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气电混合热泵系统研究进展
方智聪，秦朝葵，冯建国
（同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804）
供热系统的节能减排是实现双碳目标不可或缺的一环。我国北方地区的冬季供暖能源结构中煤炭占比约40%，占据着主导地位。东北三省等严寒地区中煤炭占比甚至高达96%。燃气锅炉一般以天然气作为燃料，相比燃煤锅炉更加高效清洁，煤改气是北方地区促进供热低碳化的措施。电热泵是当前供热行业转型常见的设备，通过电能驱动压缩机完成热泵循环，提取低品质热能并提供多于所消耗能源的高品质热能。混合热泵系统是指集成了2种及以上热泵技术的系统，相比传统的电热泵系统而言能效得到提升。未来，零碳的可再生能源电力和低碳的天然气会成为供热系统使用的主要能源，气电混合热泵系统具有兼顾降低供热碳排放和在电负荷高峰期缓解电网负荷的优点，具有重大的研究意义。通过检索相关文献，本文主要对目前国内外锅炉混合热泵系统和气电动力混合热泵系统2种气电混合热泵系统的相关研究进行了分析与总结。
锅炉混合热泵系统是一种将电热泵与燃气锅炉耦合的气电混合热泵系统，二者的设备并无机械性的耦合，而是借助水管内水的流动和传热实现热的耦合。
锅炉混合热泵系统根据电热泵与燃气锅炉的进出水管的布置方式，可分为串联式和并联式，根据进出水管道热水的温度决定设备的运行状态。电热泵的主要部件有压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。制冷剂经由压缩机加压，然后流经冷凝器将进口水流加热，再进入膨胀阀中等焓膨胀，并在蒸发器中吸收空气中热量重新气化，完成一个工作循环。缓冲罐和分离器是电热泵的辅助部件，四通换向阀用于在冬天除霜工况中，让制冷剂逆向流动进行除霜。
串联式锅炉混合热泵系统见图1，用户供热系统中的回水先流经电热泵冷凝器进行初步加热，再经燃气锅炉进一步加热后形成供热系统的供水。并联式锅炉混合热泵系统见图2，回水会按照需求分流，分别由电热泵和燃气锅炉加热后再汇流成为供水。
锅炉混合热泵系统常见的控制逻辑为，环境温度相对较高时，所需的热量可完全由电热泵提供。当环境温度较低时，电热泵无法单独提供所需的全部热量，此时燃气锅炉开始运行。在严寒情况下，电热泵的制热性能系数极低，此时热量完全由燃气锅炉提供。在该系统的基础上增加蓄热水箱，可以在电价较低的时间段内，使用电热泵制取热水并储存起来，或者电热泵与燃气锅炉分别负责制取低温段（低于45 ℃）和高温段的热水，提高系统能效。
锅炉混合热泵系统因其能有效缓解供暖期电网负荷，受到各国研究人员和企业的关注。国外的研究主要聚焦在单户住宅中应用的可行性，锅炉混合热泵系统的热功率一般在30 kW以下，电热泵主要选用占地面积小、安装简单的空气源热泵。根据需求不同，电热泵与燃气锅炉选型的热功率占比也不同，既有燃气锅炉与电热泵额定热功率相近的方案，也有其中一个设备额定热功率较大（20~30 kW），以承担主要热负荷，而另一个设备的热功率不到10 kW，用以辅助加热的方案。
