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空氣源熱泵采暖制冷一、二次系統(tǒng)設(shè)計和安裝的常見問題
經(jīng)常聽到業(yè)內(nèi)經(jīng)銷商及工程商朋友提問——“空氣源熱泵采暖制冷一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么?”“在兩聯(lián)供系統(tǒng)中更適合一次系統(tǒng)還是二次系統(tǒng)?兩者誰更節(jié)能?”“一次系統(tǒng)用屏蔽泵還是離心泵?”“二次系統(tǒng)中，水泵如何選型和控制?”……
這樣的問題不一而足。空氣源熱泵采暖的系統(tǒng)問題不是簡單的“吃飯喝酒”，不是你說一次系統(tǒng)好或者二次系統(tǒng)好就真的如此，還需要理論支持和實(shí)踐驗(yàn)證，不同的情況下可能有不同的答案。
一、空氣源熱泵一次系統(tǒng)的工作機(jī)理和特點(diǎn)
一次和二次系統(tǒng)的叫法是行業(yè)里面這么多年約定成俗的叫法，它并不是標(biāo)準(zhǔn)的叫法。
圖2就很簡單，很形象的把一次系統(tǒng)形象化，在整個供熱系統(tǒng)里面一般可以分為四大塊，熱源部分、室內(nèi)的末端部分、管路連接部分和控制系統(tǒng)部分，實(shí)際上一次系統(tǒng)是最簡單的連接方式，把熱源端和負(fù)載端直接相連。一次系統(tǒng)中，熱源端和負(fù)載端的水流量是一樣。
圖3是一次系統(tǒng)中水溫的示意圖，水溫在同一股水流就是在熱源側(cè)和末端側(cè)循環(huán)。這里有兩個數(shù)據(jù)需要留意一下，一是循環(huán)水的溫差，熱源端和負(fù)載端一變冷一邊熱，循環(huán)水的溫差通常決定了熱源端、末端和室內(nèi)負(fù)載端的能力，能力越大，溫差就越大，因此基本上溫差就決定了能力。
另一個就是循環(huán)水的平均溫度，水溫要么往上要么往下，用這個方法來調(diào)節(jié)熱源和負(fù)載端的熱交換。因此系統(tǒng)運(yùn)行的時候，就是通過這兩個數(shù)據(jù)來進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，大部分的時候，只要系統(tǒng)的設(shè)計誤差不是很大，那么系統(tǒng)是可以自我調(diào)節(jié)的。在這樣的一個系統(tǒng)里面，系統(tǒng)的產(chǎn)熱能力越大，進(jìn)出水的溫差就越大，平均的水溫會更高，熱源的溫度也會隨之增高。以上就是一次系統(tǒng)的工作情況。
在熱源端產(chǎn)生的熱量要么被負(fù)載端百分之百的消化，如果在同一個時刻，熱源端和負(fù)載端并不是完全匹配，熱源端消化不掉的熱量就會儲存在管道的水里面，這個時候整個系統(tǒng)的水溫是往上升的，比如系統(tǒng)啟動的時候，水溫很低，負(fù)載端的熱交換很差，而熱源端的產(chǎn)熱能力很大，因此平均水溫就會上升。管道里面的水容量對于平衡整個系統(tǒng)產(chǎn)熱和消耗熱量是有作用的。
二、影響一次系統(tǒng)主機(jī)運(yùn)行的主要因素
在熱泵采暖和制冷系統(tǒng)中，通常要對接不同類型的室內(nèi)負(fù)載，這也是熱泵和其他熱源顯著不同的地方，比如中央空調(diào)通常只需要對接風(fēng)盤，而熱泵會對接地暖、風(fēng)機(jī)盤管、散熱片等等，以及其他輻射制冷的末端。當(dāng)熱泵對接不同末端的時候，作為設(shè)計師和安裝師，就會有這樣的問題，在穩(wěn)定工作的情況下，系統(tǒng)會很高效嗎?哪些因素會影響工作的效率?要回答這兩個問題，還需要回歸熱泵本身的設(shè)計上。
