太陽能雙級升溫供暖 - 制冷 - 熱水系統是由北京四季通熱能系統科技有限公司研發的充分利用太陽能、水源、空氣源3 種能源，結合每種能源各自的特點，通過智能化的控制，使每種能源工作在最優條件下的綜合清潔能源系統。系統綜合效率高、輔助能源用量少，從而實現了“三源擇優”的供暖 -制冷 - 熱水功效。下面結合榆垡椿蓉園別墅案例進行詳細分析。
項目概況
項目位于北京市大興區榆垡鎮，建筑面積 350 m2，建筑高度 3 層（第 3 層無人居住，無暖通需求），采用太陽能＋空氣源熱泵＋水源熱泵系統，滿足冬季供暖、夏季制冷、全年生活熱水需求，其中供暖房間主要為 1～2 層，建筑面積為 260 m2，供暖末端為地盤管，制冷末端為風機盤管；生活熱水采用盤管換熱方式，末端串聯燃氣熱水器。
系統設計安裝全玻璃真空管集熱器，集熱面積 20 m2，安裝在屋面上，集熱器設計安裝傾角 35°，在 1 層安裝 1臺 5 匹空氣源熱泵和 1 臺 3 匹水源熱泵，機組采用分體式結構，室內機置于設備間內，室外機置于設備間外，另有 1 臺1.2 t 儲熱水箱用于儲存一定熱量，作為夜間水源熱泵供暖的熱源；1 臺 400 L 的供能水箱和集成泵站均置于設備間內。
系統控制采用單片機控制加遠程監控，本項目于 2014年 11 月 10 日竣工驗收，并正常運行至今。
運行原理圖（見圖4）
主要運行原理
1）太陽能集熱溫差循環：當集熱器頂部出口溫度與儲熱水箱下部溫度之差≥溫差循環起始溫度（默認 7 ℃，可調 ) 時，集熱循環泵啟動，進行集熱循環，當溫差≤溫差循環停止溫度（默認 3 ℃，可調）時，停止循環。如此往復，太陽能集熱器將儲熱水箱內的水不斷加熱。
2）供暖時的雙源熱泵啟停控制：通過合理配置儲熱水箱大小、結合儲熱水箱內溫度及時間綜合控制空氣源熱泵的啟停，在設定條件下，儲熱水箱內溫度小于設定溫度－ 3℃（默認 15 ℃，可調），則空氣源熱泵啟動，將水進行加熱，當溫度達到設定溫度時停止；供能水箱內溫度低于設定溫度－ 5 ℃（默認 40 ℃，可調）時，水源熱泵啟動，以儲熱水箱的熱作為熱源，給供能水箱加熱，達到設定溫度時停止。智能控制的結果使空氣源、水源、太陽能三者均在其比較理想的條件下運行，綜合效率較高。
4）末端控制：供暖時，通過室內溫度控制供能水泵的啟停，當室內溫度低于供暖啟動溫度時，供能循環泵啟動，給房間供暖；當室內溫度達到供暖停止溫度時，供能循環泵停止。制冷時，通過室內溫度控制供能水泵啟停，當室內溫度高于制冷啟動溫度時，供能循環泵啟動，通過風盤給房間制冷；當室內溫度降低至制冷停止溫度時，供能循環泵停止。
5）太陽能系統防凍：系統采用排空和防凍循環相結合的防凍模式。
6）生活熱水供水：自來水通過儲熱水箱內盤管換熱后，串聯燃氣壁掛爐供生活熱水。
傳統系統的工作原理是，陽光輻照好的時候依靠太陽能集熱器給供熱水箱升溫，當溫度降到設定溫度以下時則啟動空器源熱泵補熱。該系統主要有以下缺點：
1）空氣源受環境溫度影響較大，若要在溫度較低的情況下滿足供暖要求，系統需提供較大電源容量，同時系統的保障性較差，晚上空氣源熱泵的噪聲問題也是目前難以解決的問題之一。
太陽能雙級升溫系統較傳統系統的優勢
1 系統的供熱保障能力穩定
