建筑制冷采暖熱水一體化系統的現狀及新構想

李 媛,山石泉,何國青

(1.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400030；2.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027；3.浙江大學 建筑技術研究所，杭州 310058)

建筑制冷采暖熱水一體化系統的現狀及新構想

李 媛1,山石泉2,何國青3

(1.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400030；2.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027；3.浙江大學 建筑技術研究所，杭州 310058)

立足于節能減排的大背景，闡述了建筑制冷采暖熱水一體化系統對節能與環境保護的意義。總結了現有的一體化系統原理、優缺點。在此基礎上提出了一種新型的一體化系統構想，該系統能較好的解決目前存在的問題，有較高的運行效率。對促進一體化系統的產業化提供參考。

一體化系統；；太陽能集熱器；空調；地暖系統

0 引 言

隨著我國經濟的持續發展，空調、太陽能熱水器等各種建筑設備大量地進入人們的日常生活中。與此同時人們對住宅舒適度要求也在提高，因此地暖的使用量也不斷增加。單獨的設備在運行時存在協調性不足，能源利用率低等問題。在能源與環境問題嚴峻，節能減排刻不容緩的大背景下，實現制冷采暖熱水系統的一體化，各個部件之間能夠相互彌補不足，從而節省能源，控制排放，降低用戶的投資。從當下以及長遠來看，都有十分重要的意義。

1 一體化系統的現狀

目前已有生產的制冷采暖聯合系統主要有空調熱水器一體機，它能夠實現家庭采暖制冷以及熱水的聯合供應，提高能源利用率。太陽能作為一種清潔能源，其熱利用技術已經相當成熟，在北美、歐洲一些發達國家，太陽能供熱系統的應用已有幾十年歷史[1]。將太陽能熱水系統與空調相結合是目前一體化系統研究的趨勢，已有部分高校、科研機構進行相關研究。此外，如何更好地實現與建筑的相融合，進一步優化系統，提高節能水平是目前研究的重點。

對于利用太陽能的一體化系統，按照動力來源的不同，本文將其分為兩類：(1)以熱能驅動的一體化系統；(2)以電能驅動的一體化系統。其中第一類使用太陽的熱能驅動制冷。這種類型的一體化系統能夠在夏季太陽輻射強，氣溫很高的情況下，把富余的太陽熱能轉化為空調降溫，從而使得太陽能得到更加合理的利用。熱能驅動的制冷技術也有多種方式，其中以吸收式制冷較為普遍。對于第二類一體化系統，可以通過光電轉化后，使用電力驅動壓縮機制冷或制熱。但由于光電轉化發電成本高，效率低，因此應用性不強。另一種是以電驅動壓縮機，太陽能用來輔助加熱熱水，這種系統簡單，投資低，在冬季節能效果顯著。

1.1以熱能驅動的一體化系統

這種類型的一體化系統主要使用太陽能吸收式制冷技術。吸收式制冷技術是利用吸收劑的吸收和蒸發特性進行制冷的技術，它以太陽能集熱器收集太陽能產生熱水或熱空氣，再用太陽能熱水或熱空氣代替鍋爐熱水輸入制冷機中制冷[2]。其具體原理如圖1所示。

圖1 太陽能吸收式制冷示意圖

太陽能集熱板吸收的熱量來加熱水，再用熱水來加熱發生器中的溶液，從而產生高壓蒸汽，進入冷凝器冷卻，再減壓節流回到蒸發器中，由液體汽化吸熱實現制冷，自蒸發器出來的低壓蒸汽進入吸收器，形成的溶液由泵送入發生器中，完成一個循環。

要實現空調熱水的一體化，一般的思路是把集熱器收集的太陽能熱量一分為二，一部分用于熱水，一部分用于制冷。從而更加合理的利用夏季過剩的太陽能。

胡志新[3]等人提出了一種太陽能空調熱水一體化系統，使用溴化鋰吸收式制冷機，配備生活熱水以及制冷用水兩個水箱，以太陽能熱水作為能源來驅動溴化鋰制冷機制取冷凍水并送入風機盤管實現夏季空調制冷，生活熱水則直接通過太陽能集熱器制取。除此之外，系統還配備了電加熱爐輔助加熱，以適應極端氣候。

