多热源耦合热泵系统在严寒地区的运行性能研究.doc

多热源耦合热泵系统在严寒地区的运行性能研究为了解决单一热源热泵低温适用性差和冷热负荷不匹配等问题，提出了一种将空气能，土壤能，太阳能互补利用的多热源耦合热泵系统,并以哈尔滨地区为 例，对该系统进行了数值模拟，结果表明：系统UOP在夏季最高可达17.5 ,系 统全年综合COP值为3.19 , 土壤热不平衡率为0.71%可见,该系统是一种 适用于严寒地区的高效热泵系统关键词热泵技术;多热源耦合；数值模拟;运行性能0引言随着全球经济的迅猛发展，建筑总量和人们对舒适度的要求也持续升高，所 以为住宅和公共建筑提供供热空调服务就成了一项必不可少的措施，其消耗的能 源总量也持续增加据统计在发达国家’供热空调能耗约占社会总能耗的25%~30% ,而且仍在以4%~5%的速度增长⑴在我国，建筑能耗占社会总 能耗的25%左右⑵在我国北方一些严寒地区，冬季温度低，供暖期长，其供 暖能耗占建筑总能耗的比例更大，因此，用性能更好的可再生能源热泵来代替传 统的供热机组能起到明显的节能减排效果针对严寒地区热泵供暖空调系统应用技术，国内外研究人员进行了大量硏究工作这些研究主要针对以下两个问题：（1 ）空气源热泵系统的低温适应性问 题；（2）严寒地区地源热泵系统热平衡问题。

首先,为了提高空气源热泵的低温适应性,各国学者从〃设备”层面做了大量的研究工作,主要有:(1)改进制冷循环部件性能(如采用变频压缩机［刑、 增加室外换热器面积［迥 改进换热器结构⑺等)；(2)热泵循环的改进与优化 控制(如采用补气增焙技术&卩、双级压缩技术卩“叭复叠式循环［中5］等)；(3 )采用新型制冷剂［励7］ ; (4)采用先进控霜技术［以20］,上述硏究使得空气 源热泵低温制热性能及可靠性得到较大程度的改善,但受热源属性限制,空气源 热泵系统的负荷匹配性和低温适应性仍无法满足供暖需求为此，一些学者从系 统集成方面做了大量研究马最良等提出了将空气/水热泵和水/水热泵通过中 间水环路藕合的双级藕合热泵系统，该系统可根据室外温度实现单、双级交替运 行,改善了机组的运行工况內22］由于在现有技术条件下,进一步提升单一空 气源热泵系统低温制热性能困难较大,一些学者尝试将空气与其它热源进行藕合 作为热泵系统低温热源周光辉等在水冷套管式蒸发器上增加翅片，实现了太阳能和环境空气热能的综合利用,通过实验测试可知,复合热源热泵的冬季低温供热性能明显优于单一空气源热泵［殂列陈雁等利用太阳能空气集热器改善空气源热泵低温适应性，并对该系统进行了模拟分析，结果表明提高低温热源(空气 侧)的温度比降低供水温度对提升空气源热泵的节能性更有效〔羽。

上述研究表 明，将太阳能与环境空气热能藕合作为热泵的热源，可以有效改善单一空气源热 泵性能，但研究中采用太阳能短期蓄热或未采用蓄热措施，而且环境空气热源与 太阳能在时间分布上存在同向性，所以实际中太阳能很难改善空气源热泵的运行 性能近年来，在保持地源热泵土壤热平衡方面，采用太阳能季节性蓄热的地源热泵系统逐渐得到重视，毕月虹进行了太阳能热泵和土壤源热泵交替运行供暖的性 能实验研究，结果表明太阳能热泵和土壤源热泵交替运行中，二者可相辅相成［261V Trillat-Berdal等利用太阳能辅助土壤源热泵对建筑面积为180m2的住宅 进行了供热实验研究，结果表明，该热泵系统有助于保证土壤热平衡，运行期间 平均供暖COP为3.75【27］Onder Ozgener研究了太阳能与土壤源热泵系统 联合运行的性能，结果表明这种组合可降低土壤源热泵系统的设计容量，提高了 热泵性能系数［旳Farzin M. Rad等对太阳能复合地埋管地源热泵系统在加拿 大寒冷地区应用进行了可行性研究，硏究表明相比单一地源热泵系统，可减少的 地埋管长度与集热器面积的比例为7.64m/m2，复合系统的经济性优于单一地源 热泵系统［29】。

