基于熱泵和太陽能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯供系統研究

魏海翔，梁鎮杰，梁海珍，劉翠華

（1.中山市技師學院電氣應用系，廣東中山 528403；2.中山市黃圃鎮科委，廣東中山 528429；3.華南理工大學，廣東廣州 510640）

0 前言

當今世界，節能與環保問題日益提上日程。伴隨著能源緊缺的影響，“電荒”的影響，對環境質量要求進一步提高，就對諸如熱水器、暖氣、空調等這些高能耗的生活日常用品提出了更高的節能要求。對廣大居民來說使用清潔、節能的熱水器、暖氣、空調，也可以節省大量的生活開支，提高人民的生活水平［1］。

因此，本著節約能源和開發利用清潔、可再生能源的原則，開發新型節能環保的制冷、制熱、熱水、除濕四位一體裝置是利國利民的大事，已經迫在眉捷。

1 系統介紹

基于熱泵和太陽能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯供系統的技術特點在于：（1）通過直流變頻、智能控制等技術，實現從-25℃到43℃環境條件下正常工作；（2）通過雙系統設置，實現低溫冷水除濕和高溫冷水供冷的兩級冷源，夏季制冷高效節能；（3）通過超低噪聲、高可靠性的壓縮機技術和超低噪聲、高效率風扇換熱技術，明顯降低了室外主機噪聲；（4）本技術應用在家庭住宅，實現制冷、采暖、生活熱水、除濕多聯供，節支節能；（5）采用能源優先等級智能自動控制的集中供暖控制，次序為：太陽能→熱泵→其他輔助能源，舒適節能；（6）熱泵室外機組內部結構制造工藝改進和技術創新突破，室內機組的創新工業設計；（7）針對住宅建筑特點及使用特點，在空氣源熱泵和地板采暖、風機盤管中央空調制冷、內置盤管換熱器儲熱水箱的系統集成應用中，分析了從熱源、管路系統、室內散熱制冷末端、自動控制系統等設計、安裝、維護過程中存在的問題，在水力系統的適應性、管路布置、冷凝水處理、適合家庭的超薄風機盤管、防風雪蚊蟲的熱泵整機結構等方面提出了創造性的解決方案，使得這一成果能順利走向實際應用，具有大范圍推廣的可行性［2］。

2 系統設計

基于熱泵和太陽能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯供系統的系統結構如圖1所示，其系統組成有：太陽能集熱系統、變頻空氣源熱泵能源系統、恒溫熱水供應系統、低溫熱水地板輻射采暖系統、超靜音送風系統、除濕系統、OPRD集成控制系統。

2.1 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統是由太陽能集熱器、集熱器支架、循環管路、循環泵、閥門、過濾器、儲熱水箱等組成。集熱器由太陽能采暖專用真空管和特制的采暖聯箱組成，集熱器能超低溫差傳導、承壓運行、抗風、防凍、防垢、防曬、防漏等，真空管經過特殊加工處理，萬一玻璃管損壞，集熱器也不會漏水，依然可以照常運行。集熱器和支架結構設計合理，外觀和功能完美結合，不會破壞建筑物美觀，并可起到屋頂、外墻隔熱層作用。

集熱器采集的熱能以水為載體，通過循環管道儲存在水箱中。水箱有兩個，一個是多功能水箱，主要用于存儲生活熱水，另一個是緩沖水箱，主要用于夏天制冷、冬天采暖及吸收多余熱量。水箱與集熱器的安裝采用集熱器在高位，水箱在低位的方式，強制循環，并且采用停機排空的運行方式，確保太陽能采集器和系統防凍，大大提高了系統安全性和采集熱能效率［3］。

本系統優先使用太陽能集熱系統來滿足系統需要的熱量，當太陽能集熱系統的熱能不夠時，由空氣源熱泵能源系統輔助提供熱能。

圖1 基于熱泵和太陽能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯供系統結構圖

2.2 變頻空氣源熱泵能源系統

本系統可作為輔助能源或主能源系統使用，選用自主研制的直流變頻壓縮機空氣源熱泵機組AVH-24作用能源系統。主要技術指標:制熱量9.8 kW、COP4.5，制冷量8.0 kW、EER11.0，工作環境-25℃～43℃，電源電壓等級220 V，可根據設定的功能要求自動進行制冷或制熱切換。本空氣源冷熱泵機組由于采用自主研發的直流變頻壓縮機已成功實現室外溫度-25℃時也能正常工作，其額定制熱量衰減比普通熱泵機組減少33%左右。機組在室外溫度0℃時運行的能效比可達到3.0。

