韓宗偉，孟欣，李衛(wèi)華，韓宇，王一茹，楊軍

(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(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

南方地區(qū)熱泵供暖空調系統(tǒng)的現(xiàn)狀與構建方式探討

韓宗偉*1，孟欣1，李衛(wèi)華2，韓宇2，王一茹1，楊軍1

(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(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

針對我國南方夏熱冬冷地區(qū)建筑空調的特點，指出了單一熱源的熱泵系統(tǒng)存在的問題，綜述了冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)、凍土蓄冷混合式熱泵系統(tǒng)以及能源塔熱泵系統(tǒng)等復合熱源系統(tǒng)的研究及應用情況?；旌鲜綗岜孟到y(tǒng)的性能較單一形式熱泵系統(tǒng)有所改善，但仍存在一些問題亟待解決。為進一步提高熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和可靠性，基于“用、補、蓄”的思想，本文提出一種季節(jié)性蓄存環(huán)境空氣冷能的混合熱泵系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了簡單的數(shù)值模擬，探討了其在夏熱冬冷地區(qū)應用的可行性。

混合式熱泵系統(tǒng)；凍土蓄冷；能源塔；季節(jié)性蓄冷

0 前言

能源緊張和環(huán)境破壞已成為制約人類發(fā)展和威脅人類生存的重大問題。目前,我國的“能耗大戶”主要為建筑、工業(yè)和交通，尤其是建筑能耗，已占總能耗的30%左右。城市民用建筑中，空調能耗占整個建筑能耗的50%～60%，尤其是我國的南方地區(qū)，夏季溫度高并且持續(xù)時間長，空調能耗較大。為了緩解能源短缺的矛盾，研究和探討南方地區(qū)高效的供暖空調系統(tǒng)意義重大[1]。

我國南方地區(qū)大多處于夏熱冬冷地區(qū)，這些地區(qū)冬季較長時間潮濕陰冷，該地區(qū)的空調能耗巨大，且隨著人們生活質量的提高，冬季供暖需求不斷增加。由于熱泵系統(tǒng)可充分利用自然界普遍存在的可再生能源，且可同時滿足冷、熱需求，因而在該地區(qū)得到了廣泛的應用。目前該地區(qū)應用的空調系統(tǒng)形式有空氣源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)[2]，以及近年來得到廣泛推廣的混合式熱泵系統(tǒng)和能源塔熱泵系統(tǒng)等。但受熱源自身特性的限制，這些系統(tǒng)在該地區(qū)應用存在一些問題，如空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季炎熱高溫空氣的影響下，冷卻散熱能效比較低，冬天制熱工況的室外機易因空氣濕度大而結霜；地源熱泵系統(tǒng)受到土壤源的限制，且長期運行存在土壤熱不平衡問題；能源塔熱泵系統(tǒng)易腐蝕板式換熱器而增加投資，且對循環(huán)防凍液的要求較高，其推廣也受到一定的限制。

為了提高熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和可靠性，需充分考慮建筑負荷特性以及可利用自然能源的具體特點，實現(xiàn)能源的即時高效利用（簡稱“用”原則）、蓄能利用（簡稱“蓄”原則）及互補利用（簡稱“補”）?；谏鲜鲈瓌t，本文在總結分析現(xiàn)有南方地區(qū)空調系統(tǒng)問題的基礎上，根據(jù)南方地區(qū)供暖空調系統(tǒng)的負荷特點與“用、蓄、補”的建立原則，探討適用于南方地區(qū)供暖空調可行的供暖空調方式。

1 單一熱源熱泵供暖系統(tǒng)應用研究

南方夏熱冬冷地區(qū)夏季炎熱持續(xù)時間長，且冬季陰冷，空調負荷較大。單一熱源的熱泵供暖系統(tǒng)應用較為廣泛的是空氣源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)及能源塔熱泵系統(tǒng)。

