基于熱泵和太陽(yáng)能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)研究

魏海翔，梁鎮(zhèn)杰，梁海珍，劉翠華

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

0 前言

當(dāng)今世界，節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題日益提上日程。伴隨著能源緊缺的影響，“電荒”的影響，對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求進(jìn)一步提高，就對(duì)諸如熱水器、暖氣、空調(diào)等這些高能耗的生活日常用品提出了更高的節(jié)能要求。對(duì)廣大居民來(lái)說(shuō)使用清潔、節(jié)能的熱水器、暖氣、空調(diào)，也可以節(jié)省大量的生活開支，提高人民的生活水平［1］。

因此，本著節(jié)約能源和開發(fā)利用清潔、可再生能源的原則，開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保的制冷、制熱、熱水、除濕四位一體裝置是利國(guó)利民的大事，已經(jīng)迫在眉捷。

1 系統(tǒng)介紹

基于熱泵和太陽(yáng)能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)在于：（1）通過(guò)直流變頻、智能控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從-25℃到43℃環(huán)境條件下正常工作；（2）通過(guò)雙系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)低溫冷水除濕和高溫冷水供冷的兩級(jí)冷源，夏季制冷高效節(jié)能；（3）通過(guò)超低噪聲、高可靠性的壓縮機(jī)技術(shù)和超低噪聲、高效率風(fēng)扇換熱技術(shù)，明顯降低了室外主機(jī)噪聲；（4）本技術(shù)應(yīng)用在家庭住宅，實(shí)現(xiàn)制冷、采暖、生活熱水、除濕多聯(lián)供，節(jié)支節(jié)能；（5）采用能源優(yōu)先等級(jí)智能自動(dòng)控制的集中供暖控制，次序?yàn)椋禾?yáng)能→熱泵→其他輔助能源，舒適節(jié)能；（6）熱泵室外機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造工藝改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新突破，室內(nèi)機(jī)組的創(chuàng)新工業(yè)設(shè)計(jì)；（7）針對(duì)住宅建筑特點(diǎn)及使用特點(diǎn)，在空氣源熱泵和地板采暖、風(fēng)機(jī)盤管中央空調(diào)制冷、內(nèi)置盤管換熱器儲(chǔ)熱水箱的系統(tǒng)集成應(yīng)用中，分析了從熱源、管路系統(tǒng)、室內(nèi)散熱制冷末端、自動(dòng)控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)過(guò)程中存在的問(wèn)題，在水力系統(tǒng)的適應(yīng)性、管路布置、冷凝水處理、適合家庭的超薄風(fēng)機(jī)盤管、防風(fēng)雪蚊蟲的熱泵整機(jī)結(jié)構(gòu)等方面提出了創(chuàng)造性的解決方案，使得這一成果能順利走向?qū)嶋H應(yīng)用，具有大范圍推廣的可行性［2］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于熱泵和太陽(yáng)能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其系統(tǒng)組成有：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、變頻空氣源熱泵能源系統(tǒng)、恒溫?zé)崴?yīng)系統(tǒng)、低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)、超靜音送風(fēng)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、OPRD集成控制系統(tǒng)。

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是由太陽(yáng)能集熱器、集熱器支架、循環(huán)管路、循環(huán)泵、閥門、過(guò)濾器、儲(chǔ)熱水箱等組成。集熱器由太陽(yáng)能采暖專用真空管和特制的采暖聯(lián)箱組成，集熱器能超低溫差傳導(dǎo)、承壓運(yùn)行、抗風(fēng)、防凍、防垢、防曬、防漏等，真空管經(jīng)過(guò)特殊加工處理，萬(wàn)一玻璃管損壞，集熱器也不會(huì)漏水，依然可以照常運(yùn)行。集熱器和支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，外觀和功能完美結(jié)合，不會(huì)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(guò)循環(huán)管道儲(chǔ)存在水箱中。水箱有兩個(gè)，一個(gè)是多功能水箱，主要用于存儲(chǔ)生活熱水，另一個(gè)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(qiáng)制循環(huán)，并且采用停機(jī)排空的運(yùn)行方式，確保太陽(yáng)能采集器和系統(tǒng)防凍，大大提高了系統(tǒng)安全性和采集熱能效率［3］。

本系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)來(lái)滿足系統(tǒng)需要的熱量，當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱能不夠時(shí)，由空氣源熱泵能源系統(tǒng)輔助提供熱能。

圖1 基于熱泵和太陽(yáng)能的住宅供暖供冷供生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 變頻空氣源熱泵能源系統(tǒng)

