李 媛,山石泉,何国青

(1.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400030；2.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027；3.浙江大学 建筑技术研究所，杭州 310058)

建筑制冷采暖热水一体化系统的现状及新构想

李 媛1,山石泉2,何国青3

(1.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400030；2.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027；3.浙江大学 建筑技术研究所，杭州 310058)

立足于节能减排的大背景，阐述了建筑制冷采暖热水一体化系统对节能与环境保护的意义。总结了现有的一体化系统原理、优缺点。在此基础上提出了一种新型的一体化系统构想，该系统能较好的解决目前存在的问题，有较高的运行效率。对促进一体化系统的产业化提供参考。

一体化系统；；太阳能集热器；空调；地暖系统

0 引 言

随着我国经济的持续发展，空调、太阳能热水器等各种建筑设备大量地进入人们的日常生活中。与此同时人们对住宅舒适度要求也在提高，因此地暖的使用量也不断增加。单独的设备在运行时存在协调性不足，能源利用率低等问题。在能源与环境问题严峻，节能减排刻不容缓的大背景下，实现制冷采暖热水系统的一体化，各个部件之间能够相互弥补不足，从而节省能源，控制排放，降低用户的投资。从当下以及长远来看，都有十分重要的意义。

1 一体化系统的现状

目前已有生产的制冷采暖联合系统主要有空调热水器一体机，它能够实现家庭采暖制冷以及热水的联合供应，提高能源利用率。太阳能作为一种清洁能源，其热利用技术已经相当成熟，在北美、欧洲一些发达国家，太阳能供热系统的应用已有几十年历史[1]。将太阳能热水系统与空调相结合是目前一体化系统研究的趋势，已有部分高校、科研机构进行相关研究。此外，如何更好地实现与建筑的相融合，进一步优化系统，提高节能水平是目前研究的重点。

对于利用太阳能的一体化系统，按照动力来源的不同，本文将其分为两类：(1)以热能驱动的一体化系统；(2)以电能驱动的一体化系统。其中第一类使用太阳的热能驱动制冷。这种类型的一体化系统能够在夏季太阳辐射强，气温很高的情况下，把富余的太阳热能转化为空调降温，从而使得太阳能得到更加合理的利用。热能驱动的制冷技术也有多种方式，其中以吸收式制冷较为普遍。对于第二类一体化系统，可以通过光电转化后，使用电力驱动压缩机制冷或制热。但由于光电转化发电成本高，效率低，因此应用性不强。另一种是以电驱动压缩机，太阳能用来辅助加热热水，这种系统简单，投资低，在冬季节能效果显著。

1.1以热能驱动的一体化系统

这种类型的一体化系统主要使用太阳能吸收式制冷技术。吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷[2]。其具体原理如图1所示。

图1 太阳能吸收式制冷示意图

太阳能集热板吸收的热量来加热水，再用热水来加热发生器中的溶液，从而产生高压蒸汽，进入冷凝器冷却，再减压节流回到蒸发器中，由液体汽化吸热实现制冷，自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器，形成的溶液由泵送入发生器中，完成一个循环。

要实现空调热水的一体化，一般的思路是把集热器收集的太阳能热量一分为二，一部分用于热水，一部分用于制冷。从而更加合理的利用夏季过剩的太阳能。

胡志新[3]等人提出了一种太阳能空调热水一体化系统，使用溴化锂吸收式制冷机，配备生活热水以及制冷用水两个水箱，以太阳能热水作为能源来驱动溴化锂制冷机制取冷冻水并送入风机盘管实现夏季空调制冷，生活热水则直接通过太阳能集热器制取。除此之外，系统还配备了电加热炉辅助加热，以适应极端气候。

综合来看，以热能驱动的一体化系统能够在夏季很好的分配太阳能热量，实现制冷热水联产，节约能源，减少了空调制冷剂对环境的破坏。

1.2以电能驱动的一体化系统

这种类型的一体化系统以电能驱动热泵压缩机，实现采暖及制冷。利用热泵冷凝端热量联合太阳能集热器加热水，有效利用太阳能，在一定程度上节约了电能。

江乐新[4]等人提出了一种太阳能空调热水一体机并对其供暖及制热水模式进行了分析研究。结果显示，在最佳的控制策略下可以实现冬季供热及制热水模式能源利用率的最大化。图2为其一体机供暖及制热水原理图。

其中太阳能集热器为制热水的主要热源。热泵系统的冷凝器装有水冷换热器与风冷换热器两种换热器，串联接入系统中。在太阳辐射充足，太阳能集热器收集的能量可以满足建筑制热水需求时，关闭水冷换热器循环泵，使其不参与热泵循环。空调完全按传统的制热方式对房间供暖；在太阳辐射较弱的情况下，太阳能集热器收集的热量不能够满足房间制热水的需求，于是在一定的时间内开启水冷换热器循环泵，利用热泵对生活热水进行加热，使其达到预定水温。这样的运行模式对风冷冷凝器影响比较小。因此能够缓和冬季制取生活热水以及供暖之间的矛盾，通过引入太阳能在很大程度上提高了系统的整体运行效率。