1.1 空氣源熱泵系統(tǒng)

以環(huán)境空氣作為自然冷源的熱泵系統(tǒng)，由于空氣容量大且可以付出較小的代價，方便的加以使用，因此，空氣源熱泵在南方地區(qū)使用時最容易構建，但由于冷源存在波動性和低溫性的特點，在南方地區(qū)的應用存在以下的問題：

1）環(huán)境空氣同時作為空氣源熱泵的冷源和建筑排熱的熱匯，導致空氣源熱泵的制冷性能和建筑冷負荷不匹配；南方地區(qū)夏季室外環(huán)境溫度比較高，空氣源熱泵的制冷性能變低，而此時建筑冷負荷增加，使得空氣源熱泵難以很好滿足建筑室內(nèi)冷負荷的要求[3]；

2）我國長江以南地區(qū)的相對濕度一般在75%以上，在低溫高濕的氣象條件下，空氣源熱泵的風冷蒸發(fā)器易結霜，阻塞空氣流通；頻繁融霜會導致熱泵不能正常工作，造成系統(tǒng)冬季供熱系數(shù)較低。

1.2 地源熱泵系統(tǒng)

與環(huán)境空氣熱源相比，淺層土壤熱源能量品位較高且比較穩(wěn)定，使得地源熱泵系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性較空氣源熱泵高，南方地區(qū)使用單一的地源熱泵存在以下問題：

1）我國南方地區(qū)，建筑內(nèi)夏季的冷負荷遠遠超過了冬季的熱負荷，如若采用地源熱泵冷暖聯(lián)供，夏季向土壤中排熱量遠大于冬季從土壤中的取熱量，打破了土壤的熱平衡；例如，對武漢和上海建筑進行研究表明：隨著系統(tǒng)運行時間的增長，地埋管換熱器周圍的土壤溫度將會進一步的上升，地源熱泵的性能系數(shù)(COP)不斷下降，導致熱泵性能的惡化[4-5]；

2）現(xiàn)有的地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌問題難以解決，造成許多地區(qū)地下水資源得到不同程度的破壞，有的地區(qū)甚至出現(xiàn)了地面的塌陷。

1.3 能源塔熱泵系統(tǒng)

能源塔（也稱熱源塔）熱泵是一種不受地區(qū)地質和自然環(huán)境的限制的一種新興的單一熱源熱泵系統(tǒng)，近年來被廣泛的應用于南方地區(qū)的大中型建筑中[6-9]。

根據(jù)工作介質與空氣的接觸方式，可分為開式能源塔和閉式能源塔系統(tǒng)。開式能源塔是由開式冷卻塔改造而來，塔中工作介質與空氣直接接觸進行熱質交換[10]。夏季與開式冷卻塔的工作過程相似，冬季與絕熱型除濕塔的工作過程類似。閉式能源塔是由閉式冷卻塔改造而來，塔中工作介質與空氣不直接接觸，是通過低溫寬帶換熱盤管進行間接熱質交換。閉式能源塔[11-12]的換熱過程包含了兩個循環(huán)，即工作介質循環(huán)和噴淋介質循環(huán)。工作介質走盤管內(nèi)，連續(xù)穩(wěn)定的采集冷源或者熱源；噴淋介質走盤管外，夏季為噴淋水，主要用來提高冷卻效果，冬季為噴淋防凍溶液，主要用來降低盤管表面冰點，防止?jié)窨諝庥隼湓诒P管表面結霜。

雖然能源塔熱泵系統(tǒng)具有較高的換熱效率，實現(xiàn)夏季熱量、過度季節(jié)冷量免費回收利用、高效節(jié)能。但系統(tǒng)對不凍液的要求較高，不凍液與熱泵蒸發(fā)器通過板式換熱器進行連接，易對板式換熱器進行腐蝕，且要求熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器能夠在較低溫度下高效率的工作。