本系統(tǒng)可作為輔助能源或主能源系統(tǒng)使用，選用自主研制的直流變頻壓縮機(jī)空氣源熱泵機(jī)組AVH-24作用能源系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo):制熱量9.8 kW、COP4.5，制冷量8.0 kW、EER11.0，工作環(huán)境-25℃～43℃，電源電壓等級(jí)220 V，可根據(jù)設(shè)定的功能要求自動(dòng)進(jìn)行制冷或制熱切換。本空氣源冷熱泵機(jī)組由于采用自主研發(fā)的直流變頻壓縮機(jī)已成功實(shí)現(xiàn)室外溫度-25℃時(shí)也能正常工作，其額定制熱量衰減比普通熱泵機(jī)組減少33%左右。機(jī)組在室外溫度0℃時(shí)運(yùn)行的能效比可達(dá)到3.0。

本直流變頻壓縮機(jī)熱泵機(jī)組在冬天也可獨(dú)立制熱，通過(guò)水換熱裝置，熱量以水為載體，通過(guò)循環(huán)管路儲(chǔ)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(jī)熱泵機(jī)組采用雙冷凝器技術(shù)，在夏天一個(gè)冷凝器進(jìn)行制冷，提供冷氣，同時(shí)另一個(gè)冷凝器進(jìn)行制熱，提供生活熱水。

本熱泵系統(tǒng)采用直流變頻技術(shù)、專有超靜音技術(shù)、雙冷凝器技術(shù)，機(jī)組在極嚴(yán)寒的環(huán)境中（-25℃）制熱平穩(wěn)、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(jié)能，在夏季供冷的同時(shí)供熱。

2.3 低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)

本系統(tǒng)采暖方式采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?，每組分別采用溫控器控制，采用地暖與熱水結(jié)合的水溫自動(dòng)控制模式。在冬季采暖時(shí)，以太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、變頻空氣源熱泵能源系統(tǒng)生產(chǎn)的熱水為熱媒，在地板下的盤管中流動(dòng)來(lái)加熱地板，通過(guò)加熱的地板輻射向室內(nèi)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(dòng)區(qū)域有效提供熱能，熱能損失少。低溫?zé)崴匕遢椛洳膳徽加檬覂?nèi)空間且室內(nèi)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(nèi)空間。低溫?zé)崴匕遢椛洳膳韫┧疁囟仍?5℃，與人體的體溫相近，舒適性強(qiáng)，而普通暖氣片供水溫度85℃～95℃，人體舒適性較差，同時(shí)從采暖水箱到采暖末端都是低溫?zé)崴畟鬏?，傳輸熱能損失大大減少［4］。

本系統(tǒng)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(tǒng)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(lái)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?zé)崴?yīng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)生產(chǎn)的熱水一方面在冬天提供采暖，另一方面通過(guò)熱水供應(yīng)系統(tǒng)一年四季為用戶提供生活日常用熱水。本系統(tǒng)采用自動(dòng)恒壓供水控制裝置保證用水終端水的壓力，不會(huì)出現(xiàn)供水不足或斷水現(xiàn)象；采用自動(dòng)恒溫供水控制裝置保證時(shí)刻提供有舒適溫度的熱水。

本系統(tǒng)使用太陽(yáng)能加熱自來(lái)水，或者使用內(nèi)置高效率盤管換熱器的承壓水箱來(lái)取生活熱水，熱泵加熱水箱中的水，自來(lái)水經(jīng)過(guò)高效率盤管換熱器從水箱儲(chǔ)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(huán)的水，可以進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用了風(fēng)冷熱泵機(jī)組的特點(diǎn)，在冬季為低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)提供熱能補(bǔ)充，在夏天提供制冷需求，一機(jī)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(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，將多功能水箱和緩沖水箱分開獨(dú)立使用，太陽(yáng)能集熱器或一臺(tái)熱泵機(jī)組生產(chǎn)熱水并儲(chǔ)存在多功能水箱為用戶提供熱水。由一臺(tái)熱泵機(jī)組生產(chǎn)低溫水并儲(chǔ)存于緩沖水箱，低溫水通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管吸收室內(nèi)熱量，為室內(nèi)降溫，達(dá)到制冷目的。由于采用冷水制冷系統(tǒng)，室內(nèi)水分及人體水分不易流失，比直接使用制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)舒適性高。在冬天需要制熱時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，將多功能水箱和緩沖水箱合并使用，太陽(yáng)能集熱器或熱泵機(jī)組生產(chǎn)熱水并儲(chǔ)存在多功能水箱和緩沖水箱內(nèi)為用戶提供熱水，同時(shí)熱水通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管向室內(nèi)傳遞熱量，為室內(nèi)升溫，達(dá)到采暖目的。

