熱泵在我國暖通空調中應用十分廣泛，目前我國是空氣源熱泵應用最廣泛的區域之一。空氣源熱泵存在以下問題：

1)隨著室外溫度的降低，空氣源熱泵制熱性能變差，制熱量下降，而建筑熱負荷增加，因此在系統設計時，需考慮系統的節能性與經濟性，確定合理的平衡點溫度。

2)空氣源熱泵在低溫下排氣溫度升高，致熱泵不能運行或可靠性降低。對于空氣—空氣熱泵來說出風溫度低，融霜時室內溫度降低，影響室內舒適性。

近年來各國學者對提高空氣源熱泵的低溫適用性做了大量工作，主要集中在設備性能提升和系統集成方面，設備性能提升包括改進制冷循環部件性能(如采用變頻壓縮機，增加室外換熱器面積、改進換熱器結構[8.9]等)、制冷循環的優化設計與控制(如采用經濟器的制冷循環等)[10,11]、采用新型制冷劑(如共沸制冷劑)[12]及改進融霜技術(蓄熱融霜技術、熱氣旁通融霜技術等)[13]等。

此外，許多學者通過系統集成方式“揚長避短”利用空氣熱源。馬最良教授提出了雙級耦合熱泵系統并進行了研究[14]，系統通過降低供水溫度，使壓縮機的排氣溫度、壓縮比等降低，使機組在低溫下長期、安全、可靠運行。

一些學者還提出了利用太陽能作為輔助熱源的復合系統。根據太陽能的利用方式，系統分為以下三類：

a.太陽能作為獨立熱源輔助空氣源熱泵供暖系統[15]，白天室外溫度較高時運行空氣源熱泵供暖，集熱器對水箱蓄熱。夜間室外溫度較低時，利用蓄存的熱量輔助或單獨供暖。空氣源熱泵設計容量大，大部分時間處于部分負荷，效率低。集熱器平均溫度較高，效率低，集熱面積大，系統初投資增加。

b.帶有水冷式蒸發器的雙熱源熱泵系統，系統根據氣象參數的變化，在兩個蒸發器之間切換。系統沒有解決太陽能與空氣源熱泵同時出現最不利工況的問題，沒有實現能源的優勢互補，空氣源熱泵的設計容量較大。

c.三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統[17]，采用三套管相變蓄能換熱器取代蓄熱水箱及水冷式換熱器，簡化了系統，降低了初投資，通過制冷循環的改變在夏季可根據電價峰谷差實現夜間蓄冷等。

2 地源熱泵供暖空調系統研究及應用現狀

地源熱泵系統采用淺層地表土壤作為熱泵的熱源和熱匯。地源熱泵系統存在以下問題：

1)地下換熱系統初投資較常規單一供暖方式相對較高。

2)土壤是熱容量較大的蓄能體，地源熱泵的應用須保證換熱系統周圍土壤溫度場的熱平衡。對于抽取地下水作為冷(熱)源的地源熱泵系統，要確保良好的回灌效果。

3)土壤作為冷熱源時傳熱特性是不穩定的傳熱過程，存在累積效應，因此，合理的設計與運行控制對節能性和經濟性至關重要。

為保證地源熱泵換熱系統周圍土壤的熱平衡，主要有三類解決措施：

1)增加埋管數量和埋管間距，擴大換熱系統取熱范圍，該方法不能解決地源熱泵長期穩定運行的問題，由于工程中地下換熱系統安裝面積通常有限，初投資相對較高。

2)增加輔助熱源輔助供熱，減少從土壤中的取熱，工程中通常采用鍋爐補熱的地源熱泵系統[18,19]，該系統保證了土壤熱平衡，系統可靠性提高，缺點是節能性差，輔助熱源的容量較大，其初投資大。

3)通過太陽能季節性蓄熱保證地源熱泵土壤換熱器周圍土壤的熱平衡[20]，該系統不僅實現了地源熱泵的熱平衡，還克服了太陽能系統間歇性和穩定性的缺點，系統運行性能高，節能性好，但系統成本較高。