除上述三種應用較為廣泛的單一熱源的供暖熱泵系統(tǒng)之外，蒸發(fā)冷卻技術在我國南方地區(qū)也得到廣泛的關注，理論上也開展了大量的研究[13-17]。根據(jù)南方夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件，間接蒸發(fā)冷卻與機械制冷結合、一級直接蒸發(fā)冷卻和兩級（DEC+IEC）蒸發(fā)冷卻三種制冷形式均能夠滿足負荷需求。通過對比可知，間接蒸發(fā)冷卻與機械制冷相結合的空調系統(tǒng)的送風溫度較低，送風量較小，初投資比單獨使用蒸發(fā)冷卻空調高，能效比卻要低于后者；一級直接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的結構簡單，安裝方便，易于維護，但送風溫度較高，風量和濕度較大；二級（DEC+IEC）蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的送風溫度、風量和濕度都比一級直接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)相對低，系統(tǒng)也較機械制冷簡單，易于安裝和維護。因此兩級蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)值得在南方夏熱冬冷地區(qū)廣泛的推廣[18]。

綜上所述，雖然單一熱源形式的熱泵系統(tǒng)能夠滿足建筑負荷的需求，但是存在一些問題亟待解決。針對這一情況，國內(nèi)外學者對南方地區(qū)負荷特性進行深入的研究，且實現(xiàn)自然冷源的高效利用，提出一系列復合熱源熱泵供暖系統(tǒng)[19-24]。

2 復合熱源熱泵供暖系統(tǒng)應用研究

目前工程上常用的混合熱源熱泵供暖系統(tǒng)多為冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)，按照地埋管換熱器與冷卻塔的連接方式可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式三種形式。此外，凍土蓄冷熱泵系統(tǒng)在南方地區(qū)也得到了廣泛的應用。

2.1 串聯(lián)式冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)

在串聯(lián)式冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)中，冷卻塔和埋管共同作為冷卻源供機組運行。經(jīng)過冷卻塔的冷凍水，進入冷凝器或地下?lián)Q熱器，降低了冷凝器的冷凝溫度，實現(xiàn)了埋管和冷凝器作為系統(tǒng)冷卻源的互補，從而提高了整個熱力系統(tǒng)的COP值[25]。隨著冷凝器進入水溫的降低，系統(tǒng)COP值迅速增加，遠高于單獨的地源熱泵系統(tǒng)。但該系統(tǒng)不能實現(xiàn)埋管或者冷卻塔單獨作為冷卻源的運行工況。

串聯(lián)式地埋管熱泵系統(tǒng)運行方式主要是先運行地埋管系統(tǒng)，在不能滿足負荷要求時在運行冷卻塔系統(tǒng)?？刂撇呗灾饕幸韵氯N。1）熱泵進口流體最高溫度控制：以埋管換熱為主，當通過埋管進入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）達到并超過設定溫度時，即開啟冷卻塔輔助散熱。2）溫差控制：當通過埋管進入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）與室外濕球溫度的差值超過設定溫度時，則開啟冷卻塔輔助散熱。3）控制冷卻塔開啟時間：例如每天20:00～24:00開冷卻塔，或固定每年某幾個月始終開啟冷卻塔[26]。Yavuzturk和Spltle[27]對冷卻塔-土壤源熱泵系統(tǒng)在上述三種運行控制策略下20年運行情況進行模擬計算，對各策略下系統(tǒng)的初投資及20年運行維護費用進行經(jīng)濟性和節(jié)能性比較，得出的結論是方案2優(yōu)于方案3，方案3優(yōu)于方案1。

2.2 并聯(lián)式冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)

并聯(lián)冷卻塔輔助散熱熱泵系統(tǒng)實際上就是由冷卻塔和地源熱泵系統(tǒng)所聯(lián)合組成的[28,29]。此系統(tǒng)中冷卻塔和埋管可作為獨立的冷卻源交替使用?？蓪崿F(xiàn)三種運行工況：1）地埋管作為單獨冷卻源供熱泵機組運行；2）冷卻塔作為單獨冷卻源供熱泵機組運行；3）地埋管和冷卻塔同時作為冷卻源供機組運行。

