空氣—地源雙源熱泵的研究現狀與展望

初詩凝

（沈陽建筑大學）

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移到高位熱源的節能裝置，將不能直接利用的土壤、水和空氣中所含的太陽能與熱能，轉換為可以直接利用的高品位熱能[1]。熱泵技術以其高效、環保等特點成為建筑物供冷、供熱最為廣泛的應用方式，也是暖通空調領域內實現建筑節能的重要途徑。

單一熱源熱泵在應用中各自存在缺陷：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，無法滿足室內供冷供熱的需求，且在嚴寒地區冬季空氣溫度較低，室外蒸發器越容易發生結霜的問題[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，導致系統制冷制熱量在運行期間不穩定[3]；水源熱泵需要大量穩定的地下水資源，水泵功耗高，且地下水回灌技術不夠成熟，導致資源浪費和地表下沉[4]。此外，實踐表明，通過增加地埋管數量和埋管間距、利用高品位熱源和耦合太陽能集熱器等方法都難以滿足工程的實際需要，所以尋找可靠性強、經濟性好、能效高的技術方案具有重要意義。

2 空氣—地源雙源熱泵的分類

根據目前國內外關于空氣源—地源雙源熱泵特點的研究，常見的系統形式按照蒸發器數目可分為雙蒸發器型、復合蒸發器型；按照壓縮機的數目可分為單級壓縮、雙級壓縮、多級壓縮；按連接方式可分為串聯式、并聯式。針對應用場景和出現的弊端，眾多學者進行了大量研究，使機組的穩定性、制熱性能和COP等都有了很大的提高。主要包括幾個方面。

1）雙蒸發器型

雙蒸發器型是目前最常見的雙源熱泵系統，蒸發器由兩個介質換熱器組合而成（見圖1），復合熱源分別為空氣和淺層地能，工質可以通過兩種不同形式的蒸發器，分別與兩種熱源的熱媒進行獨立的熱交換。其工作原理為：將空氣源熱泵系統和水地源熱泵系統進行結合，并共用系統的冷凝器、壓縮機和蒸發器，將空氣源與地源結合在一起，根據冬夏季不同工況切換兩種熱泵的使用模式。

圖1 雙蒸發器型雙源熱泵原理圖

在設備開發方面，近年來研究者們提出了諸多方案。雙蒸發器型的雙源熱泵通過耦合空氣源換熱器，利用跨季節土壤蓄熱實現夏熱冬用。清華大學游田等人在常規地源熱泵系統的基礎上耦合熱管/空氣源補熱器，根據熱源品位切換非供暖季土壤補熱、供暖初末期直接供熱、非供暖季制備生活熱水三種運行模式，解決了土壤源熱泵在北方地區由于土壤熱不平衡引起的運行可靠性差的問題。李炳田等人在此基礎上，模擬驗證了基于分離式熱管和蒸汽壓縮式熱泵的復合補熱地源熱泵系統，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，還具有很好的節能效果。對復合蒸發器系統的性能提升，清華大學李先庭等人的專利“熱泵空調系統”，通過并聯多個復合蒸發器系統的熱泵機組，在部分空調機組需要除霜時利用連通回路內循環的高溫換熱介質作為反向除霜熱源，且在部分空調機組制冷劑回路發生故障時，利用連通回路內循環的高溫換熱介質向室內繼續放熱。

雙蒸發器型雙源熱泵的實際應用性需要進行測試分析，進一步分析其在各個地區的推廣適用性。高朋等人測試了空氣源輔熱的雙源熱泵對土壤熱不平衡率的影響，得出當空氣源輔熱采用“過渡季節補熱、供暖季優先”運行策略時，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，對比分析了土壤源熱泵單獨運行和雙源熱泵運行時供回水溫度、換熱量和性能系數以及能耗的差異。丁偉翔等人測算出雙源熱泵全年EER（系統能效系數）為傳統空氣源熱泵+燃氣鍋爐方案的兩倍之多。以上案例均顯現出通過不同的運行策略，雙源熱泵系統在不同地區的應用前景。

