严寒地区热泵供暖空调系统主要问题及解决方案★

韩宗伟 阴启明 张艳红 热孜望·坎吉

(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)



·水·暖·电·

严寒地区热泵供暖空调系统主要问题及解决方案★

韩宗伟1阴启明1张艳红2热孜望·坎吉2

(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)

分析了目前常规热泵系统在北方寒冷地区应用时存在的问题，综述了针对这些问题的研究工作进展情况，在此基础上总结提出了寒冷地区热泵系统的构建思想，并据此思想提出了几个热泵系统解决方案，以期为今后热泵技术应用提供一定参考。

热泵技术，可再生能源，寒冷地区，构建思想，解决方案

0 引言

我国建筑能耗增长迅速，据统计，我国1996年建筑用商品总能耗为2.59亿tce，2008年该值达到6.55亿tce。建筑能耗占社会总能耗的27%左右，供暖、空调能耗占建筑总能耗的55%。我国供暖空调的能源主要是矿物能源，利用高品位能量去满足低品位需求的方式难以适应可持续发展的要求。“高品位能源梯级利用”和“利用可再生能源”是暖通空调科学发展观的重要体现。

可再生能源是低品位能源，有间歇性和不稳定性的特点，为保证供暖空调的可靠性与稳定性，热泵技术是可再生能源用于供暖空调的理想途径。应用较广泛的热泵方式包括空气源热泵、地源热泵，本文根据热泵研究及应用现状，分析了其所存在的问题，并针对这些问题提出了解决方案。

1 空气作为热源的热泵供暖空调系统研究及应用现状

空气源热泵在我国暖通空调中应用十分广泛，目前我国是空气源热泵应用最广泛的区域之一。空气源热泵存在以下问题：

1)随着室外温度的降低，空气源热泵制热性能变差，制热量下降，而建筑热负荷增加，因此在系统设计时，需考虑系统的节能性与经济性，确定合理的平衡点温度。

2)空气源热泵在低温下排气温度升高，致热泵不能运行或可靠性降低。对于空气—空气热泵来说出风温度低，融霜时室内温度降低，影响室内舒适性。

近年来各国学者对提高空气源热泵的低温适用性做了大量工作，主要集中在设备性能提升和系统集成方面，设备性能提升包括改进制冷循环部件性能(如采用变频压缩机，增加室外换热器面积、改进换热器结构[8.9]等)、制冷循环的优化设计与控制(如采用经济器的制冷循环等)[10,11]、采用新型制冷剂(如共沸制冷剂)[12]及改进融霜技术(蓄热融霜技术、热气旁通融霜技术等)[13]等。

此外，许多学者通过系统集成方式“扬长避短”利用空气热源。马最良教授提出了双级耦合热泵系统并进行了研究[14]，系统通过降低供水温度，使压缩机的排气温度、压缩比等降低，使机组在低温下长期、安全、可靠运行。

一些学者还提出了利用太阳能作为辅助热源的复合系统。根据太阳能的利用方式，系统分为以下三类：

a.太阳能作为独立热源辅助空气源热泵供暖系统[15]，白天室外温度较高时运行空气源热泵供暖，集热器对水箱蓄热。夜间室外温度较低时，利用蓄存的热量辅助或单独供暖。空气源热泵设计容量大，大部分时间处于部分负荷，效率低。集热器平均温度较高，效率低，集热面积大，系统初投资增加。

b.带有水冷式蒸发器的双热源热泵系统，系统根据气象参数的变化，在两个蒸发器之间切换。系统没有解决太阳能与空气源热泵同时出现最不利工况的问题，没有实现能源的优势互补，空气源热泵的设计容量较大。

c.三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统[17]，采用三套管相变蓄能换热器取代蓄热水箱及水冷式换热器，简化了系统，降低了初投资，通过制冷循环的改变在夏季可根据电价峰谷差实现夜间蓄冷等。