并聯(lián)式地埋管熱泵系統(tǒng)運行方式十分靈活，可以充分利用供冷初期和末期的室外環(huán)境空氣冷能，其控制策略主要有兩種：基于最高流體溫度控制和溫差控制，此時的控制冷卻塔開啟時間不能作為一種控制手段，這是因為冷卻塔無法實現(xiàn)將地下的熱量排放到大氣中。由于地埋管換熱器與冷卻塔兩者是并聯(lián)關系，二者之間的流量分配將直接影響了冷卻效果，控制起來比較復雜。

2.3 混聯(lián)式冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)

綜合考慮室外空氣冷源和土壤冷源特性的基礎上，結合串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式的優(yōu)點，專家學者提出了一種混聯(lián)式的冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以三種供冷運行工況：1）冷卻塔單獨作為熱泵機組冷卻源運行；2）地埋管換熱器單獨作為熱泵機組冷卻源運行；3）地埋管換熱器與冷卻塔串聯(lián)運行。

三種冷卻方式的運行控制可按如下方法進行：1）當室外環(huán)境溫度（濕球溫度）較低時，冷卻塔單獨作為熱泵機組冷卻源運行；2）當室外環(huán)境溫度（濕球溫度）較高，且地埋管出水溫度較低時，地埋管換熱器單獨作為熱泵機組冷卻源運行；3）當室外環(huán)境溫度（濕球溫度）較高且地埋管出水溫度也較高時，地埋管換熱器與冷卻塔串聯(lián)運行。

一般工程中較為常用的是開式冷卻塔加板式換熱器的方式實現(xiàn)輔助散熱，也可以用閉式冷卻塔代替。采用閉式冷卻塔的目的是保證地熱換熱器循環(huán)介質流量的相對穩(wěn)定[32-33]。

2.4 凍土蓄冷與冷卻塔輔助的混合式熱泵系統(tǒng)

除上述三種冷卻塔輔助散熱的混合式熱泵系統(tǒng)之外，凍土蓄冷與冷卻塔輔助的混合熱泵系統(tǒng)[34-36]相結合，減少純粹蓄冷空調系統(tǒng)的投資和占地面積，又能減少夏天空調對土壤的排熱量，也起到平衡冬夏土壤溫度場的作用。用夜晚廉價的電將白天土壤吸收的熱量轉移到空氣中，既減少系統(tǒng)平時的運行費用，又利于土壤源熱泵在穩(wěn)定的土壤溫度場下常年高效地運行。根據(jù)文獻[34]研究的結果，凍土蓄冷的特點，在一天里，其出水溫度是隨著時間的推移逐漸升高的，因而從土壤中獲取的冷量也隨之不斷減少，而建筑物的最大冷負荷一般是出現(xiàn)在空調供冷的下半段時間，這樣就會影響到土壤源熱泵的工作效率[37]。

雖然凍土蓄冷能緩解冬夏土壤溫度場的不平衡問題，但其工作原理仍然是利用高品位熱能來制造冷量，且只適用于夜晚不工作的辦公建筑中。

3 南方地區(qū)熱泵供暖能源利用的思考

3.1 南方地區(qū)熱泵供暖空調系統(tǒng)的構建原則

如前所述，單一的熱泵系統(tǒng)難以持續(xù)高效的滿足我國南方地區(qū)以建筑冷負荷為主的供暖空調的需求，為提高熱泵的適用性，須將可以利用的自然能源與現(xiàn)有的地源熱泵系統(tǒng)有機耦合，筆者認為，針對于建筑冷負荷為主的供暖空調系統(tǒng)的構建應秉承以下三條原則：

