基于多能源互补的热泵空调热水系统应用

黄紫旭 杜 娟 印红梅 何闫旭



基于多能源互补的热泵空调热水系统应用

黄紫旭 杜 娟 印红梅 何闫旭

（西南科技大学城市学院 绵阳 621000）

介绍了一种基于多能源互补的热泵空调热水系统。基于多能源互补的热泵机组可实现对空气能、太阳能、浅层地能、污水余热能等低位能源的互补利用，一套设备同时具备制冷、供暖、供热水三种功能。

热泵；多能源互补；双电子膨胀阀

0 引言

热泵机组作为一种空调、热水系统冷热源设备，其具有节能、环保、经济、安全等明显优势。同采用冷水机组加锅炉为冷热源的空调、热水系统相比，在相同的热负荷下，热泵机组消耗的电量通常不足前者的三分之一[1]。

热泵机组能在输入相对少量电能时利用低品位能源产生需要的高品位能源，但其利用低品位能源时都会受到一些局限性。如热泵机组利用空气源作为热源时，能把低品位的空气能转移到高品位的采暖热水和生活热水中，其具有节能、环保、安全的优点，但会带来蒸发器结霜问题[2]。热泵机组利用太阳能集热器所获得的热量作为热源时，其能充分利用太阳能这一清洁的可再生能源，同时提高太阳能集热器效率，但受天气变化影响较大，具有不稳定性的缺点[3]。生活污水携带大量热量，热泵利用生活污水作为热源，能回收污水中的余热，提高能源利用效率[4,5]。

1 基于多能源互补的热泵空调热水系统介绍

基于多能源互补的热泵机组示意图如图1所示，该机组同时具备制冷、供暖、制热水三种功能，在制冷加热水模式下，可实现冷凝废热的全部回收，节能效果明显，有利于减缓城市热岛效应。基于多能源互补的热泵机组与储能水箱构成空调热水系统，如图2所示，该系统在中央智能系统的控制下最大程度的利用太阳能、空气能、浅层地能、污水余热能，并且在控制系统的调节下能适应四季变化，根据室内外温度、湿度的变化，从而改变能量吸收、储存、供给的方式，来实现能量的最大化利用。

基于多能源互补的热泵机组空调热水系统在全年运行中通过一套完整的自动控制系统控制阀门开闭可以实现以下五种工作模式：（1）单独制冷；（2）制冷兼制生活用热水；（3）单独制热；（4）制热兼制生活用热水；（5）单独制热水。同时多能源互补热泵机组的水源电子膨胀阀和空气源电子膨胀阀开度受自动控制系统根据室外温度变化调节，从而使系统能很好的适应四季的变化以及恶劣天气的影响。

1-压缩机；2-四通换向阀；3-水源换热器A；4-空气源换热器；5-水源电子膨胀阀；6-空气源电子膨胀阀；7-水源换热器B（带储液罐）；8-气液分离器；9-用户供水（YHG）；10-用户回水（YHH）；11-热源回水（RYH）；12-热源供水（RYG）

B1～B5：水泵；F1～F15：电动阀

图3 基于多能源互补的热泵机组空调热水系统现场

2 基于多能源互补的热泵机组工作策略

在夏季，太阳辐射量非常大[6]，这时将太阳能集热器加热的水直接储存到集热水箱中，作为生活用热水；同时基于多能源互补的热泵机组在制冷时会释放冷凝热，在早晨和夜间气温较低时，冷凝热优先通过空气源换热器释放到空气中，在中午和下午气温较高时，冷凝热优先通过水源换热器A释放到生活热水箱中，当生活热水被加热到满足夏天生活热水温度（40℃）要求时，关闭水源电子膨胀阀A，开启空气源电子膨胀阀使冷凝热通过空气源换热器释放到空气中。当遇到夏季酷热极端天气时，冷凝热优先通过水源换热器A释放到浅层地下水中或建筑消防水池中。该运行模式下，在夏天多能源互补热泵机组在制冷时冷凝热被基本被保存下来，可提高空调热水系统综合能效比，有效减缓城市热岛效应，提高热泵在极端天气条件下的工作能效比。

在冬季，由于太阳辐射量太小[6]，太阳能升高的温度上限低，即使持续加热太阳能内部的水也无法升高，同时空气温度低，空气源换热器存在结霜的情况[7]，这时将太阳能集热器中的低温热水通入到多能源互补热泵机组水源换热器A中进行能量的提取，同时开启空气源换热器，此时空气源换热器和水源换热器A同时工作，通过控制空气源电子膨胀阀和水源电子膨胀阀开度比例，改善不利于热泵工作的环境，提高热泵的能效比。当遇冬季雨雪极端天气时，太阳能集热量极低，无法使用太阳能中的低温水和空气源换热器进行能量获取，此时将浅层地下水接入水源换热器A以获取浅层地热能。在夜间没有太阳辐射时，采用壳管换热器将用过的生活热水中的热量回收到浅层地能储水池中，供给多能源互补热泵机组实现夜间能量提取。该运行模式下，多能源互补热泵机组能最大限度利用冬季有限的太阳能、空气能、浅层地热能和污水余热能，避免热泵机组冬季运行时空气源换热结霜，保证基于多能源互补的热泵机组空调热水系统在冬季低功耗运行。

