不同供热模式下空气源热泵-水源热泵能源系统阵列中冷湿岛效应的形成机制与性能响应

《Energy》：Formation Mechanisms and Performance Responses of Cold & Wet Island Effects in ASHP–WSHP Energy System Arrays under Different Heating Modes

　　

摘要：高密度空气源热泵（ASHP）阵列可以循环冷空气并重新分配水分，但供热水温模式的影响仍然不明确。本研究利用一组八台机组的现场数据，比较了50°C直接空气源热泵供暖与30°C空气源热泵-水源热泵（WSHP）级联混合供暖。冷岛效应（CIE）和湿岛效应（WIE）通过空间干湿球温度差进行量化，并结合制热系数（COP）、湿度比差值、盘管除湿量和气象条件进行评估。在50°C模式下，中心机组的平均CIE达到2.02°C，比30°C模式高64%，最大值为3.61°C。50°C模式下COP通常低于3.0，而混合模式下COP通常超过3.0。采用经验性的70%相对湿度阈值来区分低湿度和高湿度运行区间。在低湿度条件下，CIE是高湿度条件下的1.9至3.2倍。在代表性高湿度组中，中心湿度比差值分别达到0.494和0.855 g/kg，而在30°C和50°C模式下，WIE分别降至-0.504和-0.691°C。负的WIE值表明局部干岛响应，与增强的盘管除湿量一致。总体而言，低温混合供暖减少了冷空气积聚，同时维持了更高的COP，而高温直接供暖则加剧了CIE和除湿响应。这些发现阐明了供水温度如何改变密集ASHP阵列的耦合热湿环境。

引言：全球能源需求的持续增长和对化石燃料的严重依赖正在加剧能源安全、环境污染和气候变化方面的挑战[1]。在全球终端能源消费结构中，电力和天然气分别约占20%和16%，而住宅和商业建筑贡献了超过40%的总能源消耗[2]，其中暖通空调系统单独就占了建筑能耗的约45%，并产生大量碳排放[3]。因此，减少供暖能耗和提高可再生能源渗透率已成为建筑领域实现碳中和的关键策略[4]，对既有建筑进行改造和替换低效的化石燃料供暖系统至关重要。在可再生能源供暖技术中，空气源热泵（ASHP）因其便捷的热提取、灵活的安装和强大的环境适应性而得到广泛采用[5]，相较于传统燃气锅炉具有显著的碳减排优势[6]。然而，ASHP性能对外部条件高度敏感：在低温高湿环境下，室外换热器上容易结霜，降低传热效率，增加能耗，破坏供暖稳定性[7][8]。为此，两级压缩[9]、喷气增焓和智能融霜控制[10]等技术应运而生，以提升ASHP在寒冷气候下的性能。除了结霜导致的传热退化外，ASHP阵列运行产生的冷/湿岛效应（CIE/WIE）日益被认为是限制系统性能的另一个关键因素。已有研究表明，CIE不仅恶化传热并增加能耗，还会抑制融霜性能并可能触发频繁误融霜，严重降低热泵阵列的整体供暖能力[11]。

CIE的形成机制和影响已通过数值模拟和实验进行了广泛研究。Wang等人[12]采用多孔介质模型模拟了单台或多台ASHP安装周围的流场和温度场，揭示了环境风速对蒸发器吸热的影响。Sun等人[13]报告称，优化机组排列或添加导流装置可以有效缓解CIE。Liang等人[14]通过现场测试比较了中心和周边机组的性能，发现中心机组承受更严重的CIE性能损失。Liu[15]进一步阐明了不同运行条件下再循环率的动态变化及其对环境风速的依赖性。其他研究[16]考察了风速、机组间距和阵列布局对蒸发器传热和平均进气温度的影响。然而，系统性的阵列尺度研究仍然有限，且大多仍基于数值模拟。从流体力学角度来看，ASHP排出的冷空气演变可视为典型的负浮力射流，涉及冷羽流下沉、环境空气卷吸、再循环和能量交换，基础流体力学研究为理解这些过程提供了重要的理论依据[17]，为ASHP引起的冷岛和湿岛效应的下沉和再循环机制提供了有益见解。

在定量表征和测试方法方面，Zhihao Wan[18]通过多元拟合回归建立了CIE与WIE强度之间的相关性，进一步比较了CIE强度与其空间影响范围之间的关系，揭示了运行机组数量与CIE强度之间的相关性。Li Xiaoyu等人[19]开发了基于先进激光流场测量技术的仿真与可视化结合系统，实现了气流组织的可视化和关键气流参数的精确检测与采集，填补了该领域测试方法的空白。Jiashuo Zhou等人[20]通过数值模拟为定量分析CIE导致的独立ASHP系统性能退化提供了工程证据，其提出的瞬态模型为准确表征ASHP机组中的冷岛效应提供了新方法。随着可再生能源的广泛应用，通过多能互补方式为WSHP提供低温热源已成为重要发展趋势，目前有三类典型的耦合形式正在使用，即PVT-WSHP[26]、PVT/AIR-WSHP[27][28]和ASHP-WSHP[29]。PVT系统因政策推动而得到广泛应用，通常将空气换热器与低温缓冲水箱结合，交替或同时为WSHP供能。然而，其集热容量通常较低，受环境影响较大，需要大量组件来维持稳定性，从而对建筑空间提出了较大要求。此外，独立PVT配置的初始投资[30]包括集热设备成本和土地获取成本，在中国日益严格的土地利用政策下，高昂的土地获取成本已成为限制此类系统推广的主要瓶颈。中国许多既有建筑仍依赖过时的化石燃料供暖系统或老化的ASHP机组，设备老化导致的性能退化进一步削弱了供暖系统的节能和低碳效益。相比之下，联合ASHP-WSHP模式因其能够有效缓解低温高湿条件下ASHP的性能退化而备受关注，且独立ASHP模式和联合模式均可独立满足供暖需求。Wang等人[31]提出了一种双源热泵系统，通过ASHP-WSHP协调运行将运行成本降低约10%；Wang等人[2]开发了一种结霜模型，表明级联利用使末端供暖能力提高13.9%，成本降低42%；Xing Wang等人[32]引入相变材料（PCM）蓄热进一步降低成本27.7%；Li等人[29]研究了中间缓冲温度对运行稳定性的影响，进一步深入了ASHP-WSHP耦合研究。

