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空氣源熱泵采暖制冷一、二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝的常見問(wèn)題
經(jīng)常聽到業(yè)內(nèi)經(jīng)銷商及工程商朋友提問(wèn)——“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(shuí)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(wèn)題不一而足。空氣源熱泵采暖的系統(tǒng)問(wèn)題不是簡(jiǎn)單的“吃飯喝酒”，不是你說(shuō)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(jiǎn)單，很形象的把一次系統(tǒng)形象化，在整個(gè)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(jiǎn)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(gè)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(gè)就是循環(huán)水的平均溫度，水溫要么往上要么往下，用這個(gè)方法來(lái)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(shí)候，就是通過(guò)這兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，大部分的時(shí)候，只要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)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(huì)更高，熱源的溫度也會(huì)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(gè)時(shí)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(huì)儲(chǔ)存在管道的水里面，這個(gè)時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)的水溫是往上升的，比如系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)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(huì)上升。管道里面的水容量對(duì)于平衡整個(gè)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(duì)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(duì)接風(fēng)盤，而熱泵會(huì)對(duì)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(duì)接不同末端的時(shí)候，作為設(shè)計(jì)師和安裝師，就會(huì)有這樣的問(wèn)題，在穩(wěn)定工作的情況下，系統(tǒng)會(huì)很高效嗎?哪些因素會(huì)影響工作的效率?要回答這兩個(gè)問(wèn)題，還需要回歸熱泵本身的設(shè)計(jì)上。
熱泵在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)有一個(gè)工況，包括設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)工況下來(lái)來(lái)進(jìn)行調(diào)試的，它其實(shí)是一個(gè)變工況。水流量是熱泵系統(tǒng)重要的參數(shù)，是每一個(gè)熱泵系統(tǒng)中必須確定的設(shè)計(jì)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(huì)影響熱泵的運(yùn)行。可以做一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)候都希望水流量是足的，運(yùn)行的水流量是大于設(shè)計(jì)的水流量的，因?yàn)樗髁科。瑫?huì)影響熱泵的功耗。
在這樣的思路指導(dǎo)下，做一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，很難精確的計(jì)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(guò)濾器這些特征的時(shí)候。
因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)傾向和考慮，在水泵選型的時(shí)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(huì)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(huì)加一個(gè)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(duì)熱泵機(jī)組來(lái)說(shuō)是增加了保護(hù)，但是又帶來(lái)了另外一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)小流量的時(shí)候，怎樣確保整個(gè)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(shí)候，不裝閥門是可以的，起碼沒(méi)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?cái)啵敲淳蜁?huì)出現(xiàn)很嚴(yán)重的情況，會(huì)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(guò)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(huì)偏大。
另外，末端系統(tǒng)變化的時(shí)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(shí)候是沒(méi)有問(wèn)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(lái)選。但是只開一個(gè)風(fēng)盤的時(shí)候，水阻力會(huì)很大，主機(jī)的流量就會(huì)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(bào)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(lái)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(duì)負(fù)載末端水阻力進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算的情況下，水泵偏大是通常的做法，但是會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的能效比。
目前國(guó)家現(xiàn)行的熱泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)里面，水泵的功耗是不計(jì)算的，而在歐洲，水泵的功耗是計(jì)算進(jìn)去的，特別是主機(jī)側(cè)的水泵。對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，既然國(guó)家有標(biāo)準(zhǔn)，那么就不會(huì)有人說(shuō)產(chǎn)品不符合規(guī)范，但是對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，水泵的功耗是整個(gè)系統(tǒng)功耗的一部分，甚至達(dá)到系統(tǒng)的30%，特別是針對(duì)中國(guó)的現(xiàn)狀，很多房子很大，末端并不多，水泵長(zhǎng)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(huì)降低客戶對(duì)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(guò)程中消耗的水泵功耗是有一個(gè)最佳平衡點(diǎn)的。目前，很多的研究還沒(méi)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(huì)納入研究的范圍。
