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【经典案例】别墅酒店空气源热泵+太阳能复合空调 及热水系统案例分析
摘要：本文结合工程实例，介绍了别墅酒店利用空气源热泵-太阳能复合系统满足空调、生活热水需求的应用，同时简述了其控制逻辑，得出合理的复合系统既保证安全稳定运行，又可实现节能。该项目空调及生活热水完全利用可再生能源，实现可靠、稳定、高效的运行，同时创新的空调控制和能耗监测，为业主提供方便的管理及监控，同时引导客人的节能行为。
关键词：空气源热泵、太阳能、生活热水、运行控制、节能
裸心谷位于避暑圣地浙江省湖州市德清县莫干山脚下的一片广阔却又遗世独立的山谷中，是一个坐落于自然保护区内的度假村，无论是宽敞的树顶别墅，或是温馨的夯土小屋，都尽显生态奢华风貌。凭借其独特的建筑技术运用，树顶别墅和夯土小屋荣获国际LEED 绿色建筑铂金级认证。酒店空调和热水是其高品质服务和客户良好体验的重要保证。
针对项目山区冬季气温低，热水需求量大的特点，采用如下对策：
（1）采用直流变频+喷气增焓的三联供热泵，提供采暖制冷和生活热水。
（2）利用原有的太阳能对生活热水进行预加热。
（3）针对该项目的特点修改热泵外围设备控制程序。
经监测，150m2的树顶别墅，一个采暖季的空调耗能指标为：33.6kWh/m2。
该别墅酒店位于莫干山，属亚热带湿润季风气候，海拔388m，夏季气温较低，七、八两月平均温度仅24.1℃。上一个冬季山区气温最低零下15℃，该酒店共有别墅72 幢。别墅外景如图1 所示。
现取其中一幢典型房型作为案例，该别墅建筑面积为150m2，共两层，地上一层为2 个卧室，地上二层为餐厅、厨房、客厅、大露台。每个卧室有一个300L 的浴缸，露台上有一个1200L 的按摩浴缸。建筑平面图如图2~3 所示。生活热水需求量较大，而现场没有条件设定很大的生活水箱，这就对整个系统提出了很大的挑战。
图1 别墅外景图
图2 地上一层建筑平面图
图3 地上二层建筑平面图
图4 所示是系统原理图。
图4 空调/热水系统原理图
空气源热泵采用雅凯热能科技提供的MAH-15-D 一台，艾默生直流变频涡旋压缩机，带EVI喷气增焓技术。集采暖、制冷、生活热水功能于一体。制热量5.5-19.5kW之间连续可调，制冷量4.5-18kW 之间连续可调。制冷制热能效均达到欧洲A 级能效及中国一级能效标准。热泵为分体壁挂式，内外机之间用冷媒管连接。内机内置电动三通阀，用于空调系统和生活热水之间的切换。一次泵置于室内机内。直流变频和EVI喷气增焓技术的结合使用，即使是在-10℃的情况下，生活储能水箱温度仍能轻松达到50℃。
空调系统耦合水箱容量40L，直流变频涡旋压缩机具有更宽的输出调节能力，热泵的输出能力随着室内负荷变化实时调整，所以该系统内无需设置缓冲水箱，仅仅设置一个小容量的耦合水箱。热泵内的水流量不随室内末端开启数量的调整而变化，这样就保证了热泵能在最高效率区间运行，同时也有利于延长热泵寿命。系统不设置缓冲水箱，空调系统每次启动后，系统迅速将热泵的能量传到室内，无需花费长时间来加热系统内的水。
空调系统二次泵末端配置二次水泵。
生活储能水箱容量300L，用于储存制备生活热水的系统水，而不是直接储存生活热水。生活热水由强大的内置盘管即时换热制取。生活热水不设电加热，完全由可再生能源提供。
太阳能水箱200L，用于生活热水的预加热。
生活热水循环泵A，用于生活热水的循环，热水即开即热。
图5 所示是MAH-15-D 的制热能力曲线。
图5 MAH-15-D 的制热能力曲线
机组进出水温度40/45℃，室外环温7℃时，制热能力为19.5kW；
机组进出水温度40/45℃，室外环温0℃时，制热能力为17kW，衰减12.8%；
机组进出水温度40/45℃，室外环温-5℃时，制热能力为15kW，衰减23.1%；
