太陽能-空氣源耦合熱泵系統研究現狀

王佩祥，馮秀娟，趙運超

(江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

隨著過去20年來世界經濟的快速發展，全球能源消耗總量增長了49%，其中世界建筑能耗占總能耗的30%[1]。人們對供暖、制冷的需求不斷增加，導致化石燃料消耗日益加重，導致全國各地PM2.5嚴重超標等環境污染問題凸顯，這促使人們尋找更高效、低排放的能源供應方式。太陽能與空氣能作為重要的可再生清潔能源，其熱泵設備被認為是最有潛力替代傳統化石燃料為建筑室內供暖。獨立太陽能熱泵和空氣源熱泵各有利弊，兩者耦合成為太陽能-空氣源熱泵系統能夠實現優勢互補，有助于綠色節能建筑目標的實現。

本文通過國內外的實驗研究和工程實例證實了太陽能-空氣源耦合熱泵系統綠色節能特性，介紹了耦合熱泵系統4種組合形式的優缺點。概述了太陽能-空氣源耦合熱泵系統的優化方式：①改造部件結構后系統能效比提升40%以上；應用相變蓄能材料制熱量普遍提升20%以上；應用光伏光熱技術系統能效比達到3.4以上；②精準監控負荷變化優化系統控制策略；采用合適制冷劑后系統適應于高層建筑。認為未來應該從節能、成本、工程化三個方面考慮發展太陽能-空氣源耦合熱泵設備發展方向，鑒于中國迫切需要調整能源供應模式，總結歸納太陽能-空氣源耦合熱泵系統研究現狀是十分有必要的。

1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統研究

1.1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統國內外研究

太陽能熱泵和空氣源熱泵都是市場上較為成熟的商用熱泵設備產品，但兩個獨立熱泵設備都具有明顯缺陷，限制了熱泵設備進一步的發展。獨立的太陽能熱泵系統投資較大，且供熱性能隨著太陽輻射變化不穩定，獨立的空氣源熱泵冬季易結霜、能效比低[2]。而太陽能-空氣源耦合熱泵系統有效地克服太陽能熱泵不穩定性，也解決空氣源熱泵系統冬季效率低的問題，這一優點通過許多國內外的實驗研究和工程實例得到有效證明，見表1。

Jodan等[3-5]在20世紀50年代提出，太陽能耦合熱泵具有同時提高太陽能集熱效率和熱泵系統性能的優勢，Lof[6]通過實驗說明了太陽能-空氣源耦合系統的優越性。Mehrpooya等[7]建立了10個集成熱泵與太陽能熱泵系統組合，通過對比獨立的熱泵系統發現耦合供暖系統可以保證穩定的熱源供應，并能節省能源消耗。在國內初期，曠玉輝等[8-9]就建立了直接膨脹式耦合熱泵系統實驗臺，太陽能耦合熱泵在冬季采暖條件下設計開發的平板太陽能集熱器的平均太陽能集熱效率達到67.2%。徐國英等[10]建立耦合熱泵的數學模型,在以南京氣候為計算條件，模擬結果證實了耦合熱泵系統對比獨立熱泵系統更為節能。趙軍等[11]對耦合熱泵系統進行了理論和實驗研究，實驗結果表明耦合系統全年正常運行時系統的COP在3左右，比獨立熱泵COP值更高。

表1 太陽能-空氣源耦合熱泵系統工程實例

1.2 太陽能-空氣源耦合熱泵組合形式

當前，太陽能-空氣源耦合熱泵系統根據系統單元組合形式可分為4類：直接膨脹式耦合熱泵系統、串聯式耦合熱泵、并聯式耦合熱泵和雙熱源式耦合熱泵系統[19]。

1.2.1 直接膨脹式耦合熱泵系統 Sporn[20]于1955年首先提出了直接膨脹式熱泵系統的概念，而直接膨脹式耦合熱泵系統則在直接膨脹式熱泵系統上進一步改進所得，其耦合熱泵系統最主要核心設計是將太陽能熱泵單元集熱器和空氣源熱泵單元蒸發器整合為同一裝置，即集熱蒸發器。系統形式見圖1，在晴朗的白天中，圖中的集熱蒸發器運作，同時吸收太陽能與空氣能，再通過冷凝器將熱量傳送給用戶水箱；在陰雨天和夜晚，由于沒有太陽能輻射，集熱蒸發器等同于獨立的空氣源熱泵蒸發器，僅吸收了空氣中熱量。