1）“即時直接利用原則”：當以某冷源構建的熱泵系統(tǒng)能夠高效滿足建筑負荷時優(yōu)先直接利用，如在供冷初期和末期，室外環(huán)境溫度較低，空氣冷源比較豐富，可以利用自然循環(huán)的方式優(yōu)先利用室外的空氣冷源直接對建筑進行供冷；

2）“能量轉移利用原則”：由于冷源與建筑冷負荷均客觀存在，消除兩者在時間上的不協(xié)同性，利用蓄能技術實現(xiàn)能量的轉移利用是節(jié)能減排的有效手段；

3）“冷源互補利用原則”：充分考慮到不同冷源如空氣冷源和土壤冷源的特性，實現(xiàn)取長補短、優(yōu)勢互補，最大限度的提高可再生能源利用率和功能保障性。

3.2 季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合式熱泵系統(tǒng)

基于上述三條原則，本文提出了一種季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合式熱泵系統(tǒng)。

圖1 季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合式熱泵供暖空調系統(tǒng)圖

季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合式熱泵供暖空調系統(tǒng)是在常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)基礎上增加新型空氣源冷水機組。如圖1所示。新型的空氣源冷水機組同時具有熱管自然循環(huán)制冷和空氣源熱泵制冷模式，因此該機組不僅可以用于非供冷期的室外空氣冷能蓄冷，在供冷期還可以利用風冷冷水機組輔助地源熱泵供冷，充分發(fā)揮風冷冷水機組的在供冷初期和末期室外溫度相對較低時制冷性能好的優(yōu)點，這樣還可以減少地源熱泵系統(tǒng)夏季的排熱量，進而可以降低非供冷期的蓄冷量。

該系統(tǒng)在全年的不同階段可以運行以下5種運行模式。

模式①：分離式熱管制備冷水進行土壤蓄冷模式，在非供冷期當室外溫度較低時，系統(tǒng)開啟循環(huán)泵和風機制備冷水對埋管周圍土壤進行蓄冷，考慮到供暖需要將地埋管分為供暖系列和蓄冷系列。

模式②：地源熱泵供冷模式，當室外溫度較高，風冷冷水機組性能較差，此時單獨運行地源熱泵進行供冷。

模式③：風冷冷水機組供冷模式，在供暖的初期和末期室外溫度相對較低時，可以運行該模式進行供冷。

模式④：風冷冷水機組與地源熱泵聯(lián)合供冷，當風冷冷水機組可以運行但是難以滿足供冷需求時，啟動地源熱泵聯(lián)合供冷。

模式⑤：地源熱泵供暖模式，該模式為該系統(tǒng)唯一的供暖模式。

系統(tǒng)在非供冷期，當室外溫度較低時，通過新型風冷冷水機組將環(huán)境空氣冷能在蓄熱系列埋管周圍土壤中，蓄冷模式運行采用溫差控制，即當埋管換熱器周圍平均土壤溫度與環(huán)境溫度差大于風冷冷水機組的運行控制溫度時，開啟；蒸發(fā)器進口流體溫度與環(huán)境空氣溫度差小于風冷冷水機組的運行控制溫度時，停止。

系統(tǒng)在供冷期有三種供冷運行模式，分別是模式②、模式③、模式④，分別利用了供暖期的環(huán)境空氣冷能和淺層土壤中蘊藏的冷量。為了盡可能緩解地源熱泵取排熱導致的熱不平衡問題，在供冷期室外環(huán)境空氣溫度較低，模式③供冷性能較好且可以滿足供冷需求時，優(yōu)先運行模式③進行供冷；隨著室外溫度的升高，模式③可以運行但難以滿足供冷需求，則運行模式④，采用風冷冷水機組與地源熱泵聯(lián)合供冷；當室外溫度較高風冷冷水機組性能較差時，系統(tǒng)運行模式②進行供冷。系統(tǒng)在供暖期內(nèi)只有一種運行模式（模式⑤），模擬時系統(tǒng)采用間歇供暖的控制方式。

