引言“碳达峰、碳中和”背景下，未来我国的能源转换路径将从“由热到电”转变为“由电到热”，清洁能源及热泵技术的应用将是能源转换过程中替代化石燃料进行建筑供热的重要方式。严寒地区具有独特的气候条件，高速服务站等远离城市集中供热的建筑，更需要采用热泵供热系统，而在该气候区采用单一热源的热泵系统存在一些问题，如土壤源热泵运行造成“冷堆积”[1]、空气源热泵在寒冷环境下结霜等问题[2]，推动了学者对多源互补热泵-太阳能供热系统的研究。多能源互补供热系统在保证用户热需求的基础上，优先采用可再生能源，并以常规能源作为补充，能够突破采用单一热源的局限性，降低污染物排放，提高系统效率，减少用热费用，满足我国严寒地区清洁取暖需求[3]。目前热泵及太阳能供热系统的研究及应用主要集中在我国夏热冬冷地区或寒冷地区，在严寒地区的研究相对较少。我国严寒地区冬季寒冷漫长，供暖能耗巨大且大气污染严重，热泵和太阳能清洁供热技术是该地区未来的发展趋势。针对严寒地区目前应用较多的空气源热泵、土壤源热泵及太阳能供暖系统以及其耦合供热技术的研究现状进行总结，对多源互补清洁供热在未来发展和应用前景进行展望，为严寒地区多源互补供热系统优化设计及未来研究工作提供参考。1严寒地区清洁供热系统研究1.1空气源热泵系统近年来，空气源热泵在我国夏热冬冷及寒冷地区得到较为广泛的应用，但随着室外气温的降低，空气源热泵的制热量和运行效能呈下降趋势，且蒸发器结霜等问题突显，空气源热泵在严寒地区的应用引起了较多学者的关注。金光[4]等在严寒地区搭建太阳能-空气源热泵系统实验装置，并进行供暖特性研究。结果表明，使用太阳能与空气源热泵混合供暖系统的COP为2.01，较蓄热水箱与空气源热泵交替供暖及单一空气源热泵供暖模式分别提高6.90%和21.08%。王大同[5]等设计太阳能辅助多热源热泵系统，并进行节能特性实验，发现严寒地区太阳能在最充足时段的热能贡献率为31.17%，空气源热泵的能效比最高能够达到3.39。杨景洋[6]等利用Trnsys软件模拟严寒地区空气源热泵系统在不同供水流量、不同月份以及3个典型供暖日下的COP，发现供暖期初期及末期，空气源热泵运行稳定，满足供暖需求，但室外温度最低时不宜单独使用空气源热泵。刘馨[7]等针对严寒地区某办公建筑空气源热泵供暖效果进行长期监测，实测数据表明供回水平均温度为32.98 ℃和30.26 ℃，性能系数偏低的关键因素包括机组启停频繁、热泵系统能耗过高以及机组制热量和建筑瞬时负荷不匹配。Shao[8]等结合空气源热泵和新型末端散热器，探究空气源热泵在严寒地区的加热性能，结果表明空气源热泵系统与新型高效的末端散热器结合使用，可以有效改善供暖期室内热环境，系统的制热量、COP以及系统能效比均处于较高水平。武晓伟[9]等开发一种太阳能-空气源热泵联合供暖系统，在严寒地区进行运行试验，结果表明，在严寒条件下太阳能-空气源热泵供暖系统能够满足居民热舒适需求，供暖期间太阳能集热器与空气源供回水温度均能够满足系统要求。随着技术进步，目前空气源热泵可以用于我国严寒地区，但单一的空气源热泵技术应用效果仍欠佳，难以充分满足严寒条件下建筑的供热需求，但通过改进末端散热器形式或与太阳能系统联合进行供热，可以有效提高空气源热泵能效系数，满足整个供暖期室内热环境的需求。1.2土壤源热泵系统目前，我国严寒地区的部分建筑采用土壤源热泵系统进行冬季供暖，但在实践过程中产生的问题较多，学者对土壤源热泵系统在严寒地区的应用进行一定的实验和模拟研究。郝红[10]等研究严寒地区太阳能-土壤源热泵组成的串联、并联供暖运行方式。结果表明，串联运行模式的地埋管换热器与土壤间的最大换热效率优于并联运行方式，但串联系统供暖能效及土壤温度的受扰动情况相对较差。刘逸[11]等对太阳能-土壤源热泵供暖运行特性进行模拟研究，结果表明严寒地区太阳能-土壤源热泵联合供热机组的平均COP为4.4，与单独采用土壤源热泵供热相比，太阳能-土壤源热泵联合供热机组COP提高7.3%。