3 熱泵供暖空調系統應用方式的探討

在供暖空調領域，“高”溫供冷、“低”溫供熱成為提高供暖空調系統性能的一大趨勢，熱泵是實現該方式的有效途徑。

3.1 建筑供暖空調能量需求與自然能源時間分布特性

建筑負荷由環境參數變化引起，供暖空調時，空氣熱源與建筑所需的能量品位差為負值，若采用環境空氣作為熱源須借助熱泵系統。空氣源熱泵在供暖初期和末期空氣溫度高于平衡溫度時制熱能力過剩，在部分負荷下運行。在供暖中期環境溫度低于平衡溫度時，空氣源熱泵制熱性能較差或難以運行，難以滿足供暖需求。由圖1可知，在空氣源熱泵性能差或難以運行溫度下的熱負荷總量占總負荷很小的比例，大部分熱負荷分布在空氣源熱泵運行性能較好的溫度范圍內，因此，若能解決好占總負荷較小比例的溫度段，就可發揮空氣源熱泵的優勢。

由圖2可知，土壤熱源輸出能量品位與建筑所需的能量品位差夏季存在正值，意味著可利用土壤熱源直接供冷。根據取熱和排熱的大小，寒冷地區為“累積取熱型”，寒冷地區由于取熱大于排熱，致土壤溫度逐年降低，運行性能及可靠性下降。

綜上所述，如何利用土壤受環境參數影響小的特點，消除地源熱泵熱量累積效應，是確保地源熱泵長期高效運行的關鍵。

3.2 熱泵供暖空調系統應用方法

針對空氣源熱泵和地源熱泵存在的問題，基于可再生能源利用的“用”“蓄”“補”思想，本文認為空氣源熱泵和地源熱泵應用時應考慮以下幾點：

1)“熱泵直接高效應用”，即熱泵系統在設計及運行時，應考慮熱源供能特性，對于隨著時間變化較大的熱源，如環境空氣熱源，當熱泵運行參數較佳時，優先直接利用該熱源進行供暖空調。對于像土壤熱源基本不受時間影響，具有熱量累積效應的熱源，應考慮在其他熱源運行性能較差時(如供暖、供冷中期)運行，提高系統在全年內的總體運行性能。

2)“熱泵系統蓄能利用”，可分為跨季節和短期的蓄冷(熱)。對于空氣源熱泵應用來說，為了充分利用其在環境溫度較高時性能較好的特點，提高空氣源熱泵利用率及在環境溫度較低時空氣源熱泵運行性能系數，減小空氣源熱泵的設計容量，可考慮將供暖期室外溫度較高時空氣源熱泵制備的多余的熱量蓄存起來，用于室外環境溫度較低時輔助供暖，也可以將夏季空調的冷凝熱、太陽能蓄存起來用于供暖期在室外環境空氣溫度較低時輔助供暖；對于地源熱泵應用來說，季節性蓄能是解決由于熱量累積效應帶來的全年取熱排熱不平衡問題的有效途徑，對于冬季取熱大于排熱的北方地區，可以采用太陽能季節性蓄熱，除此之外也可以考慮季節性蓄存非供暖期環境空氣中的熱量。

3)“不同熱源熱泵系統之間的互補利用”，不同熱源的全年能量輸出特性不同，因此，為了提高系統全年供暖空調性能，可考慮充分發揮不同熱源各自的優點，取長補短。如在室外環境參數較佳時，優先運行空氣源熱泵，當空氣源熱泵性能較差時運行地源熱泵，這樣既可以發揮空氣源熱泵的運行性能，亦可以減少地源熱泵的累積取(排)熱量，有效緩解地源熱泵應用時存在的取熱和排熱不平衡問題。除了空氣熱源與土壤熱源可以互相實現互補利用外，二者也可以與太陽能進行互補利用，太陽能可以有效緩解空氣源熱泵的低溫制熱性能差的問題及北方寒冷地區地源熱泵應用存在的取熱大于排熱問題，而空氣源熱泵和地源熱泵解決了太陽能供能存在間歇性和不穩定性的問題。

