基于热泵和太阳能的住宅供暖供冷供生活热水三联供系统研究

魏海翔，梁镇杰，梁海珍，刘翠华

（1.中山市技师学院电气应用系，广东中山 528403；2.中山市黄圃镇科委，广东中山 528429；3.华南理工大学，广东广州 510640）

0 前言

当今世界，节能与环保问题日益提上日程。伴随着能源紧缺的影响，“电荒”的影响，对环境质量要求进一步提高，就对诸如热水器、暖气、空调等这些高能耗的生活日常用品提出了更高的节能要求。对广大居民来说使用清洁、节能的热水器、暖气、空调，也可以节省大量的生活开支，提高人民的生活水平［1］。

因此，本着节约能源和开发利用清洁、可再生能源的原则，开发新型节能环保的制冷、制热、热水、除湿四位一体装置是利国利民的大事，已经迫在眉捷。

1 系统介绍

基于热泵和太阳能的住宅供暖供冷供生活热水三联供系统的技术特点在于：（1）通过直流变频、智能控制等技术，实现从-25℃到43℃环境条件下正常工作；（2）通过双系统设置，实现低温冷水除湿和高温冷水供冷的两级冷源，夏季制冷高效节能；（3）通过超低噪声、高可靠性的压缩机技术和超低噪声、高效率风扇换热技术，明显降低了室外主机噪声；（4）本技术应用在家庭住宅，实现制冷、采暖、生活热水、除湿多联供，节支节能；（5）采用能源优先等级智能自动控制的集中供暖控制，次序为：太阳能→热泵→其他辅助能源，舒适节能；（6）热泵室外机组内部结构制造工艺改进和技术创新突破，室内机组的创新工业设计；（7）针对住宅建筑特点及使用特点，在空气源热泵和地板采暖、风机盘管中央空调制冷、内置盘管换热器储热水箱的系统集成应用中，分析了从热源、管路系统、室内散热制冷末端、自动控制系统等设计、安装、维护过程中存在的问题，在水力系统的适应性、管路布置、冷凝水处理、适合家庭的超薄风机盘管、防风雪蚊虫的热泵整机结构等方面提出了创造性的解决方案，使得这一成果能顺利走向实际应用，具有大范围推广的可行性［2］。

2 系统设计

基于热泵和太阳能的住宅供暖供冷供生活热水三联供系统的系统结构如图1所示，其系统组成有：太阳能集热系统、变频空气源热泵能源系统、恒温热水供应系统、低温热水地板辐射采暖系统、超静音送风系统、除湿系统、OPRD集成控制系统。

2.1 太阳能集热系统

太阳能集热系统是由太阳能集热器、集热器支架、循环管路、循环泵、阀门、过滤器、储热水箱等组成。集热器由太阳能采暖专用真空管和特制的采暖联箱组成，集热器能超低温差传导、承压运行、抗风、防冻、防垢、防晒、防漏等，真空管经过特殊加工处理，万一玻璃管损坏，集热器也不会漏水，依然可以照常运行。集热器和支架结构设计合理，外观和功能完美结合，不会破坏建筑物美观，并可起到屋顶、外墙隔热层作用。

集热器采集的热能以水为载体，通过循环管道储存在水箱中。水箱有两个，一个是多功能水箱，主要用于存储生活热水，另一个是缓冲水箱，主要用于夏天制冷、冬天采暖及吸收多余热量。水箱与集热器的安装采用集热器在高位，水箱在低位的方式，强制循环，并且采用停机排空的运行方式，确保太阳能采集器和系统防冻，大大提高了系统安全性和采集热能效率［3］。

本系统优先使用太阳能集热系统来满足系统需要的热量，当太阳能集热系统的热能不够时，由空气源热泵能源系统辅助提供热能。

图1 基于热泵和太阳能的住宅供暖供冷供生活热水三联供系统结构图

2.2 变频空气源热泵能源系统

本系统可作为辅助能源或主能源系统使用，选用自主研制的直流变频压缩机空气源热泵机组AVH-24作用能源系统。主要技术指标:制热量9.8 kW、COP4.5，制冷量8.0 kW、EER11.0，工作环境-25℃～43℃，电源电压等级220 V，可根据设定的功能要求自动进行制冷或制热切换。本空气源冷热泵机组由于采用自主研发的直流变频压缩机已成功实现室外温度-25℃时也能正常工作，其额定制热量衰减比普通热泵机组减少33%左右。机组在室外温度0℃时运行的能效比可达到3.0。