空氣源和地源兩種能源間的負荷分擔比對雙源熱泵的經濟性產生了影響。唐天躋等人對此進行了模擬分析，得出各臺機組在不同的室內外溫度下對應固定COP值時，若地源熱泵承擔20%熱負荷，空氣源熱泵承擔80%熱負荷；當地源熱泵承擔100%冷負荷的情況下，經濟性最優。然而該模擬在設置運行模式時，沒有將空氣源熱泵單獨承擔100%冷負荷參與比較，無法得出雙源熱泵在實際應用中比單一地源熱泵更強的經濟性。李志茹等人從運行方式的角度進行分析，間歇運行模式下的初投資要低于連續運行，且二者均高于單一模式運行，但從全年系統運行費用來看，投資回報期約為6a～8a，長遠看仍具有一定的經濟優勢。

雙蒸發器的復合熱泵系統通過水（地）源換熱器與空氣源（風冷）換熱器耦合的方式來提高系統性能，但采用不同連接形式（串聯或者并聯）必然會導致雙源熱泵系統的制熱性能發生變化。付文軒等人曾對太陽能—空氣源雙源熱泵系統的連接方式進行研究。從能耗來看，并聯式能耗明顯下降；從經濟性來看，并聯式系統需要增加一臺壓縮機，會使初期投資略大于串聯式系統；從設備生命周期來看，雙蒸發器并聯連接的復合熱泵系統更具有經濟性。然而，目前在空氣源—水源雙源熱泵領域，兩種熱源連接方式對系統性能的影響，在研究中還未涉及。

2）復合蒸發器型

復合蒸發器熱泵系統（見圖2）用一個三介質換熱器替代兩個單獨的換熱器，既能實現單一熱源換熱，也可以實現空氣和水兩種非同態熱源與制冷劑兩兩同步換熱。復合熱源熱泵系統蒸發器的核心設備是三介質復合式換熱器，復合熱源大多為太陽能、淺層地能、廢熱和空氣，其中制冷劑可以通過三介質復合式蒸發器，同步或交替與兩種熱源進行熱交換。工作時，將地下埋管換熱器中的熱媒水送至空氣—地源雙熱源復合換熱器，同時開啟復合換熱器水側的閥門和空氣側風機的開關，形成空氣—地源雙熱源復合供熱，通過進入的水提高熱泵系統的制熱量。

圖2 復合蒸發器型雙源熱泵原理圖

2004年Saad等人首次提出了三介質復合換熱的概念，并采用雙盤管式蒸發器，利用內外兩個套管使熱水通過內管流動，空氣在外管流動，制冷劑在內管和外管之間的環形空間流動，實現了復合蒸發器系統對熱水和空氣能熱源的同時利用[2]。該裝置作為三介質復合換熱器的雛形，被國內外研究者們進行了充分的優化和改良。西安建筑科技大學劉寅等人[3]提出并設計了一種雙熱源復合換熱器，該換熱器具有三個介質通道分別為內管管腔、內管外壁與外管內壁之間、翅片與外管外表面，其中內管管腔為制冷劑通道，內外管之間為熱泵工質通道，翅片與外管外表面之間為空氣流通通道。

影響翅片管三介質換熱器效率的結構因素繁多且關系復雜，包括內外管徑、內外管間距、管壁厚度、套管總長度、翅片間距、翅片厚度、翅片高度等，而目前結構參數的分析較為片面，且多集中于單一參數分析，缺少多參數間的定量分析和優化。東南大學方雷[4]等人分析翅片管的結構參數對復合蒸發器的影響，發現翅片間距、銅管內徑和翅片高度對集熱效率影響最大。

