太阳能双级升温供暖 - 制冷 - 热水系统是由北京四季通热能系统科技有限公司研发的充分利用太阳能、水源、空气源3 种能源，结合每种能源各自的特点，通过智能化的控制，使每种能源工作在最优条件下的综合清洁能源系统。系统综合效率高、辅助能源用量少，从而实现了“三源择优”的供暖 -制冷 - 热水功效。下面结合榆垡椿蓉园别墅案例进行详细分析。

    项目位于北京市大兴区榆垡镇，建筑面积 350 m2，建筑高度 3 层（第 3 层无人居住，无暖通需求），采用太阳能＋空气源热泵＋水源热泵系统，满足冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水需求，其中供暖房间主要为 1～2 层，建筑面积为 260 m2，供暖末端为地盘管，制冷末端为风机盘管；生活热水采用盘管换热方式，末端串联燃气热水器。

    系统设计安装全玻璃真空管集热器，集热面积 20 m2，安装在屋面上，集热器设计安装倾角 35°，在 1 层安装 1台 5 匹空气源热泵和 1 台 3 匹水源热泵，机组采用分体式结构，室内机置于设备间内，室外机置于设备间外，另有 1 台1.2 t 储热水箱用于储存一定热量，作为夜间水源热泵供暖的热源；1 台 400 L 的供能水箱和集成泵站均置于设备间内。

    系统控制采用单片机控制加远程监控，本项目于 2014年 11 月 10 日竣工验收，并正常运行至今。

    1）太阳能集热温差循环：当集热器顶部出口温度与储热水箱下部温度之差≥温差循环起始温度（默认 7 ℃，可调 ) 时，集热循环泵启动，进行集热循环，当温差≤温差循环停止温度（默认 3 ℃，可调）时，停止循环。如此往复，太阳能集热器将储热水箱内的水不断加热。

    2）供暖时的双源热泵启停控制：通过合理配置储热水箱大小、结合储热水箱内温度及时间综合控制空气源热泵的启停，在设定条件下，储热水箱内温度小于设定温度－ 3℃（默认 15 ℃，可调），则空气源热泵启动，将水进行加热，当温度达到设定温度时停止；供能水箱内温度低于设定温度－ 5 ℃（默认 40 ℃，可调）时，水源热泵启动，以储热水箱的热作为热源，给供能水箱加热，达到设定温度时停止。智能控制的结果使空气源、水源、太阳能三者均在其比较理想的条件下运行，综合效率较高。

    3）制冷时采用空气源热泵给供能水箱供冷，当供能水箱内温度高于设定温度 5 ℃（默认 7 ℃，可调）时，空气源热泵启动，给供能水箱制冷，降到设定温度时停止。

    4）末端控制：供暖时，通过室内温度控制供能水泵的启停，当室内温度低于供暖启动温度时，供能循环泵启动，给房间供暖；当室内温度达到供暖停止温度时，供能循环泵停止。制冷时，通过室内温度控制供能水泵启停，当室内温度高于制冷启动温度时，供能循环泵启动，通过风盘给房间制冷；当室内温度降低至制冷停止温度时，供能循环泵停止。

    5）太阳能系统防冻：系统采用排空和防冻循环相结合的防冻模式。

    6）生活热水供水：自来水通过储热水箱内盘管换热后，串联燃气壁挂炉供生活热水。

    传统系统的工作原理是，阳光辐照好的时候依靠太阳能集热器给供热水箱升温，当温度降到设定温度以下时则启动空器源热泵补热。该系统主要有以下缺点：

    1）空气源受环境温度影响较大，若要在温度较低的情况下满足供暖要求，系统需提供较大电源容量，同时系统的保障性较差，晚上空气源热泵的噪声问题也是目前难以解决的问题之一。