綜合來看，以熱能驅動的一體化系統能夠在夏季很好的分配太陽能熱量，實現制冷熱水聯產，節約能源，減少了空調制冷劑對環境的破壞。

1.2以電能驅動的一體化系統

這種類型的一體化系統以電能驅動熱泵壓縮機，實現采暖及制冷。利用熱泵冷凝端熱量聯合太陽能集熱器加熱水，有效利用太陽能，在一定程度上節約了電能。

江樂新[4]等人提出了一種太陽能空調熱水一體機并對其供暖及制熱水模式進行了分析研究。結果顯示，在最佳的控制策略下可以實現冬季供熱及制熱水模式能源利用率的最大化。圖2為其一體機供暖及制熱水原理圖。

其中太陽能集熱器為制熱水的主要熱源。熱泵系統的冷凝器裝有水冷換熱器與風冷換熱器兩種換熱器，串聯接入系統中。在太陽輻射充足，太陽能集熱器收集的能量可以滿足建筑制熱水需求時，關閉水冷換熱器循環泵，使其不參與熱泵循環?？照{完全按傳統的制熱方式對房間供暖；在太陽輻射較弱的情況下，太陽能集熱器收集的熱量不能夠滿足房間制熱水的需求，于是在一定的時間內開啟水冷換熱器循環泵，利用熱泵對生活熱水進行加熱，使其達到預定水溫。這樣的運行模式對風冷冷凝器影響比較小。因此能夠緩和冬季制取生活熱水以及供暖之間的矛盾，通過引入太陽能在很大程度上提高了系統的整體運行效率。

圖2 一體機供暖及制熱水原理圖

2 一體化系統存在問題

雖然目前已有產品化的空調熱水一體化系統以及許多尚處于研究開發階段的新型制冷采暖熱水一體化系統，但它們依然存在一定程度上的不足。

對于已經產業化的空調熱水一體化系統，在夏季運行時能夠在制冷的同時利用余熱加熱水，很好的提高運行效率。但在冬季時，由于空調制熱量根據使用場合的熱負荷來決定，而且制熱量只包括風冷換熱器產生的熱量，因此在加入制熱水的模塊后則會造成整個效率的降低。

對于利用太陽能吸收式制冷技術的熱能驅動一體化系統，在夏季能很好的實現太陽能制冷兼制熱水。但在冬季由于太陽輻射的減少，單純以太陽熱能則不能滿足供暖兼制熱水的需求。除此之外，由于造價高以及效率低等原因，也限制了它的應用。

對于加入太陽能模塊的電驅動空調熱水一體化系統，能夠協調冬季制取生活熱水和供熱之間的矛盾。隨著生活水平的提高，人們對住宅舒適度的要求也相應提高，輻射供暖因其節能、舒適, 不占用室內使用面積等突出優點在北方地區及華東地區大面積使用[5]。而這種一體化系統以傳統空調運行模式進行供暖，在舒適度上不如輻射供暖的地暖系統。除此之外，這種一體化系統盤管里的制冷工質一般為R134a等有機制冷劑，如果應用到醫院、學校、辦公樓等大規模建筑中，則需要大量的有機制冷工質，這樣除了會增加投資成本，還會對環境造成污染。

3 一體化系統的新構想

3.1設計出發點

在目前已有的各種采暖制冷熱水一體化系統基礎上，設計新型的一體化系統，主要考慮以下幾個出發點：(1)考慮一體化系統要同時適應冬夏兩個制冷采暖季節，在冬季和夏季均能有較好的系統運行效率；(2)設計的一體化系統要考慮與建筑的結合性以及住戶的舒適度。(3)冰箱作為現代住宅必不可少的電器，可考慮加入系統中；(4)系統應能夠適應較多類型的建筑，具有普適性；(5)在具有較高運行效率的同時應考慮降低投資總成本。

3.2新型一體化系統結構和原理

在綜合考慮以上設計出發點后，設計的新型采暖制冷熱水一體化系統如圖3所示，整個一體化系統以電驅動的冷水機組為核心，加入太陽能集熱器模塊來制取熱水。整個系統收集到的熱量集中在蓄熱水箱中，制取的冷量集中在蓄冷水箱中，用于集中分配。制冷采用風機盤管，采暖使用地熱輻射供熱。