陈培强[12]以瞬态模拟软件Trnsys为平台，针对哈尔滨市某小型办公建筑，依据太阳能-土壤源热泵耦合系统原理，将系统全年运行模式以季度进行划分，研究该耦合系统在严寒地区应用的可行性，发现夏季利用系统的太阳能回热能够优化全年运行方案，有效提高冬季供热系数。李佳阳[13]针对吉林省既有建筑冬季土壤源热泵的应用情况进行调查，提出夏季利用太阳能恢复土壤温度以弥补冬季取热的最佳方案。黄涛[14]等针对严寒地区建筑全年冷热负荷特点，设计一套太阳能-土壤源热泵耦合系统，并对系统的热平衡进行计算分析，优化太阳能的补热运行方式。在我国严寒地区，土壤源热泵与太阳能耦合系统在全年对土壤进行取热蓄热循环运行中，通过改变地埋管换热器分区布置形式及运行模式，可以有效改善小型建筑的采暖、制冷及生活热水需求，减少系统热量损失，维持土壤热平衡，提高系统灵活性，实现太阳能及地热能的梯级利用[15]，中心型、N型、H型与对角型地埋管换热器分区布置形式下热泵机组COP的全年逐月变化曲线如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.026.F001图1中心型、N型、H型与对角型地埋管换热器分区布置形式下热泵机组COP的全年逐月变化曲线我国严寒地区冬季寒冷漫长，但该地区土壤具有热容量大、蓄热能力强的特性，是良好的天然蓄热体，可以作为热源进行有效取热。但在严寒地区，土壤的初始温度较低，且供暖期较长，建筑所需的供暖热负荷远大于夏季冷负荷，如果直接采用土壤源热泵系统进行取热供暖，完全依靠土壤的自然回热，容易导致土壤热失衡。因此，必须结合太阳能系统进行全年综合应用，并在夏季充分利用太阳能进行热回灌以恢复土壤温度，有效保证土壤源热泵的冬季供暖性能。同时，通过采用合理的土壤源热泵与太阳能耦合系统串并联运行模式、地埋管换热器分区布置形式等，有效改善系统的全年运行状况，减少系统热量损失，维持土壤热平衡，提高系统灵活性，从而实现太阳能及地热能的梯级利用。1.3太阳能供热系统目前，国内外学者对多源互补清洁供热系统中太阳能集热器的研究主要集中在真空式太阳能集热器的设计优化方面，部分学者对平板等其他类型集热器供热系统进行相关研究。赵薇[16]等选取我国严寒地区典型城市沈阳市进行案例分析。结果表明，太阳能热利用方式对最佳倾角及方位角的组合具有显著影响，采用最优倾角和最优方位角组合时，全年运行期累积太阳辐射量可以提高3%~8%。通过实测得出沈阳地区太阳能集热器倾角与热水系统累积的辐照量之间的关系，实测结果对我国东北严寒地区太阳能供热系统集热器的布置方式研究具有一定意义。毛前军[17]等以东北严寒地区为例，分析LS-2型太阳能槽式集热器光热转化过程中的能量传递，发现室外温度为-20~20 ℃时，太阳能槽式集热器的瞬时效率随着聚光面积的增加而增大，且存在一个使瞬时效率趋于稳定的管流量及管长值。闫素英[18]等研究严寒地区聚光集热器末端损失严重的问题，发现太阳能集热系统的末端热损失随时间的变化趋势与太阳高度角的变化趋势相同，但与太阳方位角的变化趋势相反。徐鑫[19]等以严寒地区近郊一栋已建农宅太阳能供暖系统为例，研究其采暖期的运行状况。针对严寒地区住宅太阳能供暖系统，能够控制太阳能保证率在55%~60%之间的集热器面积较为合理。刘逸[20]等对太阳能集热器面积与地埋管换热器长度的关系进行大量可靠的重复性实验，太阳能集热器面积与地埋管换热器长度关系如图2所示。太阳能集热器布置面积与地埋管换热器长度之间呈现显著性较强的反比例关系。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.026.F002图2太阳能集热器面积与地埋管换热器长度关系在我国严寒地区冬季使用太阳能供热系统时，需要因地制宜地选择太阳能集热器形式、太阳能集热器面积、集热器布置形式，有效保证太阳能供热系统的高效稳定运行，且应进一步广泛开展针对严寒地区不同城市的太阳能供热系统研究，为太阳能与热泵联系供热系统的技术优化提供参考。2多源互补清洁供热系统运行多源互补供热系统通常由两个或两个以上热源组成，通过调节负荷量配比及调控运行方式制定系统运行方案，不同方案将在一定程度上影响系统能效。