本直流變頻壓縮機熱泵機組在冬天也可獨立制熱，通過水換熱裝置，熱量以水為載體，通過循環管路儲存于多功能水箱和緩沖水箱中，供生活熱水和采暖。

本直流變頻壓縮機熱泵機組采用雙冷凝器技術，在夏天一個冷凝器進行制冷，提供冷氣，同時另一個冷凝器進行制熱，提供生活熱水。

本熱泵系統采用直流變頻技術、專有超靜音技術、雙冷凝器技術，機組在極嚴寒的環境中（-25℃）制熱平穩、可靠，和地板采暖等低水溫供暖末端配合，在冬季采暖高效節能，在夏季供冷的同時供熱。

2.3 低溫熱水地板輻射采暖系統

本系統采暖方式采用低溫熱水地板輻射采暖，每組分別采用溫控器控制，采用地暖與熱水結合的水溫自動控制模式。在冬季采暖時，以太陽能集熱系統、變頻空氣源熱泵能源系統生產的熱水為熱媒，在地板下的盤管中流動來加熱地板，通過加熱的地板輻射向室內供暖。由于加熱盤管在地板下面，地板輻射的熱量從低處向高處傳遞，為人們活動區域有效提供熱能，熱能損失少。低溫熱水地板輻射采暖不占用室內空間且室內溫度均勻不干燥，而普通暖氣片供暖冷熱不均勻還占用室內空間。低溫熱水地板輻射采暖所需供水溫度在45℃，與人體的體溫相近，舒適性強，而普通暖氣片供水溫度85℃～95℃，人體舒適性較差，同時從采暖水箱到采暖末端都是低溫熱水傳輸，傳輸熱能損失大大減少［4］。

本系統中采用冷暖分集水器及定位分水器，將制冷供回水管、制熱供回水管統一為冷熱供回水管，這樣，在第一層管路中布置冷凝水排水管、自來水管、生活熱水管和電線管，第二層管路布置中布置地暖管及冷熱供回水管。

2.4 恒溫熱水供應系統

本系統生產的熱水一方面在冬天提供采暖，另一方面通過熱水供應系統一年四季為用戶提供生活日常用熱水。本系統采用自動恒壓供水控制裝置保證用水終端水的壓力，不會出現供水不足或斷水現象；采用自動恒溫供水控制裝置保證時刻提供有舒適溫度的熱水。

本系統使用太陽能加熱自來水，或者使用內置高效率盤管換熱器的承壓水箱來取生活熱水，熱泵加熱水箱中的水，自來水經過高效率盤管換熱器從水箱儲水中吸熱成為可用的生活熱水，為提高熱泵制取的效率，水箱可向廚房、洗衣房等提供低溫生活熱水，向淋浴提供中高溫生活熱水，因水箱中的水是閉式循環的水，可以進行有效的水處理，因此水箱的壽命可得到有效的保證［5］。

2.5 超靜音送風系統

本系統利用了風冷熱泵機組的特點，在冬季為低溫熱水地板輻射采暖系統提供熱能補充，在夏天提供制冷需求，一機多用，充分利用能源，降低投資成本和生活成本。在夏季需要制冷時，系統進行自動轉換，將多功能水箱和緩沖水箱分開獨立使用，太陽能集熱器或一臺熱泵機組生產熱水并儲存在多功能水箱為用戶提供熱水。由一臺熱泵機組生產低溫水并儲存于緩沖水箱，低溫水通過風機盤管吸收室內熱量，為室內降溫，達到制冷目的。由于采用冷水制冷系統，室內水分及人體水分不易流失，比直接使用制冷劑的空調系統舒適性高。在冬天需要制熱時，系統進行自動轉換，將多功能水箱和緩沖水箱合并使用，太陽能集熱器或熱泵機組生產熱水并儲存在多功能水箱和緩沖水箱內為用戶提供熱水，同時熱水通過風機盤管向室內傳遞熱量，為室內升溫，達到采暖目的。

同時使用了適用于住宅使用的超靜音風機盤管、管路系統中的關鍵工藝，提高了生活的舒適性。

2.6 除濕系統

南方地區在春季經常是陰雨連綿，此時氣溫剛好回暖，室外回暖的熱空氣進入溫度較低室內，室內濕度增大，超過90%，必須進行除濕，但同時溫度又不低，才能保證生活的舒適、家居的安全。