圖1 直接膨脹式耦合熱泵系統

1.2.2 串聯式耦合熱泵系統 串聯式耦合熱泵系統，系統形式見圖2，圖中蓄熱水箱負責把太陽能熱泵單元的集熱器吸收能量有效地蓄積起來，空氣源熱泵單元的蒸發器與整個耦合熱泵系統環路串聯并吸收太陽能熱泵單元熱量，冷凝器再與水箱串聯，將能量提供給用戶使用，總體簡述太陽能熱泵單元和空氣源熱泵單元簡單地串聯連接形成耦合熱泵系統。

圖2 串聯式耦合熱泵系統

1.2.3 并聯式耦合熱泵系統 并聯式耦合熱泵系統，系統形式見圖3，太陽能熱泵單元和空氣源熱泵單元并聯，其太陽能熱泵單元的集熱器和空氣源熱泵單元的蒸發器可在不同的系統工況條件下能夠單獨或聯合運行。在晴天的白天，室外太陽輻射較高時運行太陽能熱泵單元關閉空氣源熱泵單元，在連續陰雨天氣和夜晚時太陽能輻射量極低只運行空氣熱泵單元，在太陽能輻射不高時單獨運行太陽能熱泵單元不能滿足負荷條件時同時開啟空氣源熱泵單元。

圖3 并聯式耦合熱泵系統

1.2.4 雙熱源耦合熱泵系統 雙熱源耦合熱泵系統，系統形式見圖4，圖中耦合熱泵系統具有水源和空氣兩種熱源，因此有水源蒸發器、空氣蒸發器、集熱器、冷凝器，水源蒸發器與空氣源蒸發器并聯使用，再與太陽能單元串聯。其中太陽能單元的熱量提升了水源蒸發器側的溫度，使得雙熱源熱泵系統能源效率最大幅度提升，并且雙熱源耦合熱泵系統通過后期改造還能夠實現制冷功能。

圖4 雙熱源式耦合熱泵系統

1.2.5 熱泵形式發展方向 直接膨脹式耦合熱泵系統在小型化和商業化發展的潛力巨大,但是熱泵系統中的核心部件，集熱蒸發器制造技術難度系數非常大，需要進一步降低集熱蒸發器的研究成本。串聯式耦合熱泵系統結構簡單易于實現，但串聯式耦合熱泵系統的空氣源單元必須持續開啟工作，導致整個耦合熱泵系統能耗值較大。并聯式耦合熱泵系統能夠根據實際氣候條件，獨立啟動太陽能熱泵或空氣源熱泵，更為節能，所以是當前工程實例運用較多的一種形式，但該系統太陽能熱泵單元產生熱量直接作用于用戶水箱，并沒有提升空氣源熱泵單元蒸發器進口溫度，不能最大化提升空氣源熱泵制熱效率，只是將兩個熱泵單元系統孤立疊加，并沒有起到相互供暖增效的結果。雙熱源式熱泵系統能夠最大效率提升耦合熱泵供熱能效值，Freeman等[21]使用TNYSYS軟件建立模型證實了雙熱源式耦合熱泵系統能效性始終優于串聯式和并聯式熱泵系統，且能夠實現供冷供熱一體化服務，是目前太陽能-空氣源耦合熱泵研究熱點，但雙熱源耦合熱泵系統也存在一些問題，面臨較多的蒸發器部件導致整個系統結構復雜、體積龐大，設備成本高問題，需要進一步完善。

近期太陽能-空氣源耦合熱泵得到了長足發展，其中并聯式和雙熱源式耦合熱泵形式因為其實用性和高效性的特點，是目前研究太陽能-空氣源耦合熱泵的熱點形式。未來為了滿足不同的安裝環境與用戶需要，實現熱泵系統高效節能性，需要靈活地將4種熱泵形式進行整體或局部的有機組合。

2 太陽能-空氣源耦合系統優化方案

目前，太陽能-空氣源耦合熱泵系統的最大問題是制熱能效比會隨室外環境條件變化而不穩定。Michalis等[22]在哈尼亞測試了空氣源-太陽能耦合熱泵系統性能，當實驗室外環境溫度由10 ℃變為5 ℃時，系統效率會下降7.6%，說明耦合熱泵系統不穩定。于立強等[8]的實驗結果表明，當室外空氣溫度在-9～4 ℃之間波動變化，整個耦合熱泵系統的平均COP為2.19，能效比較低。以上實驗說明了太陽能-空氣源耦合熱泵系統性能易受到周邊環境變化影響，系統性能不穩定波動較大。目前針對室外氣溫較低導致耦合熱泵空氣源單元結霜，太陽能輻射變化波動大導致耦合太陽能單元供熱性能波動劇烈，這兩個主要困難，有以下幾種方法來優化改進太陽能-空氣源耦合系統。