2 地源热泵供暖空调系统研究及应用现状

地源热泵系统采用浅层地表土壤作为热泵的热源和热汇。地源热泵系统存在以下问题：

1)地下换热系统初投资较常规单一供暖方式相对较高。

2)土壤是热容量较大的蓄能体，地源热泵的应用须保证换热系统周围土壤温度场的热平衡。对于抽取地下水作为冷(热)源的地源热泵系统，要确保良好的回灌效果。

3)土壤作为冷热源时传热特性是不稳定的传热过程，存在累积效应，因此，合理的设计与运行控制对节能性和经济性至关重要。

为保证地源热泵换热系统周围土壤的热平衡，主要有三类解决措施：

1)增加埋管数量和埋管间距，扩大换热系统取热范围，该方法不能解决地源热泵长期稳定运行的问题，由于工程中地下换热系统安装面积通常有限，初投资相对较高。

2)增加辅助热源辅助供热，减少从土壤中的取热，工程中通常采用锅炉补热的地源热泵系统[18,19]，该系统保证了土壤热平衡，系统可靠性提高，缺点是节能性差，辅助热源的容量较大，其初投资大。

3)通过太阳能季节性蓄热保证地源热泵土壤换热器周围土壤的热平衡[20]，该系统不仅实现了地源热泵的热平衡，还克服了太阳能系统间歇性和稳定性的缺点，系统运行性能高，节能性好，但系统成本较高。

3 热泵供暖空调系统应用方式的探讨

在供暖空调领域，“高”温供冷、“低”温供热成为提高供暖空调系统性能的一大趋势，热泵是实现该方式的有效途径。

3.1 建筑供暖空调能量需求与自然能源时间分布特性

建筑负荷由环境参数变化引起，供暖空调时，空气热源与建筑所需的能量品位差为负值，若采用环境空气作为热源须借助热泵系统。空气源热泵在供暖初期和末期空气温度高于平衡温度时制热能力过剩，在部分负荷下运行。在供暖中期环境温度低于平衡温度时，空气源热泵制热性能较差或难以运行，难以满足供暖需求。由图1可知，在空气源热泵性能差或难以运行温度下的热负荷总量占总负荷很小的比例，大部分热负荷分布在空气源热泵运行性能较好的温度范围内，因此，若能解决好占总负荷较小比例的温度段，就可发挥空气源热泵的优势。

由图2可知，土壤热源输出能量品位与建筑所需的能量品位差夏季存在正值，意味着可利用土壤热源直接供冷。根据取热和排热的大小，寒冷地区为“累积取热型”，寒冷地区由于取热大于排热，致土壤温度逐年降低，运行性能及可靠性下降。

综上所述，如何利用土壤受环境参数影响小的特点，消除地源热泵热量累积效应，是确保地源热泵长期高效运行的关键。

3.2 热泵供暖空调系统应用方法

针对空气源热泵和地源热泵存在的问题，基于可再生能源利用的“用”“蓄”“补”思想，本文认为空气源热泵和地源热泵应用时应考虑以下几点：

1)“热泵直接高效应用”，即热泵系统在设计及运行时，应考虑热源供能特性，对于随着时间变化较大的热源，如环境空气热源，当热泵运行参数较佳时，优先直接利用该热源进行供暖空调。对于像土壤热源基本不受时间影响，具有热量累积效应的热源，应考虑在其他热源运行性能较差时(如供暖、供冷中期)运行，提高系统在全年内的总体运行性能。

2)“热泵系统蓄能利用”，可分为跨季节和短期的蓄冷(热)。对于空气源热泵应用来说，为了充分利用其在环境温度较高时性能较好的特点，提高空气源热泵利用率及在环境温度较低时空气源热泵运行性能系数，减小空气源热泵的设计容量，可考虑将供暖期室外温度较高时空气源热泵制备的多余的热量蓄存起来，用于室外环境温度较低时辅助供暖，也可以将夏季空调的冷凝热、太阳能蓄存起来用于供暖期在室外环境空气温度较低时辅助供暖；对于地源热泵应用来说，季节性蓄能是解决由于热量累积效应带来的全年取热排热不平衡问题的有效途径，对于冬季取热大于排热的北方地区，可以采用太阳能季节性蓄热，除此之外也可以考虑季节性蓄存非供暖期环境空气中的热量。