1）相比空氣源熱泵供暖系統，本系統受環境溫度影響小空氣源熱泵供暖系統，空氣源產水溫度需≥地暖供熱溫度（如 40 ℃，目前供水溫度要求最低的末端為地暖），本太陽能雙級升溫系統空氣源熱泵的出水溫度為 15 ℃ ( 可調 )，系統能效比受環境溫度影響較小。與出水溫度 45 ℃的空氣源熱泵相比，其制熱能效受環境溫度變化影響小。
2）相比空氣源熱泵供暖系統，供暖負荷的供求沖突較小，在晚上環境溫度較低時，建筑供暖負荷就會增加，這時空氣源熱泵的制熱能力反而會比較低，會出現供需不平衡、系統保障能力較差，即通常出現的天氣越冷、系統供熱量越小的情況。本系統為雙級運行模式，空氣源只需在白天產生一定的基礎溫度（如 15 ℃）的熱水，白天環境溫度高，出水溫度低于常規系統，因此空氣源熱泵制熱能力也會比較高，晚上再由水源熱泵供給供暖末端能量，水源出水溫度比較穩定，不受環境溫度的影響。
一般來說，白天和夜間環境溫度變化較大，白天較高的環境溫度有利于空氣源熱泵的運行，同時白天空氣源熱泵啟動將熱量儲存在儲熱水箱內，作為夜間水源熱泵供暖的熱源，相比純空氣源供暖系統，本系統空氣源熱泵的工作環境溫度均在白天的 0 ℃以上，空氣源熱泵能效比大大提高。
3）系統供能不受空氣源熱泵化霜的影響在環境溫度較低的情況下，空氣源熱泵作為系統的一級熱源，將產生的熱量儲存在分層儲熱水箱內，作為水源熱泵的熱源，分層儲熱水箱具有一定熱容量，因此即使在空氣源熱泵化霜情況下，系統仍能穩定地由水源熱泵提供能量。
2 供暖末端形式多樣化
由于本系統的二級熱源為水源熱泵，系統供熱溫度范圍較大，很容易達到 45～75 ℃，供暖末端既可采用地暖盤管等輻射供暖，又可采用風機盤管等對流供暖末端，甚至是傳統的散熱器，突破了傳統太陽能＋空氣源熱泵供暖系統只能采用地暖盤管末端的限制，客戶選擇范圍更廣，系統使用范圍更寬。
3 避免空氣源熱泵夜間噪聲的問題
本系統空氣源熱泵只在白天運行，白天較高的環境溫度有利于空氣源熱泵的運行，空氣源熱泵啟動將熱量儲存在儲熱水箱內，作為夜間水源熱泵供暖的熱源，因此夜間空氣源熱泵無需啟動，也就避免了空氣源熱泵夜間噪聲擾民等問題。
4 分層儲熱技術，系統效率大大提高，太陽能得熱量增大
在本系統儲熱水箱內置專利的分層結構，可實現系統快速啟動，確保不同溫度的水不發生摻混。同時水箱分層技術確保了進入太陽能集熱器的溫度始終保持在低溫，太陽能效率受環境溫度、太陽輻照強度、進口水溫的影響，在前兩者相同的情況下，進口溫度越高，集熱效率越低，本項目通過雙級升溫技術和水箱溫度分層技術，將集熱器進口溫度降至10 ℃，從而大大提升了太陽能集熱器的得熱量。
5 太陽能集熱器排空技術，得熱量增加，防止過熱
傳統太陽能集熱系統的防凍往往采取定溫循環或加裝電伴熱帶的方式，這 2 種方式都要消耗一定量的熱量或電量，有的系統在設計不合理的情況下，為了防凍所消耗的熱量，甚至大于太陽能集熱系統白天收集的熱量。本系統采用的排空技術，不用消耗任何能量就可達到防凍的目的，且排空回流的熱水增加了每天的得熱量，一舉兩得。
6 系統防凍問題的解決
系統對各部件的防凍進行了很好的解決，太陽能系統的防凍問題，通過排空結合防凍循環得到很好的解決，雙源熱泵采用分體形式，空氣源氟系統部件被放置于室外，其余水系統部分置于設備間內，既解決了空氣源側需要吸收空氣源中熱量的問題，又解決了水源熱泵怕凍的問題。
7 一套系統多種功能
本系統一次實現供暖、制冷、生活熱水功能，真正實現了三聯供，滿足建筑的用能需求。
總結