Klein等人［1］利用DYMOLA软件对电热泵和燃气锅炉耦合系统进行了全年建模研究，电热泵额定功率为3 kW，燃气锅炉热功率根据需要可在5.9~22.0 kW的范围内调节，该系统相比传统供热系统一次能源消耗量更少，但是考虑到设备的投资额和维护费用，其全年经济性比传统供热系统差，需要提供补贴等激励措施推广该技术。Stafford［2］评估了在英国使用锅炉混合热泵系统的潜力，得到在电网高峰期将热负荷转移给燃气锅炉，可以以能源损耗量小幅度增加的代价缓解电网的压力。Lin等人［3］对英国供热系统全生命周期评估结果显示，相比利用额定热功率为24 kW的燃气锅炉对90 m2的半独立式住宅供热，利用热功率均为10 kW的电热泵和燃气锅炉组成的锅炉混合热泵系统，最高可减少45%的碳排放量。
Di Perna等人［4］以供暖体积为520 m3意大利米兰郊区房屋为研究对象，对不同供热方案使用TRNSYS软件建立动态系统模型，比较它们的一次能源效率。锅炉混合热泵系统中锅炉的热功率为24.7 kW，而电热泵的热功率有11 kW和14 kW共2种方案。得到锅炉混合热泵系统能效可达125.2%，高于分别单独使用燃气锅炉（能效104.1%）和电热泵（能效96.6%）。在供热系统设计选型时，为了保障冬天极端工况下的使用，采用单一的电热泵或者燃气锅炉供热时，所选的额定热功率会偏大，导致气候温暖时，锅炉混合热泵系统长时间偏离额定工况运行。Dongellini等人［5］以冬季寒冷潮湿的意大利博尔扎诺地区为研究地点，建筑供暖面积为140 m2，评估了锅炉混合热泵系统的可行性，以设计热负荷的74%来选定电热泵额定热功率，其余热负荷由燃气锅炉承担时，锅炉混合热泵系统相比使用单一电热泵或燃气锅炉，可节约6%或22%的一次能源消耗。
Bagarella等人［6］研究了热功率为10.8 kW的锅炉混合热泵系统在寒冷湿润气候地区丹麦哥本哈根、温暖干燥气候地区法国卡庞特拉的性能，考虑相对湿度对电热泵结霜的影响，冬季平均相对湿度越低，最佳的热泵子系统停机温度就越低，得出锅炉混合热泵系统在寒冷湿润气候地区可以节约5%的经济成本，在温暖干燥气候地区可达8%。Amirkhizi等人［7］以丹麦供热系统为研究对象，分别从社会和消费者两个角度研究了锅炉混合热泵系统经济可行性，社会经济模型额外考虑了二氧化碳排放造成的欧洲碳税成本，消费者角度则主要考虑了能源价格。计算结果得到从社会经济的角度来看，由于如今生物质燃气成本较高而使用天然气需要承担碳排放带来的成本，燃气锅炉模式运行的经济性相较热泵较差。而从消费者角度来看，基本在电价较高的电力高峰期，当燃气锅炉运行模式占锅炉混合热泵系统运行总时间的24%时，锅炉混合热泵系统的经济性最佳。
Park等人［8］研究了韩国普通居民住宅（面积约100 m2），空气源热泵与燃气热水器混合系统供热的性能及经济可行性，热泵额定热功率为23 kW，锅炉额定热功率为7 kW。研究结果显示季节变化、热泵与燃气热水器所承担热负荷的比例对系统的影响巨大。当环境温度较低时，因为热泵能效大幅降低，导致该系统的经济性比使用燃气热水器更差，而当环境温度较高，且热泵承担43%的热负荷时，运行成本可以降低约6.5%，当热泵承担热负荷比例为24%时，运行成本可降低8.9%。
锅炉混合热泵系统在中国使用的可行性也吸引了众多研究人员的关注。Li［9］研究了额定热功率为25 kW的锅炉混合热泵系统在不同气候环境下的控制策略，在气候温暖的地区如上海、武汉、成都，电热泵的运行费用占系统总运行费用88%以上，在气候寒冷的地区如沈阳，燃气锅炉的运行费用占70%以上。小型的锅炉混合热泵系统更契合中国南方分户式供暖的需求，基于中国北方城镇的集中供暖现状，大型锅炉混合热泵系统也是国内的研究热点。