机组进出水温度40/45℃，室外环温-10℃时，制热能力为13.5kW，衰减30.8%；
机组进出水温度40/45℃，室外环温-15℃时，制热能力为12kW，衰减38.5%。
空气源热泵集制热、制冷及生活热水于一体，带有热回收功能的热泵，夏季制冷运行时可以提供免费热水，冬季提供生活热水。系统设计简单，安装方便，可以直接置于屋顶或室外，节省建筑有效面积。在运行时无任何排放污染，符合绿色环保要求。利用电力驱动用于取暖，可使电网资源在冬季充分利用。
采用全直流变频技术、喷气增焓技术、智能防霜技术及多能源管理和智能控制于一体的空气源热泵系统，更是现代低能耗住宅的理想选择。
3.1 全直流变频技术
空气源热泵配备直流驱动的变频压缩机，电机能耗大大降低，同时可以最大程度地调节系统能力输出，从而更好地适应系统的热负荷需求。即使在小负荷运行时，热泵也能轻松满足需求，并能够在运行成本较低的情况下提供较高的舒适度。
宽广的变频调节能力，可以大大降低热泵的启停次数，使得系统运行更稳定，延长了使用寿命。同时无需配备超大笨重的缓冲水箱，热泵启动后能迅速将热量传递到室内。
压缩机低频启动，可在低电压和低环境温度下启动，这对于某些地区由于电压不稳定或冬天环境温度较低而空调难以启动的情况，有很大的改善作用。而且噪音小，可静音运行。
3.2 喷气增焓技术
传统定频热泵系统在低温环境下工作很不理想，在这种背景下，产生了喷气增焓技术。喷气增焓技术是以喷气增焓压缩机为基础，优化了中压段冷媒喷射技术。该压缩机除了常规的排气口和吸气口外，还具有第二个吸气口，即蒸汽喷射口。中压的制冷剂蒸气通过蒸汽喷射口和位于静涡盘的喷射孔喷射到涡盘的中间腔，以增加系统制冷剂有效流量，结合带经济器的系统设计，达到增加系统制热量，提高压缩机的效率，同时提高运行可靠性的目标。
采用带喷气增焓技术（EVI）的涡旋压缩机的热泵，热泵能在-20℃至46℃环境下稳定运行，并且低温制热时制热量得以增加，大大提高了低温制热的能效比。同样，在制冷运行时制冷量也可以得到提升。
3.3 智能防霜技术
空气源热泵在低温条件下运行时，需要定期除霜，这会导致室内温度下降，影响室内舒适性。采用智能防霜技术的热泵一方面可以提前预知，及时调整频率，在不停机的情况下，防止结霜。另一方面，当有结霜时，利用生活水箱蓄存的热量进行快速融霜，除霜效果好，实现瞬间除霜。利用水箱除霜时，水箱中的水温会有一定降低，但下降不超过2℃，完全不会影响使用。
3.4 多能源管理
为满足极端工况下的热需求，空气源热泵常带有备用热源（燃气锅炉、燃木颗粒锅炉），通过内置的备用热源管理模块，实现轻松管理，确保系统效益最大化。在热泵供应不足时，备用热源可自动启动。在太阳能丰富的地区，空气源热泵可以接入太阳能作为辅助热源，通过内置的管理程序，使太阳能不仅能接入生活热水系统，而且能接入到采暖系统，实现太阳能辅助采暖。
3.5 智能控制
智能控制也是舒适家居系统不可缺少的一部分。配备智能控制系统的空气源热泵主机，通过IPhone 系统和Android 系统的客户端都可以操作热泵，并且在任何时候，都可以接入热泵系统，即使在移动中。也就是说可以控制系统的运行以适应自己的日程表，包括任何可能发生的意外情况。
对于加装了扩展单元的智能控制系统，还可以对新风、灯光、窗帘、家庭影院进行控制。
对于需要帮助的客户，可以授权技术人员，使他们通过智能系统远程进入热泵，快速进行故障诊断、参数重设、系统重启等，或者对客户进行远程操作培训。
夏季热泵模式为制冷+ 生活热水，冬季运行模式为制热+生活热水，春秋季节仅仅为生活热水模式。热泵始终为生活热水优先模式，在有生活热水需求时，优先制取生活热水。
生活热水由太阳能和热泵共同提供，太阳能作为初级加热，优先使用太阳能水箱的热量，不足时由生活储能水箱补充。
为满足酒店的热水需求，并且保证热水水质及热水量，该系统采用全新设计的生活储能热水箱。储能水箱结构见图7。