一體化系統的制冷空調系統由冷水機組、蓄冷水箱、風冷冷卻塔、制冷風機盤管以及泵和三通閥門組成。熱水系統由太陽能集熱器、蓄熱水箱組成。地熱采暖系統由冷水機組、蓄熱水箱、冷卻塔、地熱盤管系統及泵和三通閥門組成。

在夏季可以通過調整三通閥使得冷卻塔、冷水機組及蓄冷水箱三者形成循環，將蓄冷水箱中的水制冷到7 ℃左右儲存起來，這個過程可以在每天溫度最低時進行，這樣有利于提高空調系統的制冷系數COP，從而節約電能；當需要制冷時可將蓄冷水箱中的冷水通入風機盤管進行循環制冷。由于采用了蓄冷水箱，冷水機組可以運行一段時間再停機一會，由蓄冷水箱實現持續制冷，從而冷水機組運行時間少于制冷循環時間，可以延長機組使用壽命。

夏季太陽輻射較強，一般能滿足生活熱水需求，而且可以在每天太陽出來前，先調節三通閥使蓄熱水箱與冷水機組及蓄冷水箱接通形成循環，先將蓄熱水箱的水由25℃左右加熱至35 ℃實現對水箱中的水進行預熱，之后再調節三通閥切換到風冷冷卻塔，從而有效利用了空調制冷余熱。一天之間太陽能集熱器收集的熱量可將蓄熱水箱中的水加熱到70 ℃以上，滿足生活用水需求。當夏季某日太陽輻射不足，水溫不能達到要求時，則調節三通閥，利用制冷系統冷凝熱加熱蓄熱水箱至所需溫度。

圖3 新型一體化系統原理圖

冬季則不使用空調制冷系統。而太陽輻射在冬季一般不能滿足室內采暖供熱的需求。根據設計標準，冬季地暖水溫可設定為50 ℃。調節三通閥使冷水機組及冷卻塔從室外吸收熱量與太陽能集熱器共同加熱蓄熱水箱中的水至50 ℃儲存在蓄熱水箱中。需要采暖時，則通入地暖的盤管中，利用地暖輻射進行室內供熱。熱泵加熱水可在冬季一天溫度最高時進行，會提高熱泵的性能系數COP。同樣，由于蓄熱水箱能夠儲存熱量，冷水機組可以間歇運行，延長機組的使用壽命。

冬季生活熱水可從蓄熱水箱中抽取50 ℃的水再用熱泵熱水器加熱至所需溫度70 ℃以上。

冰箱的余熱采用水冷換熱器回收，因此冰箱需要特殊的設計和改造。經過調研計算，每臺冰箱每日會有大約5 300 kJ的熱量產生，假設全部回收利用，通過公式:

Q=cρLΔt

(1)

式中:c=4.186 kJ/(kg·℃),ρ=1 kg/L。

現代服裝設計中創新應用傳統文化元素與藝術價值，第一個必要性體現在，這是現代服裝設計創新突破的需要。民族的也是世界的，傳統文化為當代的服裝設計提供了源源不斷的設計思路和設計理念，面對著當前高速發展的時代和服裝設計行業的加速更新和變革，行業內部的更新換代以及行業內部的競爭也愈發的激烈，面對這樣的現實狀況，現代服裝設計師在日常工作的過程當中所需要巨大的靈感，而這些靈感則必須是要適應市場的，有可落地實施的價值的，基于這樣的現實考量，從傳統文化當中吸取營養就顯得非常必要。

計算可知，每臺冰箱的余熱可以使126.6 L的水升高10 ℃。設計24 h內流過126.6 L的水參與冷凝器換熱。于是在一體化系統中使用水泵控制水流速為5.275 L/h。中間設計一個容積為50 L的小水箱，在此小水箱中儲存一定量的水來實現與冰箱冷凝器換熱，從而回收冰箱余熱。

在春秋兩個季節，沒有采暖和制冷的需求。生活熱水可通過太陽能集熱器制取，當太陽輻射不足，水溫不能達到70 ℃時，調節三通閥使冷卻塔、水冷機組、蓄熱水箱形成循環，加熱蓄熱水箱中的水至70 ℃。