高屾［10］使用TRNSYS软件对锅炉混合热泵系统进行建模，研究了位于青岛地区15×104 m2的居民小区锅炉混合热泵系统集中供热的适用情况。该系统由多台额定热功率为71 kW的电热泵和3台额定热功率为2 100 kW的燃气锅炉组成，得到与单独使用电热泵或燃气锅炉供热相比，年运行费用分别降低了9%和5%。
前文提到的电热泵均为空气源热泵，地源热泵和水源热泵作为另一种形式的电热泵，也是用于集中供热的关键技术。但地源热泵存在热不平衡现象，极大地影响了热泵的运行效率。Wang等人［11］开发了一个可用于燃气锅炉混合地源热泵系统选型的软件，供热高峰期燃气锅炉承担部分热负荷，这使得在设计选型时地源热泵的额定热负荷可以相对减小，有效缩短地埋管换热器的设计长度并解决热不平衡问题。Li等人［12］研究了燃气锅炉混合水源热泵系统在西安地区住宅小区运行可行性，建筑面积约为24×104 m2，系统由2台水源热泵和2台燃气锅炉组成，其中水源热泵的热源为该区域内产生的污水，其制热量分别为2 800 kW和3 500 kW，模拟得到，当用户所需热水温度低于60 ℃且生活污水易获得情况下，该种锅炉混合热泵系统可展现出优越的性能，与传统的燃煤锅炉供热相比可节约13.5%的运行成本。
目前各大厂商已经推出了锅炉混合热泵系统的相关产品。欧洲供暖多采用燃气锅炉，但近年来由于天然气供应危机，欧洲国家对锅炉混合热泵系统的推广力度大幅增加，旨在摆脱供暖系统对天然气的依赖。荷兰在2021年改造了200栋1930—2018年建造房屋的供暖系统，配备了锅炉混合热泵系统并监测了系统的运行费用和碳排放量。截至2023年7月，首批被改造的120栋房屋的数据显示，平均每栋锅炉混合热泵系统消耗了2 360 kW·h的电能，但是同时节约了75%的天然气并降低了1 811 kg的二氧化碳排放，每年可节约1 000~1 250欧元的供暖费用［13］。2022年6月，荷兰政府出台政策，2030年前要在全国配备100×104套锅炉混合热泵系统，而根据2023年9月前的数据预测，2022—2024年间安装的锅炉混合热泵系统中热泵数量可达12.5×104台［14］。
意大利的气候多变而锅炉混合热泵系统可以通过运行模式的切换较好地应对变化，2020年锅炉混合热泵系统的销量为1.4×104套，2021年增加至6.3×104套，2022年锅炉混合热泵系统的销量占空气源热泵总销量的40%［15］。
法国电力对天然气依赖程度降低，相比其他欧洲国家大量使用燃气锅炉供暖，法国的电热泵用户数量较多，但出于对寒冷时期电热泵性能大幅降低的担忧，锅炉混合热泵系统的高能效优势吸引了不少消费者。为推广该技术，法国出台了激励政策，使用锅炉混合热泵系统替代燃气锅炉可补贴2 500欧元，对于低收入家庭，该补贴金额可提高至4 000欧元，2022年锅炉混合热泵系统的销量约为4 000套［16］。
英国提出的锅炉升级计划，可以为购买新热泵的用户提供7 500英镑的补贴，不同型号的锅炉混合热泵系统的补贴从7 000英镑到15 000英镑不等，加上补贴后购买锅炉混合热泵系统的费用与购买新燃气锅炉的费用相近［17］。
德国新修订的《建筑能源法》规定，2024年以后新安装的供暖系统必须使用65%以上的可再生能源，尽管政府计划为居民消费者提供30%补贴，但完全使用可再生能源供暖的系统成本仍然过高，锅炉混合热泵系统将成为实现这一目标的关键供暖方案［18］。