上述研究表明，太阳能与地源热泵的结合提高了系统的运行性能 和可靠性但是由于太阳能流密度低，单纯通过太阳能蓄热解决严寒地区地源热 泵热平衡问题，需要较大的集热面积,由于集热器价格较高，使其应用价值大大 降低基于上述背景,本文在充分考虑严寒地区建筑空调负荷全年分布特性以及空 气、太阳能、土壤热源的能量输出特性基础上,提岀了基于季节性蓄热的多热源 藕合热泵系统通过建立数学模型对系统的全年动态运行性能进行分析，硏究结 果对于在严寒地区构建高效热泵系统、开发高效热泵制热机组提供一定参考1多热源耦合热泵系统原理说明1 ■水冷冷鑑2-电瀚3- m 愍器牛气仍廖 5-甩宿机6-四觀能阀7- —SO阀8-緒器9- 阀10-^ 11- -空酥碍 13-訣詡吐翱热器14- Wit换热器fl〜仕7・车敬阀R1-R5- ^^泵图1多热源耦合热泵供暖空调系统示意图图1为多热源耦合热泵系统的系统原理图，如图所示，该系统主要由地源热 泵机组、双热源蒸气压缩复合分离式热管热水机组、地埋管换热器、空调末端装 置、循环泵及管路附件等组成,其中双热源复合制热机组由集热/蒸发器、水冷 冷凝器、压缩机、节流装置、气液分离器、闪发器等部件构成，可根据需要在蒸 气压缩式热泵循环和分离式热管自然循环之间任意切换，其中双热源复合热泵采 用中间补气的准双级压缩热泵循环提高其低温制热性能。

在分离式热管自然循环 模式下，集热/蒸发器内制冷剂吸热气化后,气态制冷剂由上升管进入水冷冷凝 器，被冷凝成液体后靠重力的作用流回风冷蒸发器完成热管自然循环系统在运 行时可以实现六种不同的运行模式，各模式运行原理如表1所示：表1不同模式阀门开启情况(1) 双热源复合热泵供暖模式在供暖期,当温度较高或太阳辐射较强的时候,系统以双热源(太阳能和空 气能)复合热泵供暖模式运行此时由于太阳能与空气能互为补充,使系统更易 于满足供暖需求,同时也改善了空气源热泵系统存在的低温适应性差的问题2) 地源热泵供暖模式在供暖期,当环境温度低且太阳辐射强度又很弱的时候,系统以地源热泵供 热模式运行此时双热源复合热泵机组无法高效运行，由于地源热泵避免了空气 源热泵结霜的问题具有很好的低温适应性，是优良的冬季供暖方式,所以利用热 泵技术将土壤中储存的大量热能合理利用为建筑供暖3) 双热源复合热泵联合地源热泵供暖模式在供暖期,当双热源复合热泵机组可以高效运行，但是提供的热负荷无法满 足供暖需求时，系统以双热源复合热泵联合地源热泵供暖模式运行这样既能保 证双热源复合热泵机组高效运行，又能减少从土壤中的吸热量，有助于保持土壤 热平衡。

4) 分离式热管土壤蓄热模式在过渡期,建筑无供暖和供冷需求，当环境温度较高或太阳辐射较强时,系 统以分离式热管土壤蓄热模式运行此时系统可以将空气能和太阳能转化并储存 在土壤中，整个过程由两个循环泵和风机^动，耗功少，但对保持土壤的热平衡 有着重要的作用，有助于系统的长期高效运行5) 土壤直接供冷_分离式热管土壤蓄热模式在严寒地区,由于系统在供暖期从土壤中吸热量较大,土壤的温度较低,所 以在供冷期，当所需冷负荷较小时，系统以土壤直接供冷・分离式热管土壤蓄热 模式运行此时,系统用土壤中储存的冷量来为建筑供冷,减少了压缩机的工作 时间，代之以循环泵来驱动机组工作，减小了系统的功耗同时利用分离式热管 吸收空气能和太阳能为土壤蓄热,有利于保持土壤的热平衡6) 地源热泵供冷.分离式热管土壤蓄热模式在供冷期,当所需冷负荷较大，且利用土壤直接供冷的方式无法满足供冷需 求时，系统以地源热泵供冷-分离式热管土壤蓄热模式运行此时系统在利用地 源热泵为建筑室内供冷的同时,其自身和分离式热管都通过地埋管换热器实现了 为土壤蓄热的功能2模拟运行结果分析为了考察多热源耦合热泵系统在严寒地区的运行性能，本文借助已建立的数 学模型/寸其进行了数值模拟分析。