2.1 部件結構改造

改造太陽能-空氣源耦合熱泵關鍵部件結構能夠使得太陽能熱泵單元產生熱量去除空氣源熱泵單元的結霜問題，是高效優化方案之一。通過翅片與套管有機組合來改造太陽能熱泵單元的換熱器，增強其傳熱性能，解決空氣源熱泵單元的除霜問題，是太陽能-空氣源耦合熱泵技術重要優化路線之一。陽季春等通過在耦合熱泵系統供熱側同時安裝套管式和管翅式換熱器的方法，達到了太陽能熱泵和空氣源熱泵有機結合，在冷凝器側進水溫度為(20±1)～(40±1)℃工況下，得到耦合系統平均COP值在2.88～3.96之間變化，火用性能COPEX在0.17～0.31之間變化，兩個值都明顯高于傳統熱泵系統，證明了雙熱源式耦合熱泵系統性能優于單獨熱泵系統[23]。Liu等[24]設計了改進雙熱源耦合熱泵系統，是以翅片-套管式三介質復合換熱器為核心，在管翅式換熱器的換熱管內部安裝另外一根換熱管，結合管翅式和套管式換熱器兩者優勢，使得制冷劑可以同時與熱水和環境空氣換熱，簡化了整個系統結構，在室外環境溫度低于-15 ℃時進行測試實驗，結果表明，與傳統空氣源熱泵相比,耦合系統的COP值提高了50%以上。王建民等[25]設計了一套雙熱源式耦合熱泵系統，以一套翅片-套管復合式換熱器為核心，平均室外溫度取為-10 ℃和-15 ℃，系統在北京項目低溫環境下能效值得到提高，COP 值平均提高約為40%。冉思源等[26]設計的雙熱源式耦合熱泵系統：水源熱泵的蒸發器連接到風冷換熱器和太陽能單元的集熱器并聯組合，水箱連接到水源熱泵的冷凝器，太陽能直接制熱板式換熱器設置太陽能集熱器和熱泵冷凝器之間。該耦合熱泵系統有4種不同的運行模式，一種模式為太陽能空氣源共同作用模式，即當太陽輻射較弱，單獨太陽能熱泵制熱能力低于用戶負荷需求時，此時同時開啟風冷換熱器和太陽能集熱器，使得工質能夠同時吸收空氣熱能和太陽能。并設有獨特的除霜模式，利用太陽能熱泵制取的熱水為空氣源熱泵換熱器除霜，保證系統制熱穩定性。以北京的某一個100 m2的建筑為例計算，該系統的一次能源效率最高可達到1.13，與太陽能集熱器+電加熱系統相比，節能率為58%。黃文竹等[27]研究了直接膨脹式太陽能熱泵對熱泵系統結霜現象的改進，建立了理論模型并進行預測，在不同條件下的焓差實驗室內進行了集熱器測試實驗，在環境溫度1.0 ℃，相對濕度70%，輻射強度為100 W/m2條件下結霜速度比獨立空氣源熱泵更為緩慢。

他們設計的太陽能-空氣源耦合熱泵系統，對比獨立的空氣源熱泵COP值均提升在40%以上，實現了太陽能-空氣源耦合熱泵能夠在寒冷地區冬季全天候供暖。但是改造系統的換熱器或集熱器等關鍵部件成本較高，并會導致耦合熱泵系統構造復雜體積過于龐大，有進一步改進的空間。

2.2 相變蓄能技術應用

相變蓄能材料相比于傳統單相材料，相變蓄能材料的潛熱換熱能力更加優異，因此調節太陽能-空氣源耦合系統穩定性。目前，相變儲能材料技術主要運用于太陽能-空氣源耦合熱泵系統中換熱器、蓄能水箱等蓄熱裝置的改造。楊靈艷等[28]設計了以三套管蓄能換熱器為核心部件的太陽能與空氣源耦合熱泵，單個換熱器單元中內層為制冷劑通道，外層為水通道，有機相變材料RT6填充在中層。系統采用了相變材料顯熱蓄冷供熱，提高了系統蓄冷供熱時蒸發溫度效果，使得系統能效比提高。首先建立三套管蓄能換熱器的數學模型，模擬動態特性并進行數值分析，為耦合熱泵系統的開發與優化設計奠定了理論基礎。之后測試耦合熱泵系統在正常環境工況的穩定性，測得實驗數值供冷模式COP可達到2.0～2.8，供熱模式的COP值達到3.0～3.75，蓄能供熱模式COP值達到3.31～3.45，并測試了耦合熱泵在非常定的環境工況下表現，測得供冷模式的COP值為2.4～2.8，供熱模式的COP值為2.8，比單獨的空氣源熱泵COP值分別提升了17%和65%，最后提升溫度或增大流量來進一步提升耦合熱泵系統的供熱效率，新模式下制熱功率提高13%，能量功耗降低了41%。謝豪等[29]也在蓄熱器盤管上采用了相變蓄熱材料，節能效果明顯，同時提升23.4%系統制熱量。有效利用相變儲能材料能夠使得太陽能-空氣源耦合熱泵能效顯著提升。