3)“不同热源热泵系统之间的互补利用”，不同热源的全年能量输出特性不同，因此，为了提高系统全年供暖空调性能，可考虑充分发挥不同热源各自的优点，取长补短。如在室外环境参数较佳时，优先运行空气源热泵，当空气源热泵性能较差时运行地源热泵，这样既可以发挥空气源热泵的运行性能，亦可以减少地源热泵的累积取(排)热量，有效缓解地源热泵应用时存在的取热和排热不平衡问题。除了空气热源与土壤热源可以互相实现互补利用外，二者也可以与太阳能进行互补利用，太阳能可以有效缓解空气源热泵的低温制热性能差的问题及北方寒冷地区地源热泵应用存在的取热大于排热问题，而空气源热泵和地源热泵解决了太阳能供能存在间歇性和不稳定性的问题。

以上是在考虑建筑用能品位、负荷特性及热源供能特性基础上提出的，简称热泵供暖空调系统的“用”“蓄”“补”思想。

4 热泵供暖空调应用解决方案举例

下面针对空气源热泵及地源热泵存在的问题，基于热泵供暖空调的“用”“蓄”“补”思想，构思新型的热泵供暖空调系统解决方案。

4.1 空气源热泵应用解决方案

针对空气源热泵存在低温制热性能差或无法运行的问题，提出如下解决方案。

图3为带有蓄热(冷)装置的空气源热泵供暖空调系统示意图，系统可将供暖初期空气源热泵多余的制热量蓄存在蓄热装置中，环境温度较低时，利用蓄存的热量辅助供暖。系统考虑了空气热源的供能特性，利用了空气源热泵在环境温度较高时性能较好的特点，提高了热泵的利用率，减少了热泵的设计容量，一般情况下系统在环境温度较低时累积供热量比例较小(如图1所示)，且蓄存时间较短，因此蓄热装置容量不致太大，系统在夏季空调时可用于夜间蓄冷。系统的设置与运行体现了“用”和“蓄”的思想。图4为季节性蓄热辅助空气源热泵供暖空调系统示意图，与图3所示带有蓄热(冷)装置的空气源热泵供暖空调系统所不同的是该系统采用回收夏季空调冷凝热或全年太阳能来辅助空气源热泵供暖，而在图3所示带有蓄热(冷)装置的空气源热泵供暖空调系统中供暖所需的热量均来自供暖期。虽然季节性蓄存热量效率相对较低，但是所蓄的热量为空调冷凝热或者是太阳能热水系统里面过剩的太阳热。与图2～图4所示系统相同，该系统的构成也是主要基于“用”和“蓄”的思想，若利用冬季太阳能直接供暖则“补”的思想也被体现。

4.2 地源热泵应用解决方案

针对地源热泵系统在寒冷地区土壤取热大于排热的问题，提出如下解决方案。

图5为太阳能季节性蓄热地源热泵供暖空调系统示意图，系统将非供暖期集热器收集的太阳能蓄存到土壤中，在供暖期直接利用集热器收集的太阳能供暖，方案通过“蓄”和“补”的思想实现了换热器周围土壤吸放热平衡，保证了系统持续高效运行。

由于浅层土壤温度场的能量品位较低，为保证埋管周围土壤热平衡，除利用太阳能季节性蓄热外，还可蓄存非供暖期空气热能，图6为季节性蓄存空气热能地源热泵系统示意图，系统在地源热泵系统基础上增加了新型高效空气源热水机组，可将非供暖期的空气热量蓄存至土壤中，增加土壤的吸热量，在供暖期环境温度相对较高时，利用空气热源热水机组供暖，减少地源热泵土壤取热量。系统体现了热泵系统供暖空调“用”“蓄”“补”的思想。

5 结语

本文根据热泵研究成果和存在的问题，通过分析环境空气热源与浅层土壤的能量品位与建筑供暖空调所需能量品位之间的关系，得出了指导空气源热泵与地源热泵应用的“用”“蓄”“补”指导思想，基于该思想提出了应用地源热泵和空气源热泵的解决方案，以期为工程实践提供一定的理论指导。

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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★：国家科技支撑计划项目(项目编号：2012BAA13B00)

韩宗伟(1980- )，男，硕士生导师，副教授； 阴启明(1989- )，男，在读硕士； 张艳红(1976- )，女，副研究员； 热孜望·坎吉(1963- )，女，研究员

TU831

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