在溫度不是很低的時(shí)候，水泵的節(jié)能性是很明顯的，對(duì)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(shí)達(dá)到最佳的狀態(tài)。
特別是工況不一樣的時(shí)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(gè)工況下，熱泵每小時(shí)需要3m3的流量，在這個(gè)狀態(tài)下工作效率最佳，但是末端僅僅開啟一個(gè)，只需要1 m3的流量，那么在直連式系統(tǒng)中是不能夠同時(shí)滿足這兩個(gè)流量的，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中水流量很可能是2 m3的流量，對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)泵;另一個(gè)是沒(méi)有混水，從末端回來(lái)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(gè)循環(huán)泵
二次系統(tǒng)是針對(duì)一次系統(tǒng)存在的問(wèn)題所提出的一種方案，特別是熱泵應(yīng)用里面，需要應(yīng)對(duì)不同的末端，早期是暖氣片，后來(lái)是風(fēng)盤，到現(xiàn)在的地暖，不同的末端有不同的設(shè)計(jì)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(gè)項(xiàng)目里面有不同末端，設(shè)計(jì)的時(shí)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(wú)論哪一種做法，都有一個(gè)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(méi)有輸出，熱源端也不受影響。
第二個(gè)特點(diǎn)是有兩個(gè)循環(huán)泵，第一個(gè)泵負(fù)責(zé)主機(jī)和水箱之間的循環(huán)，第二個(gè)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(gè)缺點(diǎn)是多了一個(gè)水泵，而直連式系統(tǒng)只有一個(gè)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(gè)缺點(diǎn)是成本增加了，多了一個(gè)水箱和一個(gè)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(méi)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(shí)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(huì)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(duì)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(cè)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(shuō)明緩沖水箱的蓄熱作用是有幫助的。
反過(guò)來(lái)思考，沒(méi)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(shí)候水溫就會(huì)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(huì)快速下降，那么主機(jī)就會(huì)頻繁啟停，既影響室內(nèi)的舒適性，同時(shí)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(guò)這個(gè)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(gè)作用也是非常關(guān)鍵的。
一個(gè)是排氣，在水系統(tǒng)里面，盡管裝了自動(dòng)排氣閥，但是水系統(tǒng)是可以溶解氣泡的，同時(shí)閥門也會(huì)有輕微的反應(yīng)，利用緩沖水箱來(lái)排氣是最可靠的，因?yàn)榫彌_水箱本身是一個(gè)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(gè)排氣閥，這樣一來(lái)，排氣效果是很好的。氣泡是威脅整個(gè)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(gè)作用是排污，在所有的水系統(tǒng)里面使用的都是自來(lái)水，有的可能是經(jīng)過(guò)凈化的自來(lái)水，因?yàn)楣芗烷y門有輕微的反應(yīng)和變化，難免會(huì)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(guò)排污口排到外面。
在二次系統(tǒng)里面，還有一個(gè)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(jí)泵的時(shí)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(gè)系統(tǒng)達(dá)到效率最佳。
而水箱和末端之間的二級(jí)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(chǎng)，水阻力的估算取決于這幾個(gè)因素，包括末端類型、閥門、彎頭、管路長(zhǎng)度、管徑、層高等等，想要現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確估算是很難的，在二級(jí)系統(tǒng)里面，二級(jí)水泵的選型不會(huì)影響主機(jī)的運(yùn)行【熱泵市場(chǎng) 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(shí)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(chǎng)調(diào)試和做售后故障排查的時(shí)候，二次系統(tǒng)也更加方便，一級(jí)系統(tǒng)中主機(jī)和末端是完全連接的，很難判斷問(wèn)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(wèn)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(lái)運(yùn)行，這樣可以降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，因此在二次系統(tǒng)里面，主機(jī)的一級(jí)泵由主機(jī)控制，末端的二級(jí)泵則由末端控制，但是真正實(shí)施起來(lái)必須要研究主機(jī)和末端的特性，而前提就是必須有一個(gè)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(gè)優(yōu)勢(shì)(沒(méi)有混水)，這樣做可以減少混水，系統(tǒng)回來(lái)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(duì)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(huì)損失3%，所以在設(shè)計(jì)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(guò)大，另一方面可以緩解熱泵主機(jī)的頻繁啟動(dòng)。
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(duì)泵的損壞是很明顯的。當(dāng)然，如果用離心泵這個(gè)問(wèn)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。