热泵两联供水系统设计关键点

 

空气源热泵两联供系统的设计不同于多联机设计，与水系统设计也有很大不同，对技术人员的设计能力和安装水平均有较高的要求，需要热泵两联供系统的工程设计施工人员对该系统有深入的了解，并对设计应用的关键点全面掌握。本文根据工程实践，对空气源热泵两联供机组应用范围、区域热负荷计算、设备选型、系统设计（环路划分、管径选择、核心部件）等几个关键点进行阐述，提出合理化的建议，为该类产品的设计应用提供参考。

一、应用范围

我国的集中供暖区域在以秦淮线为界的北方大部。长江流域等夏热冬冷区域，冬季室外气温低、湿度大，室内环境热舒适性差。行业内的热泵两联供机组的应用温度范围一般为制冷-5℃～43℃（DB）、制热-20℃～15℃（WB），很适合长江流域的室外环境，系统衰减小、效率高，节能优势明显。

对于北方寒冷地区，热泵两联供机组也有应用尝试，尤其是喷气增焓技术的应用，使机组在制热性能上有了较大的提升。另外，华南区域也有了制冷热回收机型，可以在室内机制冷的同时，通过热回收制取生活热水，一机两用。可见，在设计和应用中，应根据不同区域的气候特点，灵活选用不同类型的机组，热泵两联供机组并没有严苛的区域界限。

另外，还有可连接顶出风机组的热泵两联供产品，除了可应用于别墅和中小项目外，还可直接应用于公共建筑领域，夏季空调制冷，冬季地暖制热，可连接直膨式AHU机组供应新风，还可通过热回收技术供应生活热水，让公建项目多了一种暖通设计方案的选择。

二、设计应用关键点

关于负荷计算的要求，规范有明确规定，必须进行热负荷计算和逐项逐时的冷负荷计算。应把负荷计算结果作为设计选型的基础。

1. 区域热负荷

区域热负荷是指室外机及水模块担负的区域内需要提供的实际热负荷。除房间的计算热负荷外，还包括地暖管道向下传热量。向下传热量需根据系统划分、楼层进行区分。图1所示为每层单独设计一个供暖系统，设置独立的室外机和水模块，顶层由于有向下传热量，所以区域热负荷为顶层计算热负荷加地暖盘管向下传热量。中间层和底层由于向下传热量和和楼上楼层向下传热量的平衡，区域热负荷只需计算本楼层的热负荷。

图2所示为整栋建筑设计一个供暖系统，区域热负荷为整栋建筑的计算热负荷加底层向下传热量。

2. 设备选型

按照以上原则计算区域热负荷后，应对区域热负荷进行各种相应的修正，然后计算出室外机名义制热量，再选择室外机（需同时校核名义制冷量是否满足要求）。

Q _mr =β（Q _qR /n ₁ n ₂ n ₃ ）

式中：Q _mr 为室外机名义制热量，kW；Q _qR 为室外机担负区域热负荷值，kW；n ₁ 为室外机进风、不同水温修正系数；n ₂ 为水管路热损失修正系数，一般取值0.9～0.95；n ₃ 为除霜修正系数；β为积灰对室外机传热影响的附加率，取β=1.1～1.2。

工程实践中，有些项目会用同一个估算指标选择室外机和水模块，这是错误的，会导致水模块选型过大、系统水流量大、水泵选型大，导致初投资和运行费用提高。其实，水模块本身并不具备制热能力，它的制热能力只取决于室外机能够提供的热量，即室外机经过积灰修正、温度修正、水管路热损修正、除霜修正后能够到达水模块的实际热量。因此，水模块的选型应根据区域热负荷值（可考虑一定的管路热损系数）来进行。

3. 系统设计

系统设计首先需合理确定供回水温差，再根据系统负荷计算水流量，合理确定环路数、管长和管径，再进行水力计算并进行水泵选型。最后，将系统总阻力损失与根据水泵性能曲线查出的泵的扬程进行比对，水泵扬程应满足系统最大阻力的需求。