图2 一体机供暖及制热水原理图

2 一体化系统存在问题

虽然目前已有产品化的空调热水一体化系统以及许多尚处于研究开发阶段的新型制冷采暖热水一体化系统，但它们依然存在一定程度上的不足。

对于已经产业化的空调热水一体化系统，在夏季运行时能够在制冷的同时利用余热加热水，很好的提高运行效率。但在冬季时，由于空调制热量根据使用场合的热负荷来决定，而且制热量只包括风冷换热器产生的热量，因此在加入制热水的模块后则会造成整个效率的降低。

对于利用太阳能吸收式制冷技术的热能驱动一体化系统，在夏季能很好的实现太阳能制冷兼制热水。但在冬季由于太阳辐射的减少，单纯以太阳热能则不能满足供暖兼制热水的需求。除此之外，由于造价高以及效率低等原因，也限制了它的应用。

对于加入太阳能模块的电驱动空调热水一体化系统，能够协调冬季制取生活热水和供热之间的矛盾。随着生活水平的提高，人们对住宅舒适度的要求也相应提高，辐射供暖因其节能、舒适, 不占用室内使用面积等突出优点在北方地区及华东地区大面积使用[5]。而这种一体化系统以传统空调运行模式进行供暖，在舒适度上不如辐射供暖的地暖系统。除此之外，这种一体化系统盘管里的制冷工质一般为R134a等有机制冷剂，如果应用到医院、学校、办公楼等大规模建筑中，则需要大量的有机制冷工质，这样除了会增加投资成本，还会对环境造成污染。

3 一体化系统的新构想

3.1设计出发点

在目前已有的各种采暖制冷热水一体化系统基础上，设计新型的一体化系统，主要考虑以下几个出发点：(1)考虑一体化系统要同时适应冬夏两个制冷采暖季节，在冬季和夏季均能有较好的系统运行效率；(2)设计的一体化系统要考虑与建筑的结合性以及住户的舒适度。(3)冰箱作为现代住宅必不可少的电器，可考虑加入系统中；(4)系统应能够适应较多类型的建筑，具有普适性；(5)在具有较高运行效率的同时应考虑降低投资总成本。

3.2新型一体化系统结构和原理

在综合考虑以上设计出发点后，设计的新型采暖制冷热水一体化系统如图3所示，整个一体化系统以电驱动的冷水机组为核心，加入太阳能集热器模块来制取热水。整个系统收集到的热量集中在蓄热水箱中，制取的冷量集中在蓄冷水箱中，用于集中分配。制冷采用风机盘管，采暖使用地热辐射供热。

一体化系统的制冷空调系统由冷水机组、蓄冷水箱、风冷冷却塔、制冷风机盘管以及泵和三通阀门组成。热水系统由太阳能集热器、蓄热水箱组成。地热采暖系统由冷水机组、蓄热水箱、冷却塔、地热盘管系统及泵和三通阀门组成。

在夏季可以通过调整三通阀使得冷却塔、冷水机组及蓄冷水箱三者形成循环，将蓄冷水箱中的水制冷到7 ℃左右储存起来，这个过程可以在每天温度最低时进行，这样有利于提高空调系统的制冷系数COP，从而节约电能；当需要制冷时可将蓄冷水箱中的冷水通入风机盘管进行循环制冷。由于采用了蓄冷水箱，冷水机组可以运行一段时间再停机一会，由蓄冷水箱实现持续制冷，从而冷水机组运行时间少于制冷循环时间，可以延长机组使用寿命。

夏季太阳辐射较强，一般能满足生活热水需求，而且可以在每天太阳出来前，先调节三通阀使蓄热水箱与冷水机组及蓄冷水箱接通形成循环，先将蓄热水箱的水由25℃左右加热至35 ℃实现对水箱中的水进行预热，之后再调节三通阀切换到风冷冷却塔，从而有效利用了空调制冷余热。一天之间太阳能集热器收集的热量可将蓄热水箱中的水加热到70 ℃以上，满足生活用水需求。当夏季某日太阳辐射不足，水温不能达到要求时，则调节三通阀，利用制冷系统冷凝热加热蓄热水箱至所需温度。

图3 新型一体化系统原理图

冬季则不使用空调制冷系统。而太阳辐射在冬季一般不能满足室内采暖供热的需求。根据设计标准，冬季地暖水温可设定为50 ℃。调节三通阀使冷水机组及冷却塔从室外吸收热量与太阳能集热器共同加热蓄热水箱中的水至50 ℃储存在蓄热水箱中。需要采暖时，则通入地暖的盘管中，利用地暖辐射进行室内供热。热泵加热水可在冬季一天温度最高时进行，会提高热泵的性能系数COP。同样，由于蓄热水箱能够储存热量，冷水机组可以间歇运行，延长机组的使用寿命。

