农村家用制冷与供暖装置的设计及可行性分析

姚飞飞、杨守武、张文成、王广锋

（格力电器 （合肥）有限公司，合肥）

引言

目前，随着国内经济的不断发展，农村家庭对于生活质量也有了新的需要，大量农户纷纷盖起了别墅。考虑到建筑最大的耗能点就是供暖与制冷，约占建筑总能耗的55%，采用传统家庭式空调能耗大，对环境损害明显，结合农村固有的特点——地下水资源丰富、房屋屋顶采光面积大，依据标准《太阳能供热采暖工程技术规范》［1］，提出了利用太阳能与深井水混合的供暖与制冷系统［2］，如果在全国范围内能够系统化、批量化的生产，加以提倡，对保证能源安全、减少CO2气体排放、保护生态环境和提高人民生活都具有重大意义，符合“节能减排”的国家政策［3］。

1 太阳能热水器与井水混合的装置应用于制冷系统

1.1 装置介绍

农村家用太阳能热水器与井水混合的制冷与供暖装置非常适合在农村地区的推广，该装置由太阳能集热板、二个水位控制保温箱、一个保温贮水箱，室内风机盘管、潜水泵和水井组成，考虑到冬季井水温度较自来水温度高、有些农村地区自来水未普及的原因，整个装置的循环水都采用深井水。

夏季，利用深井水与房间的温差制冷，换热后的水再回到地下或供整个家庭生活用水，此时太阳能产生的热水只供用户使用；

冬季，利用太阳能获得的热水与房间的温差制热，换热后的水 （水温较井水温度高）再回到太阳能集热板加热。整个装置做到了既充分利用太阳能与地下能源，又不浪费水资源，大大减少运行成本，节约能源。

1.2 装置工作过程

首先，潜水泵将温度为15℃左右的深井水泵到水位控制保温箱1中，夏季，利用深井水与房间的温差制冷，当井水流经变向调节阀到达室内风机盘管，与空气进行换热产生凉风，获得制冷的效果，换热后的水通过阀门2（阀门1关闭）流入浅水井或供家庭生活用水，通过控制系统调节水的流量，达到控制室温的目的，此时太阳能产生的热水全部供家庭日常生活使用；冬季，水位控制保温箱1中的水，经太阳能集热板的加热后，流入水位控制保温箱2，通过温度控制阀门1和温度控制阀门2的调节，使水位控制保温箱2内的水加热到需要的温度范围，达到所需温度的热水再进入保温贮水箱，经过总控制阀门后再流经变向调节阀到达室内风机盘管，与空气进行换热产生热风，换热后的水通过阀门1（阀门2关闭）回到太阳能集热板进行循环利用。

2 装置可行性分析

为证明此装置的可行性，以安徽农村地区为设计对象，针对专为农村用户而设计的太阳能热水器与井水混合的制冷与供暖装置进行设计计算，所有设计计算都按照 《太阳能供热采暖工程技术规范》进行设计，具有一定的准确性。

2.1 风机选型

现以农村普通家庭 （一家六口人）两层别墅为类，住房总面积120.5m2，实际需要制冷、制热总面积为186.7m2，图3、图4为一层、二层住宅平面图。

查相关设计手册，根据房间的情况选择适当的冷、热负荷指标。采用特灵风机盘管，根据房间的不同选择风机盘管型号，见表1。

图1 夏季水循环系统

图2 冬季水循环系统

图3 一层平面图

2.2 冬季日用总热水量

冬季日用总热水量φw包括人均日用热水量φr和冬季日用供热用热水量φ1，按下式计算：

式中：

φr—人均日用热水量，L／d；取 50L／d；

m—用水人数，取6；

φ1—冬季日用供热用的热水量，L／d。

冬季日用供热用热水量φ1计算：

图4 二层平面图

式中：

Qr—日均室内所需总供热量，kJ／d；假设空调运行12小时，经计算得出安徽地区建筑物耗热量指标为14.2W／m2，则：

ρ—水的密度；

C—水的比热，kJ／（kg·℃）；

表1 各房间冷、热负荷及所选风机盘管

表2 所选风机盘管的具体参数

tend—保温水箱内的设计温度，℃；考虑到热水供用户洗漱、沐浴等使用，应尽量保持在45℃左右；

t2—室内风机盘管出口水温，℃；取35℃；经计算得 φ1＝2735L／d

代入式 （1），则冬季日用总热水量 φw为3035L／d

2.3 太阳能集热板面积的确定［1］

2.3.1 直接系统集热板面积

式中：

Ac—直接系统集热板总面积，m2；

t1—冬季集热板进水温度，℃；其值根据用户用热水量、供热用热水量与风机盘管出水温度确定［3］：

tend—保温水箱内的设计温度，℃；考虑到热水供用户洗漱、沐浴等使用，应尽量保持在45℃左右；

f—太阳能保证率，根据安徽地区可查得取值为0.25；

JT—年平均太阳能辐照量，kJ／m2；根据安徽地区可查得取值为4333645kJ／m2；

ηcd—集热板集热效率，根据经验取值宜为0.25～0.5，设计中取其值为0.3；

ηL—热损失率，ηL＝0.2～0.3，设计中取其值为0.25。

经计算得直接系统集热板面积Ac＝39m2

2.3.2 间接系统集热板面积

间接系统集热板面积的计算，按照直接系统集热板面积扩大10%，即：

AIN＝39×110%＝42.9m2

考虑到所采用的太阳能集热板每块为2m2，故取AIN＝44m2满足需要。

3 泵的选型

3.1 潜水泵选型

由于水源采用深井水，至少低于地面20m，且考虑到两层别墅的高度最高为10m及管阻等因素，选用潜水泵的型号为100QJ3－12。

3.2 循环泵1选型

循环泵1的主要功能是在水位控制保温箱2中的水没有达到温度要求时，为水提供动力，克服压差及管路阻力使水返回到太阳能集热板再次进行加热以达到所需要的温度，选用循环泵的型号为MP－20RZM。

3.3 循环泵2选型

循环泵2的主要功能是为经过房间风机盘管的水提供动力，克服压差及管路阻力使水返回到太阳能集热板再次进行加热以达到所需要的温度，选用循环泵的型号为MP－55RZ。

上述水泵的相关参数见表3。

表3 水泵相关参数

4 能耗分析

按照以上房间设计及选型，冬季一天运行12小时，经验工作时间约为使用时间的45%，整个装置一天耗电量为：

0.75 ＋（3×0.032＋3×0.059＋0.02＋0.09）×12＝5.35kWh；

相比采用传统空调，四个卧室分别选用4台1.5P空调，单台功率1200W，客厅及餐厅选用2台3P空调，单台功率2350W，上述相同条件，则每天耗电量为：

（4×1.2＋2×2.35） ×12×45%＝51.3kWh。

对比可知，整个装置每天节省45.95度电，节电量十分可观，在不考虑夏天的使用情况下，如果仅按照一年中，冬天采暖用90天，总节省电量为4135.5度电。

5 总结

目前，随着经济的不断发展，农村地区家庭生活质量的不断提高，结合农村固有特点，十分适合在农村地区对太阳能热水器与井水混合的制冷与供暖装置进行推广，符合政府大力倡导的“节能减排”政策。经过分析，整个装置在农村地区具有相当高的可行性，而且随着太阳能利用技术的不断发展与成熟，使用前景十分广阔。本文为有意愿自主设计家庭中央空调的读者提供了一定的参考。