1）确定设计供回水温差

《辐射供暖供冷技术规程》第3.1.1条规定“热水地面辐射供暖系统的供回水温度应由计算确定，供水温度不应高于60℃，供回水温差不宜大于10℃且不宜小于5℃。民用建筑供水温度宜采用35℃～45℃。”目前，行业内的热泵两联供厂家的机组供水温度大都以35℃～45℃为主，都是在规范推荐的范围内。而且机组的供水温度可以设定，甚至有的还可以根据室外环境温度自动调整供水温度，实现变水温控制，使系统运行更加高效。可见，空气源热泵两联供系统的供回水温度比较适合地暖系统设计。

天氟地水系统和天水地水系统温差的确定是有差别的。对于天水地水系统，由于夏季供冷采用的是风机盘管，供/回水设计温度一般取7℃/12℃（5℃温差），而冬夏季采用的是同一个水泵，系统水流量相同，所以冬季也一般按照5℃的温差进行设计。

对天氟地水系统来说，夏季制冷选用的是氟系统室内机，冬季用的是地暖，当温差取值过大时，系统流量过小，当低于系统最小流量时，机组会报警，甚至会频繁停机。另外，温差过大也会影响室内单位面积的散热量，影响热舒适性。因而，建议按8℃～10℃的温差进行设计，不仅可满足《辐射供暖供冷技术规程》第3.1.1条的规定，还可实现大温差、小流量，流量减小可进一步减小管径，降低成本。确定供回水温差后，根据区域热负荷选出室内外机、水模块等设备，并进行水力计算。

2）确定环路数

按照房间布局，布设供暖管道。管间距建议取150mm～200mm，可用房间供暖面积除以管间距大概得出单管管路长度，控制单管长度≤120m，满足规范值。最后用房间供暖总面积除以单管最大供暖面积得出环路数。例如：总供暖面积150㎡，计算出区域热负荷11.25kW，管间距为200mm，设计控制单管长度≤100m。则每环路可供最大供热面积为100m×0.2m=20㎡，需要环路数=150㎡/20㎡=7.5，可分7个或8个环路。根据区域热负荷计算得出的系统水流量和经济流速确定系统主干管径，地暖管径建议取De20（壁厚不宜大于2mm）。

3）水力计算

根据计算区域热负荷、供回水温度、管径及管长等，计算系统总阻力损失。若供回水温差为7℃，水力计算结果见图3。

查阻力曲线，水模块在水流量1.38m3/H时，内阻为8kPa，即0.8m。分集水器的内阻为0.06m。系统总阻力为8.6m+0.06m+0.8m=9.46m。查水泵性能曲线，当H=9.46m时，Q=1.6m3/H。此时，系统的运行温差Δt=Q/GC=6℃，工作点在水泵的合理区间，供回水温差在合理区间，只要是水流量大于机组最小流量，且在此平均温度下的单位面积散热量便能满足要求。

在本案例中，通过调整管道管径，进而改变系统阻力和系统流量。除此之外，还可以根据系统阻力的计算值调整环路数来改变系统的阻力损失，进而调整系统流量和实际运行供回水温差在合理范围内。

4. 管道规格的选择

管道管径不同、壁厚不同对系统阻力损失有较大的影响，如管径选择过小，不注意管系列的选择，容易导致调试失败、机组欠流量报警、能耗过高等问题。对于热泵两联供系统，系统工作压力不大于0.6MPa，建议选用S5级别管道。

有的项目以选择更大壁厚会更可靠为由，选用S3.2系列，导致在同样公称直径下，管道内径太小，例如De32管道，S5系列壁厚2.9mm，S3.2系列壁厚却是4.4mm，二者内径差3mm。虽然内径差值不大，可是这个差值对系统阻力的影响却很大。

由表1可见，在同样的流量和同样的路由条件下，管路的阻力损失相差70%。如果干管和地暖管道都选择不合适的话，系统的阻力相差更大。因此，对空气源热泵两联供系统，建议供暖管道采用S5系列。

对于地暖管道，有的区域为了减小初投资，习惯选用De16管，这是不建议的。原因是目前国内权威机构测定的地面散热量均是基于De20管道得出的数据，尚无管径De16的散热数据验证。根据现有资料推算，当管间距、平均水温、地面铺装等其他条件相同时，采用De16的管道向上散热量比De20减小约15%。