本直流变频压缩机热泵机组在冬天也可独立制热，通过水换热装置，热量以水为载体，通过循环管路储存于多功能水箱和缓冲水箱中，供生活热水和采暖。

本直流变频压缩机热泵机组采用双冷凝器技术，在夏天一个冷凝器进行制冷，提供冷气，同时另一个冷凝器进行制热，提供生活热水。

本热泵系统采用直流变频技术、专有超静音技术、双冷凝器技术，机组在极严寒的环境中（-25℃）制热平稳、可靠，和地板采暖等低水温供暖末端配合，在冬季采暖高效节能，在夏季供冷的同时供热。

2.3 低温热水地板辐射采暖系统

本系统采暖方式采用低温热水地板辐射采暖，每组分别采用温控器控制，采用地暖与热水结合的水温自动控制模式。在冬季采暖时，以太阳能集热系统、变频空气源热泵能源系统生产的热水为热媒，在地板下的盘管中流动来加热地板，通过加热的地板辐射向室内供暖。由于加热盘管在地板下面，地板辐射的热量从低处向高处传递，为人们活动区域有效提供热能，热能损失少。低温热水地板辐射采暖不占用室内空间且室内温度均匀不干燥，而普通暖气片供暖冷热不均匀还占用室内空间。低温热水地板辐射采暖所需供水温度在45℃，与人体的体温相近，舒适性强，而普通暖气片供水温度85℃～95℃，人体舒适性较差，同时从采暖水箱到采暖末端都是低温热水传输，传输热能损失大大减少［4］。

本系统中采用冷暖分集水器及定位分水器，将制冷供回水管、制热供回水管统一为冷热供回水管，这样，在第一层管路中布置冷凝水排水管、自来水管、生活热水管和电线管，第二层管路布置中布置地暖管及冷热供回水管。

2.4 恒温热水供应系统

本系统生产的热水一方面在冬天提供采暖，另一方面通过热水供应系统一年四季为用户提供生活日常用热水。本系统采用自动恒压供水控制装置保证用水终端水的压力，不会出现供水不足或断水现象；采用自动恒温供水控制装置保证时刻提供有舒适温度的热水。

本系统使用太阳能加热自来水，或者使用内置高效率盘管换热器的承压水箱来取生活热水，热泵加热水箱中的水，自来水经过高效率盘管换热器从水箱储水中吸热成为可用的生活热水，为提高热泵制取的效率，水箱可向厨房、洗衣房等提供低温生活热水，向淋浴提供中高温生活热水，因水箱中的水是闭式循环的水，可以进行有效的水处理，因此水箱的寿命可得到有效的保证［5］。

2.5 超静音送风系统

本系统利用了风冷热泵机组的特点，在冬季为低温热水地板辐射采暖系统提供热能补充，在夏天提供制冷需求，一机多用，充分利用能源，降低投资成本和生活成本。在夏季需要制冷时，系统进行自动转换，将多功能水箱和缓冲水箱分开独立使用，太阳能集热器或一台热泵机组生产热水并储存在多功能水箱为用户提供热水。由一台热泵机组生产低温水并储存于缓冲水箱，低温水通过风机盘管吸收室内热量，为室内降温，达到制冷目的。由于采用冷水制冷系统，室内水分及人体水分不易流失，比直接使用制冷剂的空调系统舒适性高。在冬天需要制热时，系统进行自动转换，将多功能水箱和缓冲水箱合并使用，太阳能集热器或热泵机组生产热水并储存在多功能水箱和缓冲水箱内为用户提供热水，同时热水通过风机盘管向室内传递热量，为室内升温，达到采暖目的。