以上是在考慮建筑用能品位、負荷特性及熱源供能特性基礎上提出的，簡稱熱泵供暖空調系統的“用”“蓄”“補”思想。

4 熱泵供暖空調應用解決方案舉例

下面針對空氣源熱泵及地源熱泵存在的問題，基于熱泵供暖空調的“用”“蓄”“補”思想，構思新型的熱泵供暖空調系統解決方案。

4.1 空氣源熱泵應用解決方案

針對空氣源熱泵存在低溫制熱性能差或無法運行的問題，提出如下解決方案。

圖3為帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調系統示意圖，系統可將供暖初期空氣源熱泵多余的制熱量蓄存在蓄熱裝置中，環境溫度較低時，利用蓄存的熱量輔助供暖。系統考慮了空氣熱源的供能特性，利用了空氣源熱泵在環境溫度較高時性能較好的特點，提高了熱泵的利用率，減少了熱泵的設計容量，一般情況下系統在環境溫度較低時累積供熱量比例較小(如圖1所示)，且蓄存時間較短，因此蓄熱裝置容量不致太大，系統在夏季空調時可用于夜間蓄冷。系統的設置與運行體現了“用”和“蓄”的思想。圖4為季節性蓄熱輔助空氣源熱泵供暖空調系統示意圖，與圖3所示帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調系統所不同的是該系統采用回收夏季空調冷凝熱或全年太陽能來輔助空氣源熱泵供暖，而在圖3所示帶有蓄熱(冷)裝置的空氣源熱泵供暖空調系統中供暖所需的熱量均來自供暖期。雖然季節性蓄存熱量效率相對較低，但是所蓄的熱量為空調冷凝熱或者是太陽能熱水系統里面過剩的太陽熱。與圖2～圖4所示系統相同，該系統的構成也是主要基于“用”和“蓄”的思想，若利用冬季太陽能直接供暖則“補”的思想也被體現。

4.2 地源熱泵應用解決方案

針對地源熱泵系統在寒冷地區土壤取熱大于排熱的問題，提出如下解決方案。

圖5為太陽能季節性蓄熱地源熱泵供暖空調系統示意圖，系統將非供暖期集熱器收集的太陽能蓄存到土壤中，在供暖期直接利用集熱器收集的太陽能供暖，方案通過“蓄”和“補”的思想實現了換熱器周圍土壤吸放熱平衡，保證了系統持續高效運行。

由于淺層土壤溫度場的能量品位較低，為保證埋管周圍土壤熱平衡，除利用太陽能季節性蓄熱外，還可蓄存非供暖期空氣熱能，圖6為季節性蓄存空氣熱能地源熱泵系統示意圖，系統在地源熱泵系統基礎上增加了新型高效空氣源熱水機組，可將非供暖期的空氣熱量蓄存至土壤中，增加土壤的吸熱量，在供暖期環境溫度相對較高時，利用空氣熱源熱水機組供暖，減少地源熱泵土壤取熱量。系統體現了熱泵系統供暖空調“用”“蓄”“補”的思想。

5 結語

本文根據熱泵研究成果和存在的問題，通過分析環境空氣熱源與淺層土壤的能量品位與建筑供暖空調所需能量品位之間的關系，得出了指導空氣源熱泵與地源熱泵應用的“用”“蓄”“補”指導思想，基于該思想提出了應用地源熱泵和空氣源熱泵的解決方案，以期為工程實踐提供一定的理論指導。

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Discussion on the main problems and solutions of heat pump in the applications of heating and air conditioning in cold area★

Han Zongwei1Yin Qiming1Zhang Yanhong2Reziwang·Kanji2

(1.CollegeofMaterialandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2.XinjiangSolarEnergyScientific&TechnicalDevelopmentCo.,Ltd,Urumqi830011,China)

The paper analyzed the present application problems of the conventional heat pump system in the north cold area, the research progress about these problems was summarized, on this basis, the thoughts of constructing about heat pump system in cold area were proposed, and several solutions of heat pump system were proposed on the basis of this thought, in order to provide certain reference for the heat pump technology application in the future.

heat pump technology, renewable energy sources, cold area, the idea of constructing, solution

1009-6825(2015)18-0123-03

2015-04-17★：國家科技支撐計劃項目(項目編號：2012BAA13B00)

韓宗偉(1980- )，男，碩士生導師，副教授； 陰啟明(1989- )，男，在讀碩士； 張艷紅(1976- )，女，副研究員； 熱孜望·坎吉(1963- )，女，研究員

TU831

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