热泵和太阳能联供冷热装置及系统集成技术
1.前言
当今世界，节能与环保问题日益提上日程。能源是经济和社会发展的重要物质基础，化石能源如煤炭、石油、天然气等常规能源短缺，其不可再生性决定了终有一天将会枯竭；且以燃煤为基础的传统能源所带来的负面影响也越来越不能适应社会可持续发展的要求。从长三角、珠三角的“电荒”，到涉及东北、华东、华南、西南等地区的“煤荒”与“油荒”，传统能源紧缺的“红灯笼”挂遍中国大地。
随着能源紧缺的进一步扩大，全民的节能意识也得到了很大的提高。节能不再只是作为一种宣传口号被传播，而是切实地被各地的政府等相关职能部门提上了日程。能源危机的警钟唤起了人们对能源战略应用的重新思考，同时也将人们的目光引向了新型能源的开发及利用，基于此中山市爱美泰电器有限公司不断加强对热泵和太阳能联供的住宅冷热装置及系统集成技术的研究。
2.国内外技术背景
2.1地板采暖技术
对一个建筑物，采暖系统通常包含三个部份：热源、室内散热末端、管路传输及控制系统，这三个部分是一个有机的整体，采暖系统的高效节能需要三个部份的完美配合！
地板采暖是一种室内散热末端，是指以温度不高于60度的热水为热媒，在加热管内循环流动，加热地板，通过地面以辐射和对流的传热方式向室内散热的供暖方式，相比于传统的散热器，地板采暖是一种新型的室内采暖模式，2000年后在我国发展，近几年得到普及，为多数人所接受，在欧洲比我国早10来年，地板采暖行业兴起主要得益于塑料管业的成熟，一种称为PEX的适用于低温热水的寿命要超过50年的地暖管，是地暖能被市场接受的关键。
相比于传统的散热器采暖，或以对流散热为主的风机盘管采暖，地板采暖的突出优点是：散热面积大，室内温度场均匀，没有局部干燥，从底部地板加热的模式，既符合人体舒适感觉的要求：冬天脚暖的感觉最重要！又符合热向上传递的自然规律。
地板采暖的出现，打开了应用低温热水采暖的阀门，在欧洲多数国家，将地板采暖使用热水的供水温度确定在40℃以下，我国在制定地板采暖的标准中，考虑到地区差异及房屋保温的特性，将供水温度设定为60℃度，但实际工程应用中，大部分在45℃的供水温度时，已能满足室内采暖要求，随着我国节能建筑规范的实施，建筑物保温做得越来越好，建筑物热负荷会进一步降低，地暖供水温度也可以更低，这为热泵作为一种新型的节能型的热源，在建筑采暖中的应用推广奠定了基础。
无论国内国外，在地板采暖的具体技术上，呈现出各种各样的形式，如毛细管网、干式地暖、湿式地暖、预制模快板地暖等，其原则都是为了达到改善室内供暖的舒适性及节能的目的！
2.2热泵技术
热泵技术是一种“能量搬运”技术，消耗少量的电能，实现几倍能量的搬运，将热量从底温区“搬运”到高温区。运用热泵技术来供暖，就是从外界蕴含能量的介质中取得热量释放到室内，业内把从地下土壤中取得热量的热泵称为地源热泵，从江河湖泊中取得热量的热泵称为水源热泵，从空气源中取得热量的热泵称为空气源热泵，按照热力循环工作原理分，又可分为消耗热能的吸收式热泵和消耗电能的压缩式热泵，本文所涉及的热泵属于消耗电能的压缩式热泵，这也是当前及未来热泵发展的主流模式。
压缩式热泵搬运热量的能力与投入的电能之比称为制热性能系数又称能效比(用COP来表示)，当从0℃的外界环境介质中向室内20℃的供热时，其理论效率为：(室内温度20+273)/(室内温度20-外界环境0)=14.65，但是实际当中，远远达不到这一数值，目前一般的效率在2.0～6.0之间。热泵的特点是：
1)能效比永远>1；
2)热泵提升的温差约小，其能效比约高，提升的温查越大，能效比越低；
因此，在冬季采暖的环境下，热泵适合做低温热水，由于热泵消耗的电能属于一种高等级的能源，热泵只有在应用中达到较高的能效比，才有应用推广的经济价值，才具备节能的效果！