锅炉混合热泵系统相比使用单一燃气锅炉或电热泵，具有更好的能源效率和经济性。但是，考虑到投资额、增设的控制系统成本、维护费用，锅炉混合热泵系统的经济性会下降，降低了对消费者的吸引力。在商业推广阶段，可能需要政府出台一系列的激励政策。中国拥有巨大的热泵市场潜力，对于锅炉混合热泵系统还未进行深度的挖掘，结合中国北方地区的气候特点，锅炉混合热泵系统有望成为供暖系统低碳转型的有效解决方案。
气电动力混合热泵系统是一种结合燃气机热泵与电热泵的气电混合热泵系统，其相关概念在2006年已经提出。但是当下对其运行性能、经济性、碳排放量的研究仍然相对较少，目前该方向的研究主要由国内团队开展，所提出的气电动力混合热泵系统兼具夏天供冷和冬天供热的功能，气电动力混合热泵系统供暖模式见图3。
气电动力混合热泵系统主要由动力系统、热泵系统和余热回收系统3部分组成。动力系统由1台电动机和1台燃气发动机并联组成，通过离合器切换运行模式，在电价或者热负荷相对较高的情况下，可使用燃气发动机驱动，在电价低的情况下可使用电动机驱动。动力系统通过皮带轮与压缩机相连以驱动热泵系统，热泵的工作原理与前文所述相同。余热回收系统主要由烟气-冷却液换热器、水-烟气换热器和水-冷却液换热器组成。燃气发动机内燃烧生成的高温烟气先在烟气-冷却液换热器与冷却液进行初步换热，然后在水-烟气换热器中进一步换热，加热冷凝器出口的热水。高温冷却液先在烟气-冷却液换热器中与高温烟气换热，再与水-冷却液换热器中的热水换热，进一步提高热水的温度。
气电动力混合热泵系统相比前文所述的其他系统，受制于燃气发动机的功率，气电动力混合热泵系统中所驱动的热泵一般是空气源热泵，且制热量往往不超过100 kW。应用于区域集中供暖时需要划分多个小区域且多台机组联合运行。由于燃气燃烧是用于驱动热泵循环供热，相比燃气锅炉的理论最高能源效率约为110%，燃气机热泵可达150%以上，可有效节约能源。但是缺点在于其机械耦合的复杂程度高，控制策略复杂，且系统能效受气候影响极大，商业化难度较高。
张小松和蔡亮团队利用蓄电池作为气电动力混合热泵系统的储能部件，实现了气电动力混合热泵系统在不依赖电网的情况下也可以正常运行。姜文秀［19］利用Simulink软件对气电动力混合热泵系统、燃气机热泵和电热泵建模，比较了在北京、南京和西安3个地方应用这3种系统的经济性，结果表明气电动力混合热泵系统的经济性良好，电热泵的运行成本最高。邓卫卫［20］利用动力系统中的等效瞬时燃气消耗量作为优化参数，提出了瞬时优化的控制策略，在同一负荷下，基于逻辑门限的控制策略有较好的节能效果。嵇文秀［21］主要研究了LiFePO4电池作为气电动力混合热泵系统中的储能模块时的能量管理策略，并且利用CAN算法实现对LiFePO4电池的实时监控。相比利用铅酸电池作为蓄电池，全年一次能源利用率可以增加8.4%。孟庆堃［22］提出了气电动力混合热泵系统综合效率的概念，并且以综合效率最大为目标，研究了基于发动机经济区热效率优化曲线的逻辑门限控制策略和基于该系统综合效率模型的蓄电池能量管理瞬时优化控制策略。万小明［23］提出了基于等效燃气消耗量最小的控制策略，控制发动机在负荷变化的情况下仍然保持在经济区内高效运行，其运行效率始终在25%以上。马晓凡［24］对比了气电动力混合热泵系统与传统燃气机热泵的经济性，在考虑了电池老化和燃气消耗的情况下，气电动力混合热泵系统运行成本更低而且其平均一次能源利用率相比燃气机热泵高约14.06%。陈涛［25］对气电动力混合热泵系统、燃气机热泵和电热泵采用了全生命周期评估的方法，从生产装配、系统运行以及回收处理3个阶段分析了其环境影响指标。结果表明燃气机热泵对环境的损害仅为电热泵的二分之一，具有良好的环保性。气电动力混合热泵系统虽然初始设备对环境的影响指数高于燃气机热泵，但是由于其运行效率更高，在一定的运行时间后，前者的环境效益优于后者。