同时使用了适用于住宅使用的超静音风机盘管、管路系统中的关键工艺，提高了生活的舒适性。

2.6 除湿系统

南方地区在春季经常是阴雨连绵，此时气温刚好回暖，室外回暖的热空气进入温度较低室内，室内湿度增大，超过90%，必须进行除湿，但同时温度又不低，才能保证生活的舒适、家居的安全。

本系统采用热泵系统冷凝热回收技术让室内空气在除湿的同时回升温度，即在室内风盘送凉风将室内空气中水蒸气凝结排走的同时，将冷凝热回收用于地面辐射供暖，使室内温度回升，做到除湿而不降温，室内干燥而不冷，既节能又达到除湿的目的，改变了用空调除湿，但温度下降的缺点，是真正的除湿。

2.7 OPRD集成控制系统

通过专利技术-主机OPRD集成控制整个系统的运行，进行制冷与制热的切换，冷热切换平稳、可靠；实现多种运行模式选择：制热、制冷、热水、制热+热水、制冷+热水，完全满足用户多方面的需要；通过单片机自动控制供暖控制：太阳能→热泵→其他辅助能源，实现能源节省。

本系统采用自动控制技术，自动识别光线强度，优先采用太阳能集热系统供热，同时监测水箱水温，能及时投入空气源热泵能源系统，保证供水温度，同时自动控制水位，供水系统自动循环保温，实现恒温恒压供水；采暖、制冷、除湿实施各区域独立模糊控制，降低能耗、节约能源；为了确保用户人身安全和产品安全，还设置了多种电气保护措施和机械保护措施，如过载保护、短路保护、防漏电墙、缺水保护、超温保护、过压保护、低压保护、水压保护、频繁启动保护等。控制系统显示屏实时状态显示，显示功能状态、参数设置以及设备运行情况，并能自动检测系统故障并显示故障，方便用户报修和维修人员检修。设计有峰/谷电价智能应用功能，在谷电时间段内使用辅助能源蓄能，减少电费。

本系统采用的全智能化控制，充分利用了可再生能源，同时智能分配能源，最大限度地节约了能源的使用，并且保证了整个系统的可靠性、安全性和稳定性［6］。

3 结论

本技术的空气能热泵与太阳能系统联合运用是一项符合社会可持续发展的，节能环保的技术措施；同时是空气能热泵行业和太阳能行业的重大突破。吸取空气、太阳、水等低品位热源的热量来制取生活热水和采暖，是基于逆卡诺循环的热科学的良好应用；但是，由于热泵循环固有的特性，对于利用空气能为热源的机组，冬季制热的可靠性受到了挑战。本技术采用环保冷媒直流变频压缩机热力循环、模糊控制等一系列技术手段，使得空气能热泵的制热量和制热能效比显著提高，解决了空气源热泵低环境温度下制热的可靠性、能效比等难题；利用太阳能或其他的热源作为辅助热源，可以降低能耗和运行成本，提高制热能效COP值，推动了我国能源利用的科技进步。

空气能、太阳能等作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，基于直流变频热泵及多能源利用的节能舒适型住宅供暖冷和热水的装置及系统集成技术的利用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一，极大地推动了社会经济发展和科技进步［7］。

［1］张明昭.太阳能、空气源热泵系统、锅炉供暖联合供热的研究与实践［D］.北京：华北电力大学，2010.

［2］李素花，代宝民，马一太.空气源热泵的发展及现状分析［J］.制冷技术，2014（01）：42-48.

［3］肖昭文.太阳能：采暖-制冷-热水三联供［J］.城市住宅，2010（02）：108-110.

［4］许可，王树刚，蒋爽，等.空气源热泵用于低温热水地板辐射供暖系统的模拟研究［J］.制冷技术，2014（01）：12-17.

［5］张月红，徐国英，张小松.太阳能与空气复合源热泵热水系统多模式运行实验特性［J］.化工学报，2010（02）：484-490.

［6］郭超，王芳，罗谟娇，等.太阳能、空气源热泵热水系统性能优化实验研究［J］.制冷学报，2013（05）：41-46.

［7］魏海翔，李善钦，刘翠华.高压可视化天然气水合物实验装置的研究［J］.自动化仪表，2013（06）：9-11.