采暖能耗指数是以电加热采暖费用为对比依据，电加热的能耗指数为100，其它各类能源消耗费用和电加热对比，如热泵为38，天然气为44，表明同样热值时，只要用到电加热费用的38%、44%，因此在整个采暖季，热泵的平均能效只比只要达到2.5，则运行费用就相当于集中供暖，正是因为这一点，当燃烧类的能源越来越紧缺的时候，全世界不约而同把目光转向了热泵技术。热泵作为热源，另一个特出优点是：可以实现冬季供暖外，还可以实现夏季供冷，这样可实现客户利益最大化。
2.3空气能与太阳能
空气源热泵的热能主要来自空气中的热能，而空气中的能量最终来自于太阳辐射能的积累，因此也有人称这类热泵为间接太阳能，相比于地源热泵、水源热泵，空气源热泵最不受地理条件的限制，工程设计上不存在不确定因素，安装简单方便，易于维护，非常适合在家庭系统中使用，空气源热泵的缺点是受环境气候的影响明显，冬季空气的温度、湿度都对制热效率有重大影响，也存在噪音、冷凝水排放等问题，在早期欧洲市场上以地源/水源热泵为主，近几年随着空气源热泵技术的发展，其能效缺点得以克服，安装及维护的便利性促使空气源热泵在住宅类项目中，其使用比例越来越高。
空气能热泵的应用范围受到气候条件的约束，其工作效率与工作温差成反比。随着室外温度的降低，用户的需热量不断增加，空气源热泵的制热量反而随之减少；即工作温差越大，工作效率越低，因此空气能热泵的关键技术在于：
1)提高其工作效率，即制热能效比；
2)拓宽其对气候的适应范围；
太阳能作为一种可再生的清洁能源具有其它能源无可比拟的优势。我国太阳能资源十分丰富，绝大部分地区年平均日辐射量在4kwh/㎡.d以上，全国2/3以上地区年辐照量大于502万KJ/㎡，年日照时数在2000小时以上。太阳能取之不尽用之不竭，处处均可开发应用，无需开采和运输，不会污染环境和破坏生态平衡，符合国家倡导的“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，具有良好的节能减排效果，太阳能技术是可再生能源应用的主要应用方向之一，太阳能应用中的一些难点是：
(1)太阳能的能流密度低，集热器实际采集到的太阳能辐射照度不高；
(2)太阳能因地而异，因时而变，太阳辐照度全年变化大，一般夏季最大、春秋季节次之、冬季最小，而热水的需求量刚好与太阳的辐照度相反；
(3)太阳能具有间歇性和不可靠性，受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，特别是连续的阴雨天气。
空气能热泵技术和太阳能技术都存在着一定的局限性，如果空气能热泵系统与太阳能系统能够联合使用，互相弥补自身的不足，则可大大提高资源利用率，达到最大限度的节能效果。
2.4直流变频压缩机技术
变频技术是相对于定频技术而言的，传统的定频压缩机其电机特性是固定的，压缩机的工作点取决于压缩机机械负载和电机驱动力之间的平衡，因此当系统变化使得压缩机偏离额定工况时，此时电机为适应负载会偏离其最佳工作点，电机效率下降！变频技术可以通过改变输入电的频率特性来调节电机特性，使其能在较高效率的工作点和机械负载相适应，从而降低压缩机功率损耗，提高整个机组的效率！对于热泵空调系统而言，部分负荷工作的时间比例超过80%以上，因此变频技术能大大提高机组本身能效及实际运行能效。
“直流变频”是与传统的“交流变频”的相比较而言的，交流变频的电机采用的是传统的单相或三相异步电机，直流变频的电机是无刷直流电动机，其转子为永久磁铁，一般情况下较交流变频省电约10%，如果转子的磁体排列更科学，磁力线集中度更高，再加上采用含稀土钕的磁体，则可较交流变频省电可高达20%，直流变频压缩机和交流变频压缩机的比较如下：
1)压缩机效率提高，直流变频压机的效率要比交流变频的效率提高10%；
2)同样输出功率的压缩机，直流的比交流的体积要小；