相變儲能材料運用在蓄熱水箱中常見的是石蠟及以石蠟為基礎納米復合材料。侴喬力等[30]研制了一個蓄熱水箱采用了相變溫度 40 ℃的石蠟相變蓄能材料。實驗結果表明，相變蓄能材料可有效減少熱泵系統的融霜次數，簡化換熱環節，多種模式下COP系數在2.99以上，對比國家標準制熱量提升20%以上。太陽能-空氣源耦合熱泵的蓄熱水箱采用相變蓄能材料還有脂肪酸類[31-35]、MgCl2·6H2O、十二烷酸與癸酸混合物、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O與Na2SO4·10H2O等。

上述實驗說明采用相變蓄能材料的太陽能-空氣源耦合熱泵能效比都得到大幅提升，太陽能-空氣源耦合熱泵系統的制熱量均提升20%以上，今后需要考慮的是相變蓄能材料運用于市場工程中成本問題和操作復雜問題。

2.3 光伏光熱技術應用

Mateus等[36]和Sanaye等[37]提出了在太陽能-空氣源熱泵系統使用光伏光熱技術，通過吸收太陽輻射同時提供熱能和電力。目前，絕大多數太陽能-空氣源耦合熱泵系統使用太陽能集熱技術，太陽能光伏光熱技術有望替換太陽能集熱技術。太陽能光伏光熱集熱器的背板溫度越高，發電效率就越低，利用這項特性將太陽能光伏光熱與空氣源熱泵完美結合，不僅利用太陽能背板的余熱解決空氣源熱泵結霜問題，而且降低了自身背板溫度，提高光伏電池發電效率和耦合系統能效值。Wang等[38]就設計了以太陽能光伏光熱集熱器為核心技術的雙熱源式耦合系統。該系統主要由三部分組成，雙熱源復合系統、光伏光熱系統和用戶熱水系統。當室外溫度為6.5 ℃和太陽輻射照度為581.5 W/m2時，系統的平均熱收集效率為43.8%，系統最大循環吸收效率為15.0%，雙熱源模式的COP值為2.24～2.49，單空氣熱源模式的COP值為1.31～1.40，驗證雙熱源模式性能優越性，在系統中使用PVT集熱器COP值提升到了4.08，系統的火用效率達到了0.33。測試3種不同供暖模式：太陽能PVT集熱循環與水源熱泵聯合運行、雙熱源、單空氣源，通過對比發電效率、室內溫度、制熱量、熱泵COP、集熱效率，結果3種模式的COP值分別為3.4，2.61，2.26，平均室內溫度也達到了18.8，16.5，15.3 ℃。周偉等[39]設計的光伏光熱耦合熱泵系統COP對比單獨太陽能熱泵和空氣源熱泵分別提升了32.78%，47.64%，陳劍波等[40]設計的耦合系統COP值達到了3.6。

上述實驗結果說明，太陽能光伏光熱復合雙熱源系統對比光熱系統具有良好節能特性，太陽能-空氣源耦合熱泵系統COP達到了3.4以上，但目前光伏光熱組件成本較高不利于耦合熱泵系統工程化。

2.4 控制策略優化

太陽能-空氣源耦合熱泵系統安置室外環境，其溫度、濕度、太陽輻射量等工況波動較大，Jing等[41]指出耦合系統的控制策略對系統能耗影響至關重要。設計精準控制系統能夠提升太陽能-空氣源耦合熱泵系統的能效。Zhang[42]建立了太陽能-空氣源耦合熱泵模型，通過分析模型能耗結果，得到優化運行策略后，對比傳統熱泵系統能耗減少了31%。閆澤濱等[43]設計了一種用于聯合控制耦合熱泵的系統，系統以32位高性能微處理器STM32F103為核心，一臺集中控制器為主站和四臺熱泵控制器為從站，監控耦合系統實時制熱量來確定熱泵機組的運行臺數，滿足用戶側供熱負荷需求。實驗表明，當環境溫度為15 ℃時，系統制熱COP為3.77，機組的COP為2.6，能效值得到明顯提升。劉業鳳等[44]設計了雙熱源耦合熱泵系統,不僅在冬季能夠提供有效穩定的采暖，在夏季降溫季節，調節空調切換閥，空氣源單元用于冷卻，以滿足用戶側的舒適性要求。在春秋季節沒有冷熱負荷需求時,空調系統改為全新風方式運行,為室內換氣改善室內空氣品質，家用熱水由太陽能單元收集提供，當不足時，熱泵系統被激活以補充。路詩奎等[45]通過利用PLC和MCGS組態軟件構建一套監控系統，通過監測系統能耗對比說明該耦合系統節能優異性。

