基于多能源互補的熱泵空調熱水系統應用

黃紫旭 杜 娟 印紅梅 何閆旭

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基于多能源互補的熱泵空調熱水系統應用

黃紫旭 杜 娟 印紅梅 何閆旭

（西南科技大學城市學院 綿陽 621000）

介紹了一種基于多能源互補的熱泵空調熱水系統?；诙嗄茉椿パa的熱泵機組可實現對空氣能、太陽能、淺層地能、污水余熱能等低位能源的互補利用，一套設備同時具備制冷、供暖、供熱水三種功能。

熱泵；多能源互補；雙電子膨脹閥

0 引言

熱泵機組作為一種空調、熱水系統冷熱源設備，其具有節能、環保、經濟、安全等明顯優勢。同采用冷水機組加鍋爐為冷熱源的空調、熱水系統相比，在相同的熱負荷下，熱泵機組消耗的電量通常不足前者的三分之一[1]。

熱泵機組能在輸入相對少量電能時利用低品位能源產生需要的高品位能源，但其利用低品位能源時都會受到一些局限性。如熱泵機組利用空氣源作為熱源時，能把低品位的空氣能轉移到高品位的采暖熱水和生活熱水中，其具有節能、環保、安全的優點，但會帶來蒸發器結霜問題[2]。熱泵機組利用太陽能集熱器所獲得的熱量作為熱源時，其能充分利用太陽能這一清潔的可再生能源，同時提高太陽能集熱器效率，但受天氣變化影響較大，具有不穩定性的缺點[3]。生活污水攜帶大量熱量，熱泵利用生活污水作為熱源，能回收污水中的余熱，提高能源利用效率[4,5]。

1 基于多能源互補的熱泵空調熱水系統介紹

基于多能源互補的熱泵機組示意圖如圖1所示，該機組同時具備制冷、供暖、制熱水三種功能，在制冷加熱水模式下，可實現冷凝廢熱的全部回收，節能效果明顯，有利于減緩城市熱島效應。基于多能源互補的熱泵機組與儲能水箱構成空調熱水系統，如圖2所示，該系統在中央智能系統的控制下最大程度的利用太陽能、空氣能、淺層地能、污水余熱能，并且在控制系統的調節下能適應四季變化，根據室內外溫度、濕度的變化，從而改變能量吸收、儲存、供給的方式，來實現能量的最大化利用。

基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統在全年運行中通過一套完整的自動控制系統控制閥門開閉可以實現以下五種工作模式：（1）單獨制冷；（2）制冷兼制生活用熱水；（3）單獨制熱；（4）制熱兼制生活用熱水；（5）單獨制熱水。同時多能源互補熱泵機組的水源電子膨脹閥和空氣源電子膨脹閥開度受自動控制系統根據室外溫度變化調節，從而使系統能很好的適應四季的變化以及惡劣天氣的影響。

1-壓縮機；2-四通換向閥；3-水源換熱器A；4-空氣源換熱器；5-水源電子膨脹閥；6-空氣源電子膨脹閥；7-水源換熱器B（帶儲液罐）；8-氣液分離器；9-用戶供水（YHG）；10-用戶回水（YHH）；11-熱源回水（RYH）；12-熱源供水（RYG）

B1～B5：水泵；F1～F15：電動閥

圖3 基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統現場

2 基于多能源互補的熱泵機組工作策略

在夏季，太陽輻射量非常大[6]，這時將太陽能集熱器加熱的水直接儲存到集熱水箱中，作為生活用熱水；同時基于多能源互補的熱泵機組在制冷時會釋放冷凝熱，在早晨和夜間氣溫較低時，冷凝熱優先通過空氣源換熱器釋放到空氣中，在中午和下午氣溫較高時，冷凝熱優先通過水源換熱器A釋放到生活熱水箱中，當生活熱水被加熱到滿足夏天生活熱水溫度（40℃）要求時，關閉水源電子膨脹閥A，開啟空氣源電子膨脹閥使冷凝熱通過空氣源換熱器釋放到空氣中。當遇到夏季酷熱極端天氣時，冷凝熱優先通過水源換熱器A釋放到淺層地下水中或建筑消防水池中。該運行模式下，在夏天多能源互補熱泵機組在制冷時冷凝熱被基本被保存下來，可提高空調熱水系統綜合能效比，有效減緩城市熱島效應，提高熱泵在極端天氣條件下的工作能效比。

在冬季，由于太陽輻射量太小[6]，太陽能升高的溫度上限低，即使持續加熱太陽能內部的水也無法升高，同時空氣溫度低，空氣源換熱器存在結霜的情況[7]，這時將太陽能集熱器中的低溫熱水通入到多能源互補熱泵機組水源換熱器A中進行能量的提取，同時開啟空氣源換熱器，此時空氣源換熱器和水源換熱器A同時工作，通過控制空氣源電子膨脹閥和水源電子膨脹閥開度比例，改善不利于熱泵工作的環境，提高熱泵的能效比。當遇冬季雨雪極端天氣時，太陽能集熱量極低，無法使用太陽能中的低溫水和空氣源換熱器進行能量獲取，此時將淺層地下水接入水源換熱器A以獲取淺層地熱能。在夜間沒有太陽輻射時，采用殼管換熱器將用過的生活熱水中的熱量回收到淺層地能儲水池中，供給多能源互補熱泵機組實現夜間能量提取。該運行模式下，多能源互補熱泵機組能最大限度利用冬季有限的太陽能、空氣能、淺層地熱能和污水余熱能，避免熱泵機組冬季運行時空氣源換熱結霜，保證基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統在冬季低功耗運行。