3)震动及噪音更低；
4)从驱动算法角度直流要比交流的复杂的多，直流压缩机的无位置检测的算法尤其复杂；
因此，在压缩机行业，最新的变频技术已明确转向直流变频，且逐步向大功率压缩机发展。
2.5热泵采暖系统的噪音控制技术
热泵要在低温环境下提高能效就意味着要加大空气流通断面积或者提高室外机的换热面积，但增大换热面积和加大空气流通断面积都将意味着机组尺寸的增大。住宅建筑能留给机组安装的空间都是非常有限的，尺寸增大不仅会导致机组安装困难也会导致成本增加，在现有机组尺寸下增大风速就必然导致机组噪音增加。噪音对于人的身心健康的影响现在是越来越被人们所重视，噪声不仅可以干扰人们的日常生活如语言交流、休息睡眠，影响人的心理状况，降低学习工作效率，甚至引起听觉、心血管、神经、内分泌等系统的损害，当今生活节奏加快，人们对环境舒适度的要求越来越高，特别在冬季，人的社会活动减少，对周围环境的噪音越来越敏感，以采暖为主的热泵，对噪音的控制提出了更高的要求。噪音的控制总体上要从压缩机、风扇、水泵等运动部件及其引起的相关振动入手，在欧洲，很多情况下采用给热泵另配消音外壳的办法来达到目标。
3.技术特征、主要技术指标及创新点
3.1技术特征
本技术针对热泵机组与太阳能联动供冷暖和热水装置应用在住宅的研究，采用直流变频技术与蓄能水箱融为一体实现冷热联动功能、利用OPRD集成控制进行制冷与制热的切换及采用按太阳能、变频空气源热泵、燃气(油)锅炉、电加热的优先顺序的能源优先等级控制。
本技术是由太阳能、空气热能及其它能源组成一个多能源综合利用系统，做到优先利用太阳能等清洁能源。太阳能是“免费”的能源，但由于初投资大及受天气影响，在我国的发展，几乎一直局限在生活热水领域。而本技术是将太阳能制热合理地融入到采暖空调系统中，应用到家居住宅，实现能源利用最高效，在国内属首创。
本技术是多用途系统，实现全新冷热联供功能，满足换热、储热、制热、供地暖、制冷、除湿等多用途，在国内属首创。
本技术针对住宅使用特点，从系统集成角度，对地板采暖、风机盘管中央空调及生活热水三联供技术实施过程中的关键技术难题，创造性的提出了解决方案，包括和地暖结合的水温控制模式、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，在国内属首创，并申请相关专利。
3.2主要技术指标
(1)产品能力以标准工况下的制热量标称，包含AVH-12，AVH-24两个基本型号及多个模块机型，AVH-12主要技术指标：制热量5.4KW，COP4.2，制冷量4.6KW，EER12.0，AVH-24主要技术指标：制热量9.8KW，COP4.5，制冷量8.0KW，EER11.0；工作环境：-25℃—43℃；模块化组合最大制热量50KW，制冷量40KW。
(2)采用直流变频技术与多功能蓄能水箱融为一体，形成高效的机组，实现全新冷热联供功能，满足换热、储热、太阳能盘管、供地暖、制冷、除湿等多用途。
(3)利用OPRD集成控制，进行制冷与制热的切换，冷热切换平稳、可靠；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。
(4)采用能源优先等级控制。按太阳能、变频空气源热泵、燃气(油)锅炉、电加热的优先顺序，机组智能优先选用清洁能源取暖。
3.3创新点
热泵和太阳能联供的住宅冷热装置及系统集成技术创新点在于：
(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、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)本技术在国内外首创应用在家庭住宅，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→其它辅助能源，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、室内散热末端、管路系统、控制系统设计、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。