上述研究驗證未來太陽能-空氣源熱泵需要采用更加符合系統實際工況的算法，如遺傳算法、神經元網絡算法，通過PLC和MCGS軟件構建更為精準的熱泵負荷監控系統來制定符合當地氣候特色的系統控制策略。

2.5 采用合適制冷劑

制冷劑在太陽能-空氣源耦合熱泵中的使用能夠實現無水式熱泵供暖，制冷劑的供熱性能更強，并且無水式太陽能-空氣源耦合熱泵系統能夠解決高層建筑用水能耗高的問題，滿足高層建筑對室外安裝空間的狹窄、垂直的要求，使得系統安全、便捷。Dong等[46]設計了一套無水式直膨的耦合熱泵系統，熱泵系統選擇R407為系統制冷劑并采用輻射采暖。他們首先建立了耦合系統的TRNSYS模型，通過模擬數據結果表明在夏季高溫太陽能和冬季低溫高濕易結霜狀況工況下，系統的COP分別對比獨立空氣源熱泵提升了44.16%和6.56%，模擬為系統運用工程進行鋪墊與預測，之后通過實驗室測試得到：在太原城市環境條件下，該耦合系統的COP值為2.54對比獨立空氣源系統提升了14.9%。Faria等[47]建立了耦合熱泵系統模型驗證了使用CO2制冷劑后，系統制熱效率提高。Li等[48]依次分析了R744、R134a、R22、CO2在耦合熱泵的制熱性能，工況溫度13 ℃以上采用R134熱泵系統COP值最高，工況溫度13 ℃以下采用R744熱泵系統COP最高。

制冷劑耦合熱泵系統實驗證實了太陽能-空氣源耦合系統在高層住宅中節約了整體的安裝空間與供水量，為熱泵系統適用于高層建筑中提供了新思路。但制冷劑的運用對太陽能-空氣源耦合熱泵系統工作壓力大，對耦合系統設備要求增加且制冷劑有泄漏隱患。

3 結論

(1)太陽能-空氣源耦合熱泵系統通過國內外理論研究和工程實例驗證了其綠色節能特性，而其耦合系統形式為了滿足不同的安裝環境與用戶需要，實現熱泵系統組高效節能性，需要靈活地將4種熱泵形式進行整體或局部的有機組合，不再嚴格設置技術界限。

(2)太陽能-空氣源耦合熱泵系統優化方式：①通過改造耦合熱泵系統的傳熱器、蒸發器等部件，增強太陽能單元組件除霜能力，對比獨立的空氣源熱泵，耦合熱泵系統COP值提升普遍在40%以上；②相變蓄能材料在換熱器、蓄熱水箱等蓄熱裝置采用使得熱泵系統能效比都得到大幅提升，COP達到了2.8以上，制熱量均提升了20%以上；③光伏光熱技術通過利用太陽能單元背板的余熱解決空氣源單元熱泵結霜問題，既提升光伏光熱背板發電效率也使得耦合熱泵系統COP達到3.4以上；④制冷劑耦合熱泵系統實驗證實了太陽能-空氣源耦合系統在高層住宅中節約了整體的安裝空間與供水量，為熱泵系統適用于高層建筑中提供新思路。

(3)太陽能-空氣源耦合熱泵系統需要從節能、成本、工程化三個方面進行考慮未來的優化方案：①部件結構改造方案會導致耦合熱泵系統構造復雜體積過于龐大，需要縮小設備占用面積；②相變蓄能材料和光伏光熱技術成本高，在實際工程實施比較困難，需將操作系統簡單化；③采用先進算法如遺傳算法、神經元網絡算法，通過PLC和MCGS軟件構建更為精準的熱泵負荷監控系統來制定符合當地氣候特色的系統；④制冷劑的運用對太陽能-空氣源耦合熱泵系統工作壓力大，對耦合系統設備要求增高，同時防止制冷劑泄漏隱患。期望今后完善的太陽能-空氣源耦合熱泵系統為實現綠色節能建筑目標做出巨大貢獻。