熱泵在設(shè)計的時候都會有一個工況，包括設(shè)計時候的環(huán)溫、水流量、水溫等等，熱泵的最佳工作點(diǎn)都是在這個工況下來來進(jìn)行調(diào)試的，它其實(shí)是一個變工況。水流量是熱泵系統(tǒng)重要的參數(shù)，是每一個熱泵系統(tǒng)中必須確定的設(shè)計工況，同樣的輸出能力，水流量不同，可能換熱器大小的選型都不一樣，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也都不一樣，而這些因素都會影響熱泵的運(yùn)行。可以做一個簡單的估算，如果水流量減少20%，蒸發(fā)和冷凝溫度不變的話，蒸發(fā)器也許要增加20%-30%。在應(yīng)用的時候都希望水流量是足的，運(yùn)行的水流量是大于設(shè)計的水流量的，因?yàn)樗髁科。瑫绊憻岜玫墓摹?/span>
在這樣的思路指導(dǎo)下，做一次系統(tǒng)設(shè)計的時候，很難精確的計算出末端負(fù)載的阻力特性，特別是不同種類的末端，帶有很多閥門、彎頭和過濾器這些特征的時候。
因?yàn)檫@種設(shè)計傾向和考慮，在水泵選型的時候往往選大的，流量偏小，除了熱泵的效率降低外，如果偏離太多，還會導(dǎo)致排氣溫度升高、高壓保護(hù)等，甚至導(dǎo)致熱交換器結(jié)冰或者凍壞。
為了保護(hù)機(jī)組，通常都會加一個水流開關(guān)，大部分使用的是把片式和壓閘式，加了水流開關(guān)以后，對熱泵機(jī)組來說是增加了保護(hù)，但是又帶來了另外一個問題，當(dāng)小流量的時候，怎樣確保整個系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)行，比如室內(nèi)末端只開一部分，怎樣符合主機(jī)的要求?在一次系統(tǒng)里面，大的系統(tǒng)通常用壓差旁通閥，小型系統(tǒng)里面可以不帶閥門，讓流量控制，也可以安裝三通閥。
在采暖系統(tǒng)中，如果室內(nèi)末端不使用的時候，不裝閥門是可以的，起碼沒有什么危害，但是在制冷系統(tǒng)中，如果末端不開啟，也不用閥門把水流截斷，那么就會出現(xiàn)很嚴(yán)重的情況，會導(dǎo)致末端和相關(guān)的管路里面結(jié)露，而且不容易發(fā)現(xiàn)。
因此制冷系統(tǒng)中，如果室內(nèi)末端不開，冷水最好也不經(jīng)過管道和設(shè)備。在一次系統(tǒng)里面，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，水泵選項(xiàng)一般會偏大。
另外，末端系統(tǒng)變化的時候，一定要保證主機(jī)的流量。假設(shè)風(fēng)盤系統(tǒng)全部用二通閥，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試的時候是沒有問題的，主機(jī)和末端的流量都是夠的，水泵也是根據(jù)總的負(fù)荷來選。但是只開一個風(fēng)盤的時候，水阻力會很大，主機(jī)的流量就會大打折扣，這樣的情況下有可能導(dǎo)致主機(jī)的水流開關(guān)報故障。在一次系統(tǒng)里面，考慮到主機(jī)流量和末端負(fù)載變化后的流量的一致性，需要裝三通閥或者壓差旁通閥來解決。
三、一次系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷
主機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，機(jī)組是否能高效工作?在不能對負(fù)載末端水阻力進(jìn)行精準(zhǔn)計算的情況下，水泵偏大是通常的做法，但是會降低整個系統(tǒng)的能效比。
目前國家現(xiàn)行的熱泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)里面，水泵的功耗是不計算的，而在歐洲，水泵的功耗是計算進(jìn)去的，特別是主機(jī)側(cè)的水泵。對于產(chǎn)品的設(shè)計來說，既然國家有標(biāo)準(zhǔn)，那么就不會有人說產(chǎn)品不符合規(guī)范，但是對用戶來說，水泵的功耗是整個系統(tǒng)功耗的一部分，甚至達(dá)到系統(tǒng)的30%，特別是針對中國的現(xiàn)狀，很多房子很大，末端并不多，水泵長期出于大容量的空耗狀態(tài)，一方面用戶多花了錢，另一方面也會降低客戶對產(chǎn)品的認(rèn)可度。