4.与国内外同类典型产品技术性能的比较
本产品的技术水平对照国外最先进的燃气壁挂炉、热泵、太阳能一体机组，技术上达到同等先进水平，产品设计上更符合中国的建筑和气候特点；与国内通常采用的单一能源利用模式相比，本技术产品先进性体现在：一套设备同时满足供暖、供冷、除湿和生活热水；优先利用最廉价的能源；采用直流变频热泵技术大大提高了整机的能效比、拓宽了产品使用的环境温度范围，提高了产品的可靠性、稳定性。
本技术系统以空气能热泵系统为主，太阳能系统为辅，但在运行控制上要优先采用太阳能，并加以充分利用。在供热运行模式下，生活热水和室内采暖同时运行，优先热水模式；在制冷运行模式下，生活热水主要由太阳能系统供应，室内空调制冷由空气能热泵供应，热泵在太阳能制热不足时优先热水模式；在除湿运行模式下，低温冷水除湿。
本技术产品研发耗时7年，采用直流变频和模糊控制技术，首先突破空气源热泵在冬季采暖遇到的一系列问题，使得空气源热泵在冬季采暖领域具备了商业推广价值，并进而扩展到夏季供冷、一年四季提供热水，真正做到让百姓居民买得起、用得起、用得舒服！
本产品在和太阳能联动技术上，有创造性突破、获得发明专利一项，软件著作权一项，及其它实用新型专利。太阳能集热效率对水温不敏感，因此太阳能热优先供应高温的生活热水，供应生活热水有余时，太阳能热自动转到室内供暖。
本产品在热泵和地板采暖、风机盘管中央空调、生活热水三联供系统集成技术中，创造性解决了其中的关键工艺，并申请实用 新型专利。
5.推广应用的条件和前景
本技术产品已实现了小批量生产，具备了进一步开发市场和技术产业化的基础。在国内外已有不少用户案例，在此基础上，我们还将针对国内环境气候情况，在具有不同气候区特征有代表性的城市建立示范工程，对样板工程进行长期运行测试，分析总结测试结果，并按照不同气候区分类归纳，掌握第一手资料，不断改进和完善样板工程系统，并将总结积累的经验推广应用到各个气候区的用户工程中，达到空气源热泵高质量、高能效、安全、经济供暖空调产业化推广的目的。
本项目预计影响推广应用的主要因素是因消费者对此技术和产品的陌生而产生的顾忌，影响到最终的购买和选择，进而影响公司产品的推广速度及整个产业化的进程。为了使各地的用户能够尽快的了解此产品的优势及节能效果，公司各地的业务人员和各地的经销机构正在用工程可分期付款的方式尽量减少用户的顾忌，在当地树立起样板工程，再通过已使用用户对产品的肯定和宣传配以当地经销商大量的宣传及现场演示，扩大产品的影响力和口碑，逐步把整个市场启动。
我国正在进行城市化进程，绿色环保的理念越来越深入人心，更多的人希望在满足居家舒适性要求的情况下，尽可能省钱，尽可能节能，尽可能环保，直流变频等多项高新技术的应用使得本项目达到了“舒适性“和”节能环保“的完美结合，将对传统家庭空调采暖方式在节能及舒适性方面带来一次巨大革新，使过去空气源热泵仅局限于热水系统的应用，扩展到采暖、空调和生活热水的立体应用，使应用的地域从我国长江中下游、西南、华南地区扩展到黄河流域、华北及东北地区，其节能减排的意义将是不可估量的，因此本技术产业化生产一定会有一个广阔的市场前景。
6.结束语
热泵和太阳能联供的住宅冷热装置及系统集成技术是一项比较新兴的前沿技术，符合当今节能减排、低碳环保、分户供暖制冷等时代发展大势，在空气源热泵领域占据着十分重要的地位，主导整个分户供暖制冷系统的快速发展，会带来巨大的经济效益和社会效益，具有广阔是市场前景。