冬季生活热水可从蓄热水箱中抽取50 ℃的水再用热泵热水器加热至所需温度70 ℃以上。

冰箱的余热采用水冷换热器回收，因此冰箱需要特殊的设计和改造。经过调研计算，每台冰箱每日会有大约5 300 kJ的热量产生，假设全部回收利用，通过公式:

Q=cρLΔt

(1)

式中:c=4.186 kJ/(kg·℃),ρ=1 kg/L。

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计算可知，每台冰箱的余热可以使126.6 L的水升高10 ℃。设计24 h内流过126.6 L的水参与冷凝器换热。于是在一体化系统中使用水泵控制水流速为5.275 L/h。中间设计一个容积为50 L的小水箱，在此小水箱中储存一定量的水来实现与冰箱冷凝器换热，从而回收冰箱余热。

在春秋两个季节，没有采暖和制冷的需求。生活热水可通过太阳能集热器制取，当太阳辐射不足，水温不能达到70 ℃时，调节三通阀使冷却塔、水冷机组、蓄热水箱形成循环，加热蓄热水箱中的水至70 ℃。

3.3系统的优点

(1)一体化系统能够适应一年四季不同环境需求。综合利用了太阳能以及空调冰箱等设备余热，提高系统整体运行效率。

(2)利用热泵技术将空调热水结合在一起。夏季室外温度最低时制冷，冬季在室外温度最高时制热，能够提高系统的性能系数COP。

(3)每天先用热泵对热水进行预热，从而可使用更少的太阳能集热板，减少了系统的初投资。

(4)使用水作为冷媒介质来进行制冷，减少了有机工质的使用量，降低成本，有很好的环境友好性。冬季使用地暖辐射供热，供热均匀舒适；夏季采用风机盘管制冷，可兼顾除湿。提高住宅的舒适度。

3.4可能会遇到的困难及解决方法

(1)冬季生活热水温度与地暖所需水温不同，因此储热水箱中的水只能升温至50 ℃左右。生活热水的制取可以再通过一个空气源热泵加热器加热至所需温度。

(2)冰箱的适应性问题。因为一体化系统中需要回收冰箱余热。而现有的冰箱以风冷冷凝器为主，因此可改造成水冷型，也可以重新设计与系统匹配的冰箱。

(3)自动控制系统的设计。为了实现系统性能的最优化，需要在不同的环境条件下使用不同的运行策略。为了系统稳定运行，需要设计准确的温度监测点，反馈系统并保证控制的灵敏性以适应时刻变化的内外环境情况。

4 结束语

建筑采暖制冷热水一体化系统的研究与开发符合节能减排的大政方针。虽然目前已有相关产品以及大量的研究成果，但依然在提高系统效率，降低投资成本等方面需要进一步的研究，从而推进实际应用进程。

对于热能驱动的一体化系统，目前的吸收式制冷技术成本高，效率低。因此应简化系统，优化结构，向小型化发展。从而提高效率，降低成本。

对于电能驱动的一体化系统，压缩式制冷技术已十分成熟。未来发展应以优化系统、优化自动控制方法为重点。

未来一体化系统还应兼顾与建筑的适应性，外形美观，能够适应多种建筑，适应各个季节，保证入住人员的舒适。

未来的新型系统还可以耦合其他新能源如风能、地热等，从而进一步提高系统运行效率，减少环境污染。此外，储能技术的研发及应用，也将推动一体化系统的改革与发展。

[1] 郑瑞澄.太阳能供热、采暖工程应用及经济性分析[J].建设科技,2008.

[2] 谬仁杰，李淑兰.太阳能利用现状与发展前景[J].太阳能利用现状与发展前景.应用能源技术,2007,(5):30.

[3] 胡志新，虞耀军，欧阳卫强，等.太阳能空调热水一体化技术开发研究[J].九江学院学报(自然科学版)2006,(2)：5-6.

[4] 江乐新，胡志勇，黎恢山.太阳能空调热水一体机供热兼制热水模式的性能研究[J].流体机械,2011,39(2)：62-63.

[5] 刘 翔，王长庆. 华东地区低温地板辐射采暖实验及模拟[J]. 能源技术, 2007, 28(4): 40-48.

Status and New Prototype of Refrigeration and Heating with Hot Water Integrated Solar Building System

LI Yuan1, SHAN Shi-quan2, HE Guo-qing3

(1. College of Construction and City planning, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2. College of Energy engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;3. Institute of Construction technology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Based on the background of energy saving and emission reduction, the author expounds the meaning of refrigeration and heating with hot water integrated solar building system for energy saving and environmental protection. Then the author summarizes the principle, advantages and disadvantages of integration system. On the basis of this, a new integrated system conception is proposed. This system can better resolve the existing problems and has higher efficiency. What's more, it can provide the reference for promoting the Industrialization of integration system.

Integrated system; Solar collector; Air condition; Floor heating system

2015-06-10

2015-06-29

李 媛(1994-)，男，重庆大学建筑城规学院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.011

TU831.3.7

B

1009-3230(2015)07-0035-05