同時(shí)使用了適用于住宅使用的超靜音風(fēng)機(jī)盤管、管路系統(tǒng)中的關(guān)鍵工藝，提高了生活的舒適性。

2.6 除濕系統(tǒng)

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

本系統(tǒng)采用熱泵系統(tǒng)冷凝熱回收技術(shù)讓室內(nèi)空氣在除濕的同時(shí)回升溫度，即在室內(nèi)風(fēng)盤送涼風(fēng)將室內(nèi)空氣中水蒸氣凝結(jié)排走的同時(shí)，將冷凝熱回收用于地面輻射供暖，使室內(nèi)溫度回升，做到除濕而不降溫，室內(nèi)干燥而不冷，既節(jié)能又達(dá)到除濕的目的，改變了用空調(diào)除濕，但溫度下降的缺點(diǎn)，是真正的除濕。

2.7 OPRD集成控制系統(tǒng)

通過(guò)專利技術(shù)-主機(jī)OPRD集成控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)行制冷與制熱的切換，冷熱切換平穩(wěn)、可靠；實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)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(guò)單片機(jī)自動(dòng)控制供暖控制：太陽(yáng)能→熱泵→其他輔助能源，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省。

本系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別光線強(qiáng)度，優(yōu)先采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供熱，同時(shí)監(jiān)測(cè)水箱水溫，能及時(shí)投入空氣源熱泵能源系統(tǒng)，保證供水溫度，同時(shí)自動(dòng)控制水位，供水系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)保溫，實(shí)現(xiàn)恒溫恒壓供水；采暖、制冷、除濕實(shí)施各區(qū)域獨(dú)立模糊控制，降低能耗、節(jié)約能源；為了確保用戶人身安全和產(chǎn)品安全，還設(shè)置了多種電氣保護(hù)措施和機(jī)械保護(hù)措施，如過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、防漏電墻、缺水保護(hù)、超溫保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、低壓保護(hù)、水壓保護(hù)、頻繁啟動(dòng)保護(hù)等?？刂葡到y(tǒng)顯示屏實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示，顯示功能狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備運(yùn)行情況，并能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)故障并顯示故障，方便用戶報(bào)修和維修人員檢修。設(shè)計(jì)有峰/谷電價(jià)智能應(yīng)用功能，在谷電時(shí)間段內(nèi)使用輔助能源蓄能，減少電費(fèi)。

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

3 結(jié)論

本技術(shù)的空氣能熱泵與太陽(yáng)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)用是一項(xiàng)符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的，節(jié)能環(huán)保的技術(shù)措施；同時(shí)是空氣能熱泵行業(yè)和太陽(yáng)能行業(yè)的重大突破。吸取空氣、太陽(yáng)、水等低品位熱源的熱量來(lái)制取生活熱水和采暖，是基于逆卡諾循環(huán)的熱科學(xué)的良好應(yīng)用；但是，由于熱泵循環(huán)固有的特性，對(duì)于利用空氣能為熱源的機(jī)組，冬季制熱的可靠性受到了挑戰(zhàn)。本技術(shù)采用環(huán)保冷媒直流變頻壓縮機(jī)熱力循環(huán)、模糊控制等一系列技術(shù)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(huán)境溫度下制熱的可靠性、能效比等難題；利用太陽(yáng)能或其他的熱源作為輔助熱源，可以降低能耗和運(yùn)行成本，提高制熱能效COP值，推動(dòng)了我國(guó)能源利用的科技進(jìn)步。

空氣能、太陽(yáng)能等作為可再生能源，在建筑領(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，基于直流變頻熱泵及多能源利用的節(jié)能舒適型住宅供暖冷和熱水的裝置及系統(tǒng)集成技術(shù)的利用是解決我國(guó)能源和環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一，極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步［7］。

［1］張明昭.太陽(yáng)能、空氣源熱泵系統(tǒng)、鍋爐供暖聯(lián)合供熱的研究與實(shí)踐［D］.北京：華北電力大學(xué)，2010.

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

［3］肖昭文.太陽(yáng)能：采暖-制冷-熱水三聯(lián)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?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的模擬研究［J］.制冷技術(shù)，2014（01）：12-17.

［5］張?jiān)录t，徐國(guó)英，張小松.太陽(yáng)能與空氣復(fù)合源熱泵熱水系統(tǒng)多模式運(yùn)行實(shí)驗(yàn)特性［J］.化工學(xué)報(bào)，2010（02）：484-490.

［6］郭超，王芳，羅謨嬌，等.太陽(yáng)能、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，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(shí)驗(yàn)裝置的研究［J］.自動(dòng)化儀表，2013（06）：9-11.