杨昭团队将气电动力混合热泵系统与蓄电池相耦合。Zhang等人［26-27］利用APSO算法对该系统进行优化，研究结果得到其在供暖、制冷和过渡期的一次能源利用率相比传统燃气机热泵分别要高6.11%、19.11%和34.83%。通过利用天津市典型年的气象数据，以典型空调日和典型供暖日的建筑冷热负荷特性作为研究数据，对气电动力混合热泵系统和燃气机热泵在住宅、酒店建筑、办公楼、大学建筑中的运行性能进行模拟，结果表明前者的全年一次能源利用率分别比后者高21.4%、35.2%、23.0%和26.6%。Qiang等人［28］对气电动力混合热泵系统的3种运行模式分别为发动机驱动热泵向建筑供能而蓄电池蓄能、发动机和蓄电池联合驱动热泵向建筑供能、蓄电池驱动热泵向建筑供能进行研究，结果表明这3种模式下气电动力混合热泵系统的一次能源利用率分别比传统燃气机热泵在相同负荷下高67.87%、9.50%、32.66%。此外，Zhang等人［29］还提出了将光伏和气电动力混合热泵系统耦合，得到的复合系统的热泵制热性能系数和系统一次能源利用率相比原来分别提高了24.5%和20.4%。
李先庭团队将气电动力混合热泵系统的电机与电网相连，相比与蓄电池结合，这种布置方式能源管理策略更简单。尚升［30］通过实验与模拟相结合的研究方法，建立了该系统的模型，研究结果表明当以系统综合能源效率为指标时，环境温度低于-7 ℃时应采取发动机与电动机联合驱动，-5~3 ℃的中温区间采用发动机驱动，当气温继续升高时则采用电动机驱动。当以经济性作为考核指标时，根据设备成本和电价可以计算得出临界燃气电价比，以分时电价决定发动机和电动机运行比例。Shang等人［31-32］还通过模拟对比计算了气电动力混合热泵系统与燃气机热泵和电热泵在北京和上海地区的运行性能，得到在北京地区气电动力混合热泵系统的一次能源利用率比燃气机热泵和电热泵分别高10.9%和14.4%，而在上海地区分别高18.5%和7.3%。以北京商业建筑为例，3种供热系统的全年一次能源消耗量分别为94.2、95.7、100.0 kW·h/m2。
综上，气电动力混合热泵系统理论上拥有比锅炉混合热泵系统更高的能源效率，但是其机械结构和控制策略更加复杂。目前气电动力混合热泵系统仍处于模拟研究和实验阶段，距离商业化推广应用的目标还比较遥远，对其控制策略和应用场景还需要进一步深入研究。
气电混合热泵系统在能源效率、碳排放量和运行费用等性能指标上都优于单一电热泵或者燃气锅炉的系统。锅炉混合热泵系统具有较好的能源效率和经济性。由于初始投资成本和控制系统成本以及维护费用的增加，锅炉混合热泵系统的经济性下降，降低了消费吸引力。中国拥有巨大的热泵市场潜力，结合中国北方地区的气候特点，锅炉混合热泵系统有望成为供暖系统低碳转型的有效解决方案。气电动力混合热泵系统可有效节约能源，但是由于其机械耦合的复杂程度高，控制策略复杂，且系统能效受气候影响极大，商业化难度较高。
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