本系統采用熱泵系統冷凝熱回收技術讓室內空氣在除濕的同時回升溫度，即在室內風盤送涼風將室內空氣中水蒸氣凝結排走的同時，將冷凝熱回收用于地面輻射供暖，使室內溫度回升，做到除濕而不降溫，室內干燥而不冷，既節能又達到除濕的目的，改變了用空調除濕，但溫度下降的缺點，是真正的除濕。

2.7 OPRD集成控制系統

通過專利技術-主機OPRD集成控制整個系統的運行，進行制冷與制熱的切換，冷熱切換平穩、可靠；實現多種運行模式選擇：制熱、制冷、熱水、制熱+熱水、制冷+熱水，完全滿足用戶多方面的需要；通過單片機自動控制供暖控制：太陽能→熱泵→其他輔助能源，實現能源節省。

本系統采用自動控制技術，自動識別光線強度，優先采用太陽能集熱系統供熱，同時監測水箱水溫，能及時投入空氣源熱泵能源系統，保證供水溫度，同時自動控制水位，供水系統自動循環保溫，實現恒溫恒壓供水；采暖、制冷、除濕實施各區域獨立模糊控制，降低能耗、節約能源；為了確保用戶人身安全和產品安全，還設置了多種電氣保護措施和機械保護措施，如過載保護、短路保護、防漏電墻、缺水保護、超溫保護、過壓保護、低壓保護、水壓保護、頻繁啟動保護等。控制系統顯示屏實時狀態顯示，顯示功能狀態、參數設置以及設備運行情況，并能自動檢測系統故障并顯示故障，方便用戶報修和維修人員檢修。設計有峰/谷電價智能應用功能，在谷電時間段內使用輔助能源蓄能，減少電費。

本系統采用的全智能化控制，充分利用了可再生能源，同時智能分配能源，最大限度地節約了能源的使用，并且保證了整個系統的可靠性、安全性和穩定性［6］。

3 結論

本技術的空氣能熱泵與太陽能系統聯合運用是一項符合社會可持續發展的，節能環保的技術措施；同時是空氣能熱泵行業和太陽能行業的重大突破。吸取空氣、太陽、水等低品位熱源的熱量來制取生活熱水和采暖，是基于逆卡諾循環的熱科學的良好應用；但是，由于熱泵循環固有的特性，對于利用空氣能為熱源的機組，冬季制熱的可靠性受到了挑戰。本技術采用環保冷媒直流變頻壓縮機熱力循環、模糊控制等一系列技術手段，使得空氣能熱泵的制熱量和制熱能效比顯著提高，解決了空氣源熱泵低環境溫度下制熱的可靠性、能效比等難題；利用太陽能或其他的熱源作為輔助熱源，可以降低能耗和運行成本，提高制熱能效COP值，推動了我國能源利用的科技進步。

空氣能、太陽能等作為可再生能源，在建筑領域的能源利用中發揮著越來越重要的作用，基于直流變頻熱泵及多能源利用的節能舒適型住宅供暖冷和熱水的裝置及系統集成技術的利用是解決我國能源和環境問題的重要措施之一，極大地推動了社會經濟發展和科技進步［7］。

［1］張明昭.太陽能、空氣源熱泵系統、鍋爐供暖聯合供熱的研究與實踐［D］.北京：華北電力大學，2010.

［2］李素花，代寶民，馬一太.空氣源熱泵的發展及現狀分析［J］.制冷技術，2014（01）：42-48.

［3］肖昭文.太陽能：采暖-制冷-熱水三聯供［J］.城市住宅，2010（02）：108-110.

［4］許可，王樹剛，蔣爽，等.空氣源熱泵用于低溫熱水地板輻射供暖系統的模擬研究［J］.制冷技術，2014（01）：12-17.

［5］張月紅，徐國英，張小松.太陽能與空氣復合源熱泵熱水系統多模式運行實驗特性［J］.化工學報，2010（02）：484-490.

［6］郭超，王芳，羅謨嬌，等.太陽能、空氣源熱泵熱水系統性能優化實驗研究［J］.制冷學報，2013（05）：41-46.

［7］魏海翔，李善欽，劉翠華.高壓可視化天然氣水合物實驗裝置的研究［J］.自動化儀表，2013（06）：9-11.