3.3 系統(tǒng)運行可行性分析

為了驗證該系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)選擇南京地區(qū)某建筑為研究對象，建筑面積為5760 m2，該建筑在全年內(nèi)供暖空調負荷如圖2所示。

對系統(tǒng)各個部件進行簡化，建立簡化后的數(shù)學模型，并對其運行性能進行動態(tài)的模擬?；谝陨线\行控制策略，利用編程軟件模擬該系統(tǒng)的運行特性，將模擬結果匯總于表1。

由表1中可以看出，系統(tǒng)在全年運行中土壤的取排熱基本達到平衡，排熱略大于取熱，不平衡率為4.1%，可以通過土壤的自身恢復實現(xiàn)平衡。對于新型空氣熱源熱水機組蓄冷模式，由于本文的計算時對循環(huán)系統(tǒng)沒有采用變頻措施，使得模式①平均COP不是很高，考慮到環(huán)境空氣熱能自然蓄冷能耗的全年供暖空調COP值為2.78?？梢员Ｕ舷到y(tǒng)運行的可靠性。

圖2 建筑全年供暖空調變化曲線

表1 系統(tǒng)總體模擬運行結果

4 結論

本文針對我國南方地區(qū)建筑負荷特點，分析了南方地區(qū)現(xiàn)有的熱泵供暖空調方案存在的一些主要問題。由分析可知，以單一熱泵形式為主的系統(tǒng)難以很好地滿足供冷空調系統(tǒng)節(jié)能性、經(jīng)濟性及可靠性方面的要求，復合熱源的混合式熱泵系統(tǒng)是南方地區(qū)供暖空調良好解決方案；在總結分析現(xiàn)有研究基礎上，本文基于自然冷源高效利用、蓄能利用和互補利用的原則，充分考慮空氣冷源和土壤冷源的特性，提出了一種季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合熱泵系統(tǒng)。對該系統(tǒng)建立數(shù)學模型模擬計算可知，該系統(tǒng)能夠保障地埋管換熱器取熱和排熱的平衡，同時具有較好的運行性能，表明南方地區(qū)采用季節(jié)性蓄存空氣冷能的混合熱泵系統(tǒng)有較好的可行性。

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Discussion of Status and Construction Ways of the Heat Pump Heating and Air-conditioning System in the Southern Region

HAN Zong-wei*1, MENG Xin1, LI Wei-hua2, HAN Yu2, WANG Yi-ru1, YANG Jun1
(1-School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China; 2-Xinjiang Solar Technology Development Company, Urumqi, Xinjiang 830011, China)

In views of the features of building air-conditioning in the hot summer and cold winter in southern China, the problems of single heat source heat pump system were pointed out, and the research and application of cooling tower hybrid heat pump system, frozen storage hybrid heat pump and energy tower hybrid heat pump systems were summarized. The hybrid heat pump system has better comparing with the single heat source of heat pump, but a number of problems should be solved. To improve the energy efficiency and reliability of the hybrid heat pump system, a kind of seasonal cold energy storage hybrid heat pump system was proposed based on the thought of "use, supply and build" in this paper. Then the simple numerical simulation of this system was conducted to verify its feasibility of the application in the hot summer and cold winter regions.

Hybrid heat pump system; Frozen storage; Energy tower; Seasonal cold energy storage

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.208

*韓宗偉（1980-），男，副教授，工學博士。研究方向：制冷空調、可再生能源利用。聯(lián)系地址：沈陽市和平區(qū)文化路3號巷11號，郵編：110819。聯(lián)系電話：024-83686994。E-mail：hanzw@smm.neu.edu.cn。

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2013100），新疆維吾爾自治區(qū)十二五科技重大專項（No.201130107）

本論文選自2013中國制冷學會學術年會論文。