    2）冬季太阳能供热不足：太阳能冬季效率偏低，理论上系统水箱内温度不会低于供暖回水温度 30 ℃，在此基础上靠太阳能升温，集热效率较低。

    1）相比空气源热泵供暖系统，本系统受环境温度影响小空气源热泵供暖系统，空气源产水温度需≥地暖供热温度（如 40 ℃，目前供水温度要求最低的末端为地暖），本太阳能双级升温系统空气源热泵的出水温度为 15 ℃ ( 可调 )，系统能效比受环境温度影响较小。与出水温度 45 ℃的空气源热泵相比，其制热能效受环境温度变化影响小。

同时，本系统通过合理储存太阳能产热量，可以弥补晚间空气源热泵产热的不足，共同为水源热泵提供热量。

    2）相比空气源热泵供暖系统，供暖负荷的供求冲突较小，在晚上环境温度较低时，建筑供暖负荷就会增加，这时空气源热泵的制热能力反而会比较低，会出现供需不平衡、系统保障能力较差，即通常出现的天气越冷、系统供热量越小的情况。本系统为双级运行模式，空气源只需在白天产生一定的基础温度（如 15 ℃）的热水，白天环境温度高，出水温度低于常规系统，因此空气源热泵制热能力也会比较高，晚上再由水源热泵供给供暖末端能量，水源出水温度比较稳定，不受环境温度的影响。

    一般来说，白天和夜间环境温度变化较大，白天较高的环境温度有利于空气源热泵的运行，同时白天空气源热泵启动将热量储存在储热水箱内，作为夜间水源热泵供暖的热源，相比纯空气源供暖系统，本系统空气源热泵的工作环境温度均在白天的 0 ℃以上，空气源热泵能效比大大提高。

    3）系统供能不受空气源热泵化霜的影响在环境温度较低的情况下，空气源热泵作为系统的一级热源，将产生的热量储存在分层储热水箱内，作为水源热泵的热源，分层储热水箱具有一定热容量，因此即使在空气源热泵化霜情况下，系统仍能稳定地由水源热泵提供能量。

    由于本系统的二级热源为水源热泵，系统供热温度范围较大，很容易达到 45～75 ℃，供暖末端既可采用地暖盘管等辐射供暖，又可采用风机盘管等对流供暖末端，甚至是传统的散热器，突破了传统太阳能＋空气源热泵供暖系统只能采用地暖盘管末端的限制，客户选择范围更广，系统使用范围更宽。

    本系统空气源热泵只在白天运行，白天较高的环境温度有利于空气源热泵的运行，空气源热泵启动将热量储存在储热水箱内，作为夜间水源热泵供暖的热源，因此夜间空气源热泵无需启动，也就避免了空气源热泵夜间噪声扰民等问题。

    在本系统储热水箱内置专利的分层结构，可实现系统快速启动，确保不同温度的水不发生掺混。同时水箱分层技术确保了进入太阳能集热器的温度始终保持在低温，太阳能效率受环境温度、太阳辐照强度、进口水温的影响，在前两者相同的情况下，进口温度越高，集热效率越低，本项目通过双级升温技术和水箱温度分层技术，将集热器进口温度降至10 ℃，从而大大提升了太阳能集热器的得热量。 

    传统太阳能集热系统的防冻往往采取定温循环或加装电伴热带的方式，这 2 种方式都要消耗一定量的热量或电量，有的系统在设计不合理的情况下，为了防冻所消耗的热量，甚至大于太阳能集热系统白天收集的热量。本系统采用的排空技术，不用消耗任何能量就可达到防冻的目的，且排空回流的热水增加了每天的得热量，一举两得。

    系统对各部件的防冻进行了很好的解决，太阳能系统的防冻问题，通过排空结合防冻循环得到很好的解决，双源热泵采用分体形式，空气源氟系统部件被放置于室外，其余水系统部分置于设备间内，既解决了空气源侧需要吸收空气源中热量的问题，又解决了水源热泵怕冻的问题。

    本系统一次实现供暖、制冷、生活热水功能，真正实现了三联供，满足建筑的用能需求。

    太阳能双级升温系统突破了传统太阳能供暖系统的设计使用理念，结合各能源的供能特点进行系统化设计，使热能综合利用最大化，提高整个系统热效率，系统供能更加稳定，保障能力更强，运行费用更低。