在春季和秋季時，基于多能源互補的熱泵機組以生產生活熱水為主要目的，機組其運行模式與冬季相似，不同之處在于初秋季節空調水箱作為生活熱水的備用水箱使用，主要用于實行階梯電價地區在峰谷電價時間段制備生活熱水的儲水水箱。

3 基于多能源互補的熱泵空調熱水系統控制

基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統控制核心是通過調節多能源復用熱泵機組的水源和空氣源電子膨脹閥達到多種低品位能源協調利用的目的，實驗采用如圖4所示的控制面板，使用同一臺額定功率為3.7kW的多能源復用熱泵機組，水源換熱器水流量不變。測試并分析水源電子膨脹閥和空氣源電子膨脹閥的開度與制冷效率之間的關系。

圖4 基于多能源互補熱泵機組控制面板

在制冷兼制熱水模式下，當空氣溫度為36.5℃，固定水源電子膨脹閥開度不變，改變空氣源電子膨脹閥開度，測試用戶供回水溫差和熱源供回水溫差，測試結果見表1。

表1 調節空氣源電子膨脹閥開度時的水溫變化

從表1可以分析得出，在熱源回水溫度低于環境溫度5℃左右時，當水源電子膨脹閥與空氣源電子膨脹閥開度相同，用戶供回水溫差最大為8.5℃，機組制冷效率最高。雖然熱源供回水溫差不是最大，但在制冷兼制熱水模式下，系統以制冷為主，控制策略主要考慮提高制冷效率。

在制冷兼制熱水模式下，當空氣溫度為 36.5℃，調節水源電子膨脹閥和空氣源電子膨脹閥開度相同，測試用戶供回水溫差和熱源供回水溫差，測試結果見表2。

表2 水源膨脹閥與空氣源電子膨脹閥開度相同時的水溫變化

從表2可以分析得出，在熱源回水溫度略低于環境溫度時，當水源電子膨脹閥與空氣源電子膨脹閥開度均在35%時，用戶供回水溫差最大為9.2℃，同時熱源供回水溫差最大為6.6℃，機組制冷效率達到最高。該多能源復用熱泵機組雙電子膨脹閥開度總和在50%-100%之間為宜，雙電子膨脹閥開度相同且在35%左右時制冷效率較高。

4 結束語

基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統能量主要來源于空氣能、太陽能、電能、輔助淺層地能、污水余熱能，在冬季運行時，太陽能集熱器內的水在熱泵機組水源換熱器和太陽能集熱器之間不斷循環，因此該系統能實現太陽能集熱器集熱能力的最大化利用[8]。

熱泵機組采用雙電子膨脹閥調節，可同時利用多種可再生能源，增加機組對天氣變化的適應性，提高機組能效比。該系統應用在有低品位能源且冷熱兼需的建筑中節能優勢突出，相比以冷水機組為冷源和鍋爐作為熱源的傳統冷熱源形式更節能。

基于多能源互補的熱泵機組空調熱水系統采用雙源換熱器與雙電子膨脹閥調節，可同時利用多種可再生能源，實現制冷、制熱、制生活熱水，該系統能效比高，對天氣變化適應性強，特別適用于煤改電地區冷熱兼需的建筑，如學生寢室、工廠食堂、醫院及民用住宅建筑等。

[1] 彭金梅.熱泵技術應用現狀及發展動向[J].昆明理工大學學報,2012,37(5):54-59.

[2] 馬最良.空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的分析[J].暖通空調,2001,31(3):28-31.

[3] 岳韜.太陽能-地源熱泵聯合系統地下蓄熱特性研究[J].暖通空調,2016,46(1):47-50

[4] 陳妍.廢水余熱利用技術建筑區域適應研究[D].天津:天津大學,2014.

[5] 張年年.污水源熱泵系統的逐時需水量預測及工程設計[J].制冷與空調,2017,31(1):109-112.

[6] 趙錚.太陽能光伏在建筑中的應用研究[D].北京:清華大學,2012.

[7] 曲明璐.空氣源熱泵除霜問題的研究現狀及進展[J].建筑節能,2016,44(8):1-5.

[8] 劉建波.太陽能集熱器熱性能研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2014.

Based on Complementary Energy Principle of Heat Pump Air Conditioning and Hot Water System Application

Huang Zixu Du Juan Yin Hongmei He Yanxu

( City College Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621000 )

This paper introduces a kind of based on complementary energy hot water heat pump air conditioning system. Based on energy complementary heat pump units can be realized to air can, sewage waste heat, solar energy, shallow can complementary use of low energy, such as a set of equipment and refrigeration, heating, heating water three functions.

heat pump; synthetic utilization of multi fossil fuels; double electronic expansion valve

1671-6612（2017）06-608-04

TU831

A

四川省教育廳科研項目（16ZB0544）；西南科技大學城市學院科學研究（學生寢室水箱儲能空調研制XCY16Z01）項目資助；西南科技大學城市學院科學研究（基于多能源互補的LED路燈供電裝置研制2017CSXY006）項目資助

黃紫旭（1992.08-），男，本科，助教，E-mail：1315723896@qq.com

2017-03-13