在春季和秋季时，基于多能源互补的热泵机组以生产生活热水为主要目的，机组其运行模式与冬季相似，不同之处在于初秋季节空调水箱作为生活热水的备用水箱使用，主要用于实行阶梯电价地区在峰谷电价时间段制备生活热水的储水水箱。

3 基于多能源互补的热泵空调热水系统控制

基于多能源互补的热泵机组空调热水系统控制核心是通过调节多能源复用热泵机组的水源和空气源电子膨胀阀达到多种低品位能源协调利用的目的，实验采用如图4所示的控制面板，使用同一台额定功率为3.7kW的多能源复用热泵机组，水源换热器水流量不变。测试并分析水源电子膨胀阀和空气源电子膨胀阀的开度与制冷效率之间的关系。

图4 基于多能源互补热泵机组控制面板

在制冷兼制热水模式下，当空气温度为36.5℃，固定水源电子膨胀阀开度不变，改变空气源电子膨胀阀开度，测试用户供回水温差和热源供回水温差，测试结果见表1。

表1 调节空气源电子膨胀阀开度时的水温变化

从表1可以分析得出，在热源回水温度低于环境温度5℃左右时，当水源电子膨胀阀与空气源电子膨胀阀开度相同，用户供回水温差最大为8.5℃，机组制冷效率最高。虽然热源供回水温差不是最大，但在制冷兼制热水模式下，系统以制冷为主，控制策略主要考虑提高制冷效率。

在制冷兼制热水模式下，当空气温度为 36.5℃，调节水源电子膨胀阀和空气源电子膨胀阀开度相同，测试用户供回水温差和热源供回水温差，测试结果见表2。

表2 水源膨胀阀与空气源电子膨胀阀开度相同时的水温变化

从表2可以分析得出，在热源回水温度略低于环境温度时，当水源电子膨胀阀与空气源电子膨胀阀开度均在35%时，用户供回水温差最大为9.2℃，同时热源供回水温差最大为6.6℃，机组制冷效率达到最高。该多能源复用热泵机组双电子膨胀阀开度总和在50%-100%之间为宜，双电子膨胀阀开度相同且在35%左右时制冷效率较高。

4 结束语

基于多能源互补的热泵机组空调热水系统能量主要来源于空气能、太阳能、电能、辅助浅层地能、污水余热能，在冬季运行时，太阳能集热器内的水在热泵机组水源换热器和太阳能集热器之间不断循环，因此该系统能实现太阳能集热器集热能力的最大化利用[8]。

热泵机组采用双电子膨胀阀调节，可同时利用多种可再生能源，增加机组对天气变化的适应性，提高机组能效比。该系统应用在有低品位能源且冷热兼需的建筑中节能优势突出，相比以冷水机组为冷源和锅炉作为热源的传统冷热源形式更节能。

基于多能源互补的热泵机组空调热水系统采用双源换热器与双电子膨胀阀调节，可同时利用多种可再生能源，实现制冷、制热、制生活热水，该系统能效比高，对天气变化适应性强，特别适用于煤改电地区冷热兼需的建筑，如学生寝室、工厂食堂、医院及民用住宅建筑等。

[1] 彭金梅.热泵技术应用现状及发展动向[J].昆明理工大学学报,2012,37(5):54-59.

[2] 马最良.空气源热泵冷热水机组在寒冷地区应用的分析[J].暖通空调,2001,31(3):28-31.

[3] 岳韬.太阳能-地源热泵联合系统地下蓄热特性研究[J].暖通空调,2016,46(1):47-50

[4] 陈妍.废水余热利用技术建筑区域适应研究[D].天津:天津大学,2014.

[5] 张年年.污水源热泵系统的逐时需水量预测及工程设计[J].制冷与空调,2017,31(1):109-112.

[6] 赵铮.太阳能光伏在建筑中的应用研究[D].北京:清华大学,2012.

[7] 曲明璐.空气源热泵除霜问题的研究现状及进展[J].建筑节能,2016,44(8):1-5.

[8] 刘建波.太阳能集热器热性能研究[D].兰州:兰州理工大学,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

四川省教育厅科研项目（16ZB0544）；西南科技大学城市学院科学研究（学生寝室水箱储能空调研制XCY16Z01）项目资助；西南科技大学城市学院科学研究（基于多能源互补的LED路灯供电装置研制2017CSXY006）项目资助

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

2017-03-13