3.3系統的優點

(1)一體化系統能夠適應一年四季不同環境需求。綜合利用了太陽能以及空調冰箱等設備余熱，提高系統整體運行效率。

(2)利用熱泵技術將空調熱水結合在一起。夏季室外溫度最低時制冷，冬季在室外溫度最高時制熱，能夠提高系統的性能系數COP。

(3)每天先用熱泵對熱水進行預熱，從而可使用更少的太陽能集熱板，減少了系統的初投資。

(4)使用水作為冷媒介質來進行制冷，減少了有機工質的使用量，降低成本，有很好的環境友好性。冬季使用地暖輻射供熱，供熱均勻舒適；夏季采用風機盤管制冷，可兼顧除濕。提高住宅的舒適度。

3.4可能會遇到的困難及解決方法

(1)冬季生活熱水溫度與地暖所需水溫不同，因此儲熱水箱中的水只能升溫至50 ℃左右。生活熱水的制取可以再通過一個空氣源熱泵加熱器加熱至所需溫度。

(2)冰箱的適應性問題。因為一體化系統中需要回收冰箱余熱。而現有的冰箱以風冷冷凝器為主，因此可改造成水冷型，也可以重新設計與系統匹配的冰箱。

(3)自動控制系統的設計。為了實現系統性能的最優化，需要在不同的環境條件下使用不同的運行策略。為了系統穩定運行，需要設計準確的溫度監測點，反饋系統并保證控制的靈敏性以適應時刻變化的內外環境情況。

4 結束語

建筑采暖制冷熱水一體化系統的研究與開發符合節能減排的大政方針。雖然目前已有相關產品以及大量的研究成果，但依然在提高系統效率，降低投資成本等方面需要進一步的研究，從而推進實際應用進程。

對于熱能驅動的一體化系統，目前的吸收式制冷技術成本高，效率低。因此應簡化系統，優化結構，向小型化發展。從而提高效率，降低成本。

對于電能驅動的一體化系統，壓縮式制冷技術已十分成熟。未來發展應以優化系統、優化自動控制方法為重點。

未來一體化系統還應兼顧與建筑的適應性，外形美觀，能夠適應多種建筑，適應各個季節，保證入住人員的舒適。

未來的新型系統還可以耦合其他新能源如風能、地熱等，從而進一步提高系統運行效率，減少環境污染。此外，儲能技術的研發及應用，也將推動一體化系統的改革與發展。

[1] 鄭瑞澄.太陽能供熱、采暖工程應用及經濟性分析[J].建設科技,2008.

[2] 謬仁杰，李淑蘭.太陽能利用現狀與發展前景[J].太陽能利用現狀與發展前景.應用能源技術,2007,(5):30.

[3] 胡志新，虞耀軍，歐陽衛強，等.太陽能空調熱水一體化技術開發研究[J].九江學院學報(自然科學版)2006,(2)：5-6.

[4] 江樂新，胡志勇，黎恢山.太陽能空調熱水一體機供熱兼制熱水模式的性能研究[J].流體機械,2011,39(2)：62-63.

[5] 劉 翔，王長慶. 華東地區低溫地板輻射采暖實驗及模擬[J]. 能源技術, 2007, 28(4): 40-48.

Status and New Prototype of Refrigeration and Heating with Hot Water Integrated Solar Building System

LI Yuan1, SHAN Shi-quan2, HE Guo-qing3

(1. College of Construction and City planning, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2. College of Energy engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;3. Institute of Construction technology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Based on the background of energy saving and emission reduction, the author expounds the meaning of refrigeration and heating with hot water integrated solar building system for energy saving and environmental protection. Then the author summarizes the principle, advantages and disadvantages of integration system. On the basis of this, a new integrated system conception is proposed. This system can better resolve the existing problems and has higher efficiency. What's more, it can provide the reference for promoting the Industrialization of integration system.

Integrated system; Solar collector; Air condition; Floor heating system

2015-06-10

2015-06-29

李 媛(1994-)，男，重慶大學建筑城規學院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.011

TU831.3.7

B

1009-3230(2015)07-0035-05