在一次系統(tǒng)中，水流就是起到熱交換媒介的作用，它所交換的熱量和它交換過程中消耗的水泵功耗是有一個最佳平衡點(diǎn)的。目前，很多的研究還沒有做到這么細(xì)，但是隨著整機(jī)COP的提高，在水系統(tǒng)里面水泵的功耗和研究效率肯定會納入研究的范圍。
在溫度不是很低的時候，水泵的節(jié)能性是很明顯的，對于直連式系統(tǒng)而言，因?yàn)樗且还伤鞔嵩炊说呢?fù)載端，所以很難使水流在兩端同時達(dá)到最佳的狀態(tài)。
特別是工況不一樣的時候，系統(tǒng)的換熱量和阻力特性也是不一樣的，比如在某一個工況下，熱泵每小時需要3m3的流量，在這個狀態(tài)下工作效率最佳，但是末端僅僅開啟一個，只需要1 m3的流量，那么在直連式系統(tǒng)中是不能夠同時滿足這兩個流量的，實(shí)際運(yùn)行過程中水流量很可能是2 m3的流量，對兩者而言都不是最佳的。
一次系統(tǒng)之所以有這么多人在用，肯定有它的優(yōu)點(diǎn)，一是管道結(jié)構(gòu)相對簡單，只有一個泵;另一個是沒有混水，從末端回來的水全部進(jìn)入到主機(jī)。
四、空氣源熱泵二次系統(tǒng)的兩大特點(diǎn)：緩沖水箱和兩個循環(huán)泵
二次系統(tǒng)是針對一次系統(tǒng)存在的問題所提出的一種方案，特別是熱泵應(yīng)用里面，需要應(yīng)對不同的末端，早期是暖氣片，后來是風(fēng)盤，到現(xiàn)在的地暖，不同的末端有不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，比如散熱器的供回水溫差為20℃，供水溫度是60℃，甚至70℃，而地暖的供回水溫差是10℃，風(fēng)盤的供回水溫差是5℃。當(dāng)一個項(xiàng)目里面有不同末端，設(shè)計的時候，采用多大的流量就值得思考。
在二次系統(tǒng)1和二次系統(tǒng)2里面略有區(qū)別，在二次系統(tǒng)1里面用了旁通管路的做法，而二次系統(tǒng)2里面就是最常見的做法，熱源、水箱以及末端，其實(shí)二次系統(tǒng)還有一種做法是耦合式水系統(tǒng)。
無論哪一種做法，都有一個相同的特點(diǎn)，就是都有緩沖水箱作為熱源端和負(fù)載端的公共連接，它的好處是即使負(fù)載端沒有輸出，熱源端也不受影響。
第二個特點(diǎn)是有兩個循環(huán)泵，第一個泵負(fù)責(zé)主機(jī)和水箱之間的循環(huán)，第二個泵負(fù)責(zé)水箱和末端負(fù)載之間的循環(huán)。這樣的做法的一個缺點(diǎn)是多了一個水泵，而直連式系統(tǒng)只有一個水泵，因此想要系統(tǒng)節(jié)能，水泵的選型是很重要的，否則可能適得其反。
另一個缺點(diǎn)是成本增加了，多了一個水箱和一個水泵，增加的水箱和水泵到底值不值呢?熱源產(chǎn)生的熱量和負(fù)載端消耗的熱量并不是相等的，二者之間也沒有必然的關(guān)聯(lián)，當(dāng)熱源產(chǎn)生的熱量大于負(fù)載端消耗的熱量的時候，多余的熱量保存在管道的水里面，致使水溫上升，直至主機(jī)停止工作。
相反，如果負(fù)載端消耗的熱量大，熱源產(chǎn)生的熱量不足，就會消耗系統(tǒng)管道里面水的熱量，因此管道里面的水容量大小其實(shí)對系統(tǒng)運(yùn)行具有緩沖和平衡的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測試，一次性加熱到位與分段式加熱到位的能耗相差5%，這就說明緩沖水箱的蓄熱作用是有幫助的。
反過來思考，沒有一點(diǎn)蓄熱的作用，當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生的熱量大于負(fù)載端消耗的熱量，這時候水溫就會上升，最終導(dǎo)致停機(jī)，而停機(jī)后負(fù)載端還是在消耗熱量，水溫就會快速下降，那么主機(jī)就會頻繁啟停，既影響室內(nèi)的舒適性，同時主機(jī)也增加了功耗。
五、緩沖水箱的作用及二次系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
