空气源热泵系统在北方采暖系统中的应用

空气源热泵系统在北方采暖系统中的应用

陈有文

广东美的暖通设备有限公司广东佛山528311

随着国家北方“煤改电”政策的实施，2017年商用“煤改电”市场迎来了爆发式的增长，北方“煤改电”主要在没有集中热源的地区用空气源热泵等清洁能源取代传统的燃煤锅炉。在北方使用锅炉的地区96%以上的用户使用散热器采暖，其中散热器的种类也是多种多样，有铸铁散热器、用65mm镀锌管焊接的曲型散热器、有新式的不锈钢散热器，其中铸铁散热器占到其中的84%以上。

在我国的国家标准《采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2015》中，散热器的设计使用温差为20-25度，供回水温度为95-70度。而空气源热泵系统采用的标准为，《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组GB/T18430.1-2016》，《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第2部分：户用及类似用途的冷水（热泵）机组GB/T18430.2-2016》，设计的供回水温度为5度，一般空气源热泵系统的最高出水温度为55度。从上可以看出，散热器采用的是大温差，小流量，但热泵系统标准采用的是5度的温差设计，具有制冷功能，设计时需要接风盘，采用的是大流量，小温差。同时在这些改造项目中末端设备一般不做改动，管路不做更改，单纯的使用空气源热泵机组替代燃煤锅炉，这样在北方采暖系统中，如果不做特殊的处理，空气源热泵系统是不能直接在系统中使用的。下面来介绍几种在空气源热泵在北方采暖系统中的典型应用。

在北方的采暖系统中常用的有3种形式，分别为：串联式、中间水箱耦合式、直接式。

串联式，适用于大型工程，主机数量较多，管路较长，如果管路做大的改动，不但工期长，而且造价较高。串联式的系统图如下，空气源热泵机组采用两级或三级串联式，采用串联加热，经过第一级风冷模块机组时水温升高5-8度，经过第二级时，水温又可升高5-8度，经过两级串联后水温可升高10-16度，如果采用三级串联，水温可升高15-24度，此时的温差水平可与散热器相当，水流量也散热器相当，此时的串联机组的水流量只有不串联机组要求的33%，与不做串联系统相比，不仅不用加大水泵的扬程和流量，还能大大降低水泵的功率。串联式系统改造时，只需要使用空气源机组代替原来的采暖锅炉房即可，从锅炉房出来的管路可以直接借用，可以减少成本，缩短施工的时间。

中间水箱耦合式，适用于中小型系统，原有的泵、管路、散热器较完备，不需要做改动，只需要增加空气源热泵机组即可。中间水箱耦合式系统图如下，采用中间水箱，热泵系统对水箱内的水进行保温，用户侧用水泵从水箱内抽水送到散热器，热泵系统与用户散热器之间使用水箱进行耦合调节，这样只需要保证机组的流量即可，用户侧可以使用原来的系统。

中间耦合水箱可采用开式水箱，也可以采用承压水箱，采用开式水箱时，水箱容积可以做得比较大，具有一定的蓄能优势，可以使用峰谷电价，供水温度波动较小。缺点是中间水箱装在低处，散热器管路高于中间水箱时，回水管上必须增加阀门，以便在停水泵时关闭阀门，防止高处的水倒流入水箱中。采用承压水箱时，水箱容积一般较小，但蓄热性能没有开式水箱好，水温波动较大。

直接式，这种安装方式将风冷模块机组与用户末端直接串联在一起，这种安装方式最简单，可以做成承压系统，且只需要一个水泵，但这种方式在北方改造系统中使用时需要更换更大扬程的水泵来提高水流量。

由于主机要求的流量和用户侧要求的流量不一致，因此在管路上需要增加流量调节装置。当末端采用的是可变流量的，则需要在管路上增加自动控制的旁通装置，例如压差旁通阀等；当末端采用的是固定流量的，则可以采用压差旁通阀，也可以采用手动调节的阀门。当采用手动调节的阀门时，调试完成后，阀门开度不可调动。

这几种方式的对比如下：

从上面可以看出，由于工程大小、工程的时间限制、难易程度的影响，可以采用不同的安装形式。

不管采用哪种形式的采暖系统，下面几项措施必须要做好，否则系统不能正常运行。

定压补水措施。串联式系统一般使用于大系统中，大系统都采用闭式系统，因此对系统的定压补水措施一般采用补水箱+定压补水泵的补水措

施，定压补水泵可根据压力开启，通常补水泵为一用一备。中间水箱耦合式系统如果采用开式水箱，则只需要对水箱补水，确保水箱水位不低于最低水位。如果采用的是承压水箱，则需要对系统进行定压补水措施，建议使用补水箱+定压补水泵。直接式系统一般使用在小系统中，采用自来水补水措施比较多，需要手动控制补水的水量和补水压力，补水压力不易太高，如果没有采取膨胀措施的情况下，管路易开裂。

膨胀措施。水在加热的过程中存在热胀冷缩的现象，因此为了确保系统的安全，必须要有膨胀措施。在串联式系统中建议使用定压罐定压，定压罐的容积需要系统的大小、系统装机容量计算后确定。在中间耦合式系统中，如果采用开式水箱则不需要膨胀措施，中间耦合水箱设在水泵的吸入口，只要保证水泵有足够的吸入压头就可以。如果采用的是承压水箱，则还需要在系统中增加膨胀措施。直接式系统建议增加膨胀阀措施。

排气措施。串联式系统、中间耦合式系统和直接式系统都需要在系统的最高处、水泵的出口和入口处增加自动排气措施，及时排出系统中残存的气体，防止气体聚集在系统高处。

供电负荷的选择。空气源热泵机组由于可以模块组合，在程序控制中都设有自动控制程序，会根据负荷的大小自动控制开启样机的数量。因此控制在工程中不需要额外做控制，只需要做好配电即可。空气源热泵机组在铭牌上会标明额定功能和最大功率，因此在选择配电负荷时，需要按最大功率来选择用电负荷，按最大电流来选择线径，如果没按最大功率来选择最大负荷或没有按最大电流来选择线径，则会在系统运行时出现跳闸的现象。

水泵的选择。在改造系统中旧的水泵一般使用时间较长了，水泵存在生锈、异响、流量和扬程衰减的现象，需要更换新水泵，在选择水泵时要注意水泵的扬程和流量，一般我们按额定的扬程和流量选择，在有设计图纸时，需要严格按照图纸计算管路的损失来选择水泵的扬程，流量按机组的单台流量*机组的数量。当没有图纸时，只能采用估算法，建议一种算法：水泵的扬程可采用空气源热泵机组阻力和建筑高度之和的2倍来选择。流量的选择与前面选择相同。

在空调行业一直有一种说法叫“三分产品，七分安装”，可见安装在空调系统的使用中占有多么重要的作用，为了使用系统可靠，必须做好系统的设计及安装。