復合換熱器型雙源熱泵系統的性能分析，可以從土壤熱平衡性、系統COP、經濟性等方面研究。山東建筑大學張兵兵[1]等人提出以土壤熱平衡為基準，綜合考慮土壤熱不平衡和空氣源熱泵的運行特性，確定了復合換熱器中兩種熱源最佳復合溫度的方法，證明了空氣—土壤源雙熱源熱泵比單一的土壤源熱泵系統運行更穩定且COP更高，能夠實現整個系統的長期高效運行。周光輝等人從系統COP的角度，得到該系統可解決低溫環境下單一空氣源熱泵制熱量不足、能效比顯著下降的結論。但是，該測試僅從提升空氣源熱泵性能的角度分析，沒有針對單一地（水）源模式進行數據采集，無法綜合得出系統優越性的結論。徐駿芳等人的實驗顯示，蒸發器進風溫度和進水溫度的有效溫差是空氣—水雙熱源模式中制熱的關鍵因素，但是并沒有給出最佳有效溫差控制范圍。對此，陳圣潔通過結合室外空氣溫度、室外空氣流量、水側溫度和水側流量，提供了不同條件下，計算復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。

對復合換熱器型的雙源熱泵而言，仍存在需要解決和討論的問題，如溫差較大的兩種熱源混合引起的熵產、結構復雜造價偏高、維護管理成本偏大等問題。復合式換熱器的兩種介質處于同一蒸發溫度，在低溫環境下，空氣介質通道蒸發能力減弱，不僅無法吸收空氣中的熱量，甚至會惡化水介質通道的蒸發吸熱，所以復合式換熱器形式的雙源熱泵不適合嚴寒地區。

3）雙級壓縮系統

和常見的單級壓縮雙源熱泵系統形式相比，通過將空氣源熱泵技術中常用的兩級壓縮技術應用于雙源熱泵中，既可以解決空氣源熱泵運行效率問題，也可以提升雙源熱泵的壓縮效率。基于“能量對口，梯級利用”的原則，雙級壓縮雙源熱泵系統在原有的基礎上增加了一臺高壓壓縮機，可以將不同熱源輸入溫度相當的蒸發器中。

2015年，鐘曉輝等人提出了低溫空氣源地源雙源熱泵機組及其控制方法(見圖3)，采用雙級壓縮的形式，解決雙源熱泵空氣源部分冬季供熱運行效率低下、運行可靠性和穩定性差等技術難題，達到提高機組能效比和運行可靠性的目的。然而，相比通過制定合理的運行策略調節空氣源側運行效率的方法，雙級壓縮的方法在經濟性上存在劣勢，其實際運行效果仍需要進一步分析論證。

圖3 雙級壓縮雙源熱泵機組原理圖

3 展望

耦合熱源熱泵技術可實現對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際應用中的不足，并顯示出其在節能方面的優勢，具有巨大的市場潛力。此外，隨著技術進步，雙源熱泵的產品和功能也將趨向多樣化，對機組的可靠性和經濟性也會提出更高要求。但目前由于復合熱源熱泵系統較為復雜，運行控制要求較高，并且初期投資較高，回收周期長，一定程度上阻礙了該技術的推廣應用。因此，除了研究工作者從技術角度進行更深入廣泛的研究，優化其系統構件匹配外，還需要國家制定配套激勵政策，推動這一節能環保技術的應用。

3.1 相變儲能與雙源熱泵技術的結合

相變儲能技術是提高能源利用效率的重要技術，能夠解決熱能供給與需求失配的矛盾。相變儲能系統可以為機組與供暖用戶之間起到緩沖的作用，降低機組啟停頻率，并通過儲熱消除個別寒冷天氣供熱不足的現象。

3.2 利用太陽能幕墻空腔熱風作為空氣源

太陽光照射光伏板產熱，加熱幕墻與外墻間的空氣。通過設置風管連接空腔與空氣源熱泵，以循環風機為驅動力，形成空氣源回路。冬季，空氣源熱泵的熱源是雙熱源熱泵機組的主要熱源，可以為建筑供熱。