通過這個分析可以判斷出增加的緩沖水箱是值得的，緩沖水箱除了蓄熱和平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用外，還有兩個作用也是非常關(guān)鍵的。
一個是排氣，在水系統(tǒng)里面，盡管裝了自動排氣閥，但是水系統(tǒng)是可以溶解氣泡的，同時閥門也會有輕微的反應(yīng)，利用緩沖水箱來排氣是最可靠的，因?yàn)榫彌_水箱本身是一個大容積。
水的氣泡有兩種，一是滯留在地面上，二是隨著水流帶走的，系統(tǒng)里面的回水進(jìn)入到緩沖水箱，流速降低，氣泡容易上升，而在緩沖水箱頂部裝一個排氣閥，這樣一來，排氣效果是很好的。氣泡是威脅整個系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素，也是水系統(tǒng)中產(chǎn)生售后原因的關(guān)鍵點(diǎn)之一，因此緩沖水箱的作用是很大的。
第二個作用是排污，在所有的水系統(tǒng)里面使用的都是自來水，有的可能是經(jīng)過凈化的自來水，因?yàn)楣芗烷y門有輕微的反應(yīng)和變化，難免會產(chǎn)生雜質(zhì)，有了緩沖水箱就可以把這些雜質(zhì)沉淀在里面，通過排污口排到外面。
在二次系統(tǒng)里面，還有一個好處，主機(jī)和水箱之前的管道大小、接口和閥門都是可以確定的，當(dāng)配置一級泵的時候，其實(shí)可以確定它的水流量和阻力，那么選型就可以很精確，甚至可以要求水泵廠定向地調(diào)整水泵的性能和電機(jī)參數(shù)，以便整個系統(tǒng)達(dá)到效率最佳。
而水箱和末端之間的二級泵，需要根據(jù)各類末端的特點(diǎn)去選擇相應(yīng)合適的水泵。在安裝現(xiàn)場，水阻力的估算取決于這幾個因素，包括末端類型、閥門、彎頭、管路長度、管徑、層高等等，想要現(xiàn)場準(zhǔn)確估算是很難的，在二級系統(tǒng)里面，二級水泵的選型不會影響主機(jī)的運(yùn)行【熱泵市場 水印】從節(jié)能的角度考慮，寧愿選小一點(diǎn)，因?yàn)榇蟛糠值臅r候系統(tǒng)是需要小流量運(yùn)行的，特別是戶式系統(tǒng)里面，因此水泵大小是足夠的。
在現(xiàn)場調(diào)試和做售后故障排查的時候，二次系統(tǒng)也更加方便，一級系統(tǒng)中主機(jī)和末端是完全連接的，很難判斷問題是出在熱源側(cè)還是末端側(cè)，而在二次系統(tǒng)中，主機(jī)和緩沖水箱之間是可控的，因此更容易判斷出問題出現(xiàn)的原因。如果做的更精確一點(diǎn)，可以讓主機(jī)和末端分別以適合自己的狀態(tài)來運(yùn)行，這樣可以降低整個系統(tǒng)的能耗，因此在二次系統(tǒng)里面，主機(jī)的一級泵由主機(jī)控制，末端的二級泵則由末端控制，但是真正實(shí)施起來必須要研究主機(jī)和末端的特性，而前提就是必須有一個緩沖水箱。
六、二次系統(tǒng)中水箱和水泵的選型
二次系統(tǒng)1里面，和緩沖水箱之間節(jié)省了一根管道，采用的是一根共管，主機(jī)和末端的回水連接，這根共管接在回水上，然后連接水箱，這種接法的作用是借鑒一次系統(tǒng)的一個優(yōu)勢(沒有混水)，這樣做可以減少混水，系統(tǒng)回來的水直接去到熱泵主機(jī)里面。
混水的損失也是可以估算的，比如供熱系統(tǒng)，35℃的回水直接進(jìn)入主機(jī)，結(jié)果和緩沖水箱混水了，溫度變?yōu)?6℃，其實(shí)對系統(tǒng)的效率是有影響的，熱泵主機(jī)冷凝溫度每升高1℃，它的效率會損失3%，所以在設(shè)計上面要盡可能減少混水。緩沖水箱的大小建議滿足15分鐘熱泵主機(jī)運(yùn)行的蓄能，這樣一方面不至于水箱的體積過大，另一方面可以緩解熱泵主機(jī)的頻繁啟動。
在戶式采暖制冷系統(tǒng)中，想要有效地降低功耗，最好的方法是采用變頻屏蔽泵，一是屏蔽泵的效率高，普通水泵的效率在20%左右，而屏蔽泵可以達(dá)到70%以上;二是變頻泵可以有效地防止冷凝水，在制冷系統(tǒng)中，冷凝水對泵的損壞是很明顯的。當(dāng)然，如果用離心泵這個問題是不存在的，但是在家庭采暖制冷系統(tǒng)中，由于噪音影響，是不建議用的。