尽管已有研究考察了ASHP阵列中CIE和WIE的形成机制和影响因子，但仅限于单一定温的独立系统，未涉及级联联合运行下的演变。在实际中，ASHP-WSHP系统通常运行于两种模式，即出水温度约为50°C的独立直接ASHP供水，以及ASHP-WSHP级联供暖，后者中ASHP以较小的温升产生约30°C的预热水，然后由WSHP完成温升。两种模式在热提取强度和排气热湿条件方面存在根本差异，显著影响冷空气的排放、扩散和再循环，从而影响30°C模式下实际获得的效率收益。然而，目前尚缺乏对这两种模式下CIE和WIE的系统性比较和定量评估。

因此，本研究以实际工程中的ASHP阵列为研究对象，系统比较了50°C独立直接供水模式和30°C ASHP-WSHP级联模式下的CIE和WIE特征。与现有研究主要关注单固定运行条件下CIE和WIE的形成机制和影响因子不同，本研究的创新主要体现在以下三个方面：

（1）首次将运行模式（独立直接供水与级联联合运行）作为关键变量纳入CIE和WIE的比较分析框架，揭示了不同热提取强度和排气热湿条件影响冷岛和湿岛形成与演变的差异化机制。

（2）通过将机组性能与空气侧热湿环境关联，能够定量评估CIE和WIE对30°C级联模式下实际效率提升程度的约束效应。这有效弥补了现有研究仅强调级联模式效率优势而忽视其环境成本的不足。

（3）通过将热湿效应与水分输运行为相结合，分析实验现象和数据，发现CIE与WIE的对应关系随相对湿度变化而变化；当相对湿度超过70%时，排气区域出现局部干岛现象，冷岛与湿岛之间不再呈正相关关系。这一发现揭示了高湿度条件下耦合冷岛和湿岛机制的一项此前未被报道的特征。

通过对空气侧热湿环境、冷岛和湿岛的形成以及机组运行性能的综合分析，本研究揭示了供暖模式和室外条件耦合影响下CIE和WIE的形成机制和环境响应模式，为优化ASHP阵列布局和混合热泵系统运行模式选择提供了新的理论和方法参考。

工程系统概述：如图1(a)所示，本研究调查的ASHP-A系统安装在天津滨海区，位于渤海附近沿海地区。建筑物位于典型的寒冷气候区，采暖面积约13400平方米，末端采用风机盘管。供暖季从11月15日至次年3月15日，而制冷季从5月15日至9月15日。如图1(b)所示，天津的年平均温度为……

不同供暖模式下冷岛与湿岛形成特征及环境影响因素分析：图8是示意图，而非基于实际测量的绘图。它用于更清晰地说明冷岛效应和湿岛效应的形成。如图8a所示，ASHP-A阵列产生了明显的局部冷岛效应和湿岛效应，其范围和演变受到气象条件的强烈影响。阵列布置局部阻碍了室外气流，导致中心区域通风较周边区域弱，且……

结论：尽管50°C直接ASHP供暖简化了系统配置，但其较高的供水温度加剧了空气侧热提取，可能恶化阵列微气候和机组性能。利用现场测量数据，本研究比较了50°C直接ASHP供暖与30°C ASHP-WSHP混合供暖，评估了热湿环境、机组性能及其耦合关系。主要结论如下：

（1）供暖模式强烈影响了……的强度

研究局限性与未来展望：本研究仅依赖小型气象站获取现场气象数据，未采用CFD模拟，因此无法完全揭示ASHP阵列内的气流阻碍和扩散情况。未来研究将使用CFD模拟分析不同运行模式下冷岛效应和湿岛效应的形成与演变，并比较机组间距、阵列配置和气流组织方案。此外，关于微气候影响的结论基于……的数据

CRediT作者贡献声明：任海宝：验证、监督、软件。王雨博：监督、数据管理。黄菲阳：可视化。刘乐生：撰写——初稿、验证、软件。赵要华：验证、监督。

全振华：可视化、验证

利益冲突声明
作者们声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

刘乐生|全振华|赵曜华|王宇博|任海波|黄飞阳
北京工业大学北京市绿色建筑环境与节能技术重点实验室，北京 100124，中国