其中双热源复合热泵的关闭温度为・20弋时, 选择分离式热管的开启温差为12C以典型严寒地区哈尔滨的一栋办公建筑为对象，利用DeST计算软件对该建 筑的全年冷、热负荷进行了计算，得出该建筑供暖期的最大热负荷为92.8kW ,累计热负荷为283.4GJ供冷期的最大冷负荷为46.8kW累计冷负荷为70.1GJ图2建筑室内全年逐时负荷变化情况图2为目标建筑室内全年逐时冷热负荷变化情况，从图中可以看出，严寒地 区全年冷热负荷差距很大，出现严重的不平衡现象图3系统全年运行模式变化情况图3为多热源耦合热泵系统的全年运行模式变化情况，从图中可以看出，在 过渡期,系统以模式4运行，运行时间为2290h ;在供冷期，两种供冷模式（模 式5、6 ）交替运行,供冷初末期,冷负荷较小,此时系统主要以模式5运行,供冷中期，冷负荷增加,模式5无法满足供冷需求，于是系统主要以模式6运行，在整个供冷期，模式5运行472h ,模式6运行201h ;在供暖期，三种供 暖模式(模式1、2、旳交替运行，供暖初末期，环境温度较高，热负荷较小， 系统先以模式1运行，随着热负荷的增加，模式1难以满足建筑的供暖需求， 此时系统主要以模式3运行，当环境温度下降到一定程度，以至于双热源复合 热泵系统难以高效运行时,系统主要以模式2运行,在整个供暖期，模式1运 行1135h ,模式2运行190h ,模式3运行731ho(a )建筑物全年室内温度(b )系统平均COP变化情况图4从图4 ( a )可知，利用该系统建筑室内温度在冬季维持在18-22C之间, 在夏季维持在24~28弋之间，可以满足室内环境的舒适性要求。

又从图4(b) 系统日平均COP变化情况中可以看岀，由于夏季使用了土壤直接供冷，无压缩 机耗功，所以该系统夏季的COP值最大可达17.5，最小为4.06，平均值为6.7 , 冬季系统的平均COP值为2.9 ,其中日平均COP等于日供暖(冷)量与日供 暖(冷)量和蓄热耗电量总和的比值)供歸悔(b)图5(a)、( b )和图6(a)、(b)分别为系统蓄热系列和供冷系列在距离地面40m深内部、夕卜部埋管换热器周围土壤温度场的变化情况从图中可以 看出，埋管换热器周围土壤温度场的各个位置在运行一年后基本恢复，均能维持 土壤的热平衡表2多热源耦合热泵系统全年运行模拟结果表2为多热源耦合热泵供暖空调系统全年运行的模拟结果，系统平均供暖COP为2.92，平均供冷COP为9.20 ,平均蓄热COP为9.92，全年综合COP 为3.19 , 土壤不平衡率为0.71%3结论文本提出了一种将太阳能、空气能、土壤能三种可再生能源互补利用的多热源耦合热泵系统，并结合系统图对其进行了原理说明此外，以哈尔滨地区某建 筑为对象对该系统进行了全年的模拟运行计算，结果显示:该系统夏季的COP 值变化幅度较大，其中最大值为17.5 ,最小值为4.06 ,平均值为6.7 ;冬季系统的COP值变化幅度较小注要集中在3.0左右，平均值为2.9 ;蓄热平均COP 为9.92 ,全年综合COP为3.19 , 土壤的热不平衡率为0.71%。

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