部分学者对严寒地区多源供热系统运行方案进行研究。Verma[21]等设计太阳能-土壤源热泵联合供暖系统，白天利用太阳能对土壤蓄热，夜间从土壤中取热，可以有效提升系统的COP，但此模式仅适用于间歇供暖环境。宋晓蓓[22]以哈尔滨市典型住宅为例，模拟分析多热源耦合热泵供暖空调系统的动态特性，得到该地区土壤温度场变化规律，同时分析系统在不同运行模式下的经济性问题。金雨荷[23]等通过模拟研究确定峰谷电价下哈尔滨地区多热源联合供热系统的最优能源配比方案。张晓明[24]等以沈阳市某办公建筑为例，以土壤热平衡为计算依据，设计空气-土壤双热源热泵系统，得到使用双热源热泵系统时室外最佳温度切换点的计算原理及方法，发现供暖季在沈阳地区切换使用空气-土壤双热源热泵系统的室外最佳温度点为-8 ℃。严寒地区多源互补清洁供热系统的研究目前主要集中在系统能效比及经济性方面，利用太阳能与热泵联合运行技术，通过合理地优化设计，可以使严寒地区土壤温度得到有效恢复，提升系统全年运行的稳定性，保证室内供暖温度；同时结合各地区峰谷电价政策，可以有效保证系统的能效比及经济性。但目前严寒地区多源互补清洁供热系统的研究对象主要为独栋小型建筑，对较大规模居住或办公建筑的应用研究相对较少，随着太阳能与热泵联合运行技术在严寒地区的推广普及，未来对较大规模建筑群的应用研究将进一步增加。3节能环保效益多源互补清洁供热系统技术主要以土壤源、空气源、太阳能为主，少部分系统结合蓄热电锅炉或秸秆锅炉等热源进行调峰。因此，多源互补清洁供热系统在节能的同时，不会对环境造成污染，实现供热的可持续发展。我国学者对严寒地区多源互补清洁供热技术的经济环保效益进行分析，并得到一些确定性结论。刘子雄[25]以我国北方典型代表城市北京、兰州、哈尔滨的气象参数和建筑围护结构特点为依据，对比分析多热源互补供热系统的经济性及可再生清洁能源供暖带来的环保效益。对比不同地区、不同供热系统的最优费用年值，太阳能和热泵联合供热技术的投资年金和运行费用相差不大，但采用电锅炉和燃气供热系统的后期运行费用过高。多源互补供热系统供热时，电能作为主要的消耗能源，可以通过将用电量折合为耗煤量计算污染气体的排放量，进一步折算为环境效益。结果表明，在哈尔滨地区采用多热源互补供热系统供暖形式时，污染气体减排量最大。严寒地区采用多源互补供热系统可以实现可再生能源的良好应用，在节能减排方面具有显著效果。宋炳奇[26]在严寒地区进行多源供热系统实验，通过实测分析多源供热系统在不同热源、不同运行策略下的特性，发现与集中供热模式相比，多源供热系统整个采暖季的节能减排效果显著。多源供热系统整个采暖季供暖费用平均为13元/m2，与长春市集中供热与电采暖相比分别节省59.9%和62.6%。应用费用年值法分析整个供暖期的供暖经济性，与燃煤锅炉供暖系统相比，太阳能-土壤源热泵联合运行系统更具经济性，其节能和环保效益较为可观[12]。应用太阳能与热泵联合运行的多源供热系统可以很好地实现清洁能源的有效利用，达到严寒地区供暖季节能减排的效果，加速推动碳达峰碳中和。4结语目前，在我国严寒地区推广以太阳能与热泵联合运行的多源互补清洁供热技术，对实现“双碳”、建立清洁低碳的智慧供热具有重要意义。通过合理配置能源、优化运行方案、结合各地区峰谷电价政策可以带来较高的节能环保效益。综合目前对多源清洁供热系统的研究现状提出以下展望：（1）多源供热系统的研究应因地制宜，在严寒地区应根据不同城市的气候特征及能源政策综合考虑进行应用与推广；（2）在技术研发的同时，也应充分考虑太阳能集热器与地埋管的占地面积问题，从而科学合理地逐步向大规模建筑群进行推广应用；（3）未来应进一步研究太阳能与热泵耦合系统的全年运行与控制策略，实现智慧供热的同时优化系统的综合能效，发挥系统最大的节能减排潜力；（4）太阳能与热泵联合运行系统未来的研究应结合现代储能技术，通过研究各部分热源的优化配置，保证在实现最低能耗的同时达到我国严寒地区清洁供热的最终目标。