图7 储能水箱结构示意图
与大多数常用生活热水箱不同，储能水箱并不是直接储存生活热水，而是储存由热泵所捕获的能量，内置强大的生活热水换热盘管，生活热水按需即时制取，如果同时有多个用水点时，生活热水箱也应该能够提供足够的热水。
热泵优先制取生活热水，生活热水储能水箱温度设定为54℃，低于48℃时，热泵开启制取生活热水，达到55℃后停止。冬季热泵将生活热水储能水箱温度从48℃加热到54℃，用时仅仅8 分钟，对室内采暖基本没有影响。
定时制生活热水功能
针对酒店用水特点，每日下午4 点检查太阳能水箱温度，如果低于45℃，开启循环泵A，用生活热水储能水箱内的热量来加热太阳能水箱到50℃。在此过程中，如果生活热水储能水箱温度下降低于48℃，热泵开启制取生活热水。
即时连续制取生活热水
当大量连续使用生活热水时，生活热水储能水箱温度迅速下降到48℃，热泵开启制取生活热水模式。此时热泵全频运行，从储能水箱下部抽取温度低的水加热后送入储能水箱上部，这样通过水箱内置的强大的换热盘管，能连续不限量提供9L/min 流量的不低于45℃的热水。
为保证生活热水即开即用，设置了生活热水微循环水泵，由热泵根据室外环境温度来自动控制微循环泵的运行。
上述所有的温度传感器、水泵均接入到热泵，由功能强大的热泵控制器集中进行控制。
热泵配备Greenwire 智能控制功能（图8），可远程对整个空调及生活热水系统进行控制及维护，通过加装扩展功能模块，实现能耗管理等控制，为酒店节约了大量的管理成本，同时使客人参与节能。
图8 智能控制系统架构
JAGA 为裸心提供的智能控制界面见图9~11。能源中心界面，控制主机开启/关闭，设置出水温度；空调界面，控制不同区域的空调开启/ 关闭，设置温度；在能耗监测界面可以查看客人入住后到离开的总耗水、耗电数据。
项目安装调试完成后，经过了一年多的运行，全年每日运行能耗全部记录下来。图12~13 中显示的仅是2015 年8 月份和2016 年2月份的耗电量（含照明用电）、耗水量。
由图12 和图13 可以看出：8 月份的最高日用水量达到6.28t，2 月的最高日用水量达到2.05t，12 月的记录表中显示最高用水量达到3.6t。这说明这一复合系统能够满足用户高耗水量的需求。
由图14 可以看出，8 月的总耗电量为1620kW·h，此耗电量除包括空调系统的耗电外，还包括家用电器耗电、照明耗电等。平均每平方米耗电量为1620/150=10.8kW·h/m2。
假定空调耗电占到60%，则8 月份空调的每平方米耗电为10.8×0.6= 6.48kW·h/m2。2月份采暖的耗电为2403/150×0.6=9.61kW·h/m2。
整个采暖季从12 月份到次年3 月15 日计算，共计3.5个月，空调总能耗为8410.5×0.6=5046.3kW·h，每平米能耗为5046.3/150=33.6kW·h/m2。作为豪华别墅度假酒店，每平方米能耗仅与住宅建筑能耗相当。
该系统完全利用可再生能源，自投入运行以来，根据热泵进出水监测温度和水箱监测温度，该系统达到了设计要求，冬季室内温度最高可达到26℃。系统最初能提供200L 温度为50℃的生活热水，后续能不限量连续提供不低于45℃的生活热水，冬季日最高使用热水量达3t，且能耗经济、管理方便。
来源：《中国太阳能工程》杂志 作者：雅凯热能科技（上海）有限公司/供稿
“工程案例”栏目约稿函
太阳能热水器行业发展到今天，年产值已达1000亿元人民币左右，市场前景非常广阔。据中国太阳能热利用产业联盟统计显示，继2015年超过零售市场后，市场结构从零售市场为主向工程市场为主发展表现十分明显。工程市场2014年上半年占38%，2015年上半年占55%，2016年上半年占68%。
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