综上，地暖管道如果采用De16，不仅单位面积散热量小，需要加密铺设，管道阻力也大幅提升，增加了系统能耗，故地暖管道规格建议选用De20，壁厚不宜大于2mm。

5. 管间距的布置

地暖盘管管间距应根据供暖负荷、设计供回水温度来确定，且应考虑地表温度的影响。对于热泵两联供系统来说，适当降低供水温度可提高系统能效。因而建议地暖管间距可尽量密布（如按150mm进行布设），初投资增加不明显，但室内供暖效果有保障，而且系统运行更高效。

6. 供水温度、供回水温差影响分析

对于热泵两联供系统来说，降低供水温度，系统能效是提高的。例如，在室外温度-10℃、供水温度由45℃降低到35℃时，目前业内大部分厂家的热泵两联供机组能效都能提高约10%～14%。但是出水温度的降低会直接降低平均水温，影响末端地暖盘管的单位面积散热量。

例如，当都采用5℃温差时（一组参数是供水温度40℃、回水温度35℃、平均水温37.5℃；另一组参数是供水温度45℃、回水温度40℃、平均水温42.5℃），相同地面材质和管间距的供热能力变化如表2所示。

由表2可见，在室内设计温度为20℃、供回水为5℃温差及其他条件相同时，供水温度降低5℃，单位面积散热量要减小约30%，还需根据房间负荷情况进行校核，调整管道间距，以保证供暖效果。

采用不同温差，对单位面积散热量也有影响。当采用10℃温差时（如供水温度45℃、回水温度35℃、平均水温40℃），较5℃温差时（供水温度45℃、回水温度40℃、平均水温42.5℃）平均水温下降2.5℃。相同地面材质和管间距的供热能力变化如表3所示。

由表3可见，同样供水温度下，采用10℃循环水温差比5℃温差单位面积散热量下降13%左右；同样需要减小管间距，弥补能力的下降。所以，建议室内地暖管间距按照150mm～200mm、供水温度按照40℃、供回水设计温差按照8℃～10℃进行设计，系统最安全可靠、节能高效。

7. 关键部件

1）压差旁通阀

系统安装调试完成后，用户使用过程中有可能会根据使用情况关闭一些分集水器或分集水器上的环路。当关闭的环路较多，系统阻力会加大、流量会减小，当系统流量减小到机组保障安全运行的最小流量时，机组会报警和自我保护。

为了防止此类问题发生，建议在供回水主干管之间加上压差旁通阀，正常运行时，阀门不动作；当系统阻力超过阀门设定压差值时，阀门会自动比例式调整开度，使一部分流量回流，保证最小流量，从而确保机组不报警。 建议选用5kPa～50kPa调节范围的压差旁通阀，设定值可以根据系统中最不利的环路阻力确定，一般为40kPa左右。

2）耦合罐、膨胀水箱的设置

在一些热泵两联供系统里经常看到耦合罐的设置或者缓冲水箱的设置，有的还被作为标准件进行了设置。其实耦合罐的作用类似于压差旁通阀，当系统阻力过大无法变更时，设置耦合罐可作为一个备选解决方案。膨胀水箱的设置目的是防止机组频繁启停。在系统水容量过小、系统负荷又小时容易出现机组停机。事实上，在设备选型满足要求、系统环路设置合理、管路布置恰当时，系统不一定要设耦合罐或膨胀水箱。

3）自动补水阀

自动补水阀不仅可根据系统内压力变化自动开启补水，还有单向作用，防止系统内水向自来水管路流动，造成卫生安全事故，因此，建议在系统的回水管上设置自动补水装置。为了便于维护管理，建议在自动补水阀的前端设置手动关闭阀门。另外，对于为满足防冻要求加了乙二醇防冻液的系统，建议预留补水口，当系统压力降低需要补水时，由专业的服务人员进行相同浓度的乙二醇防冻液的补入。

8. 关于散热器连接

热泵两联供机组的供回水平均水温低，导致平均水温与室内温度差太小，单片散热器的散热量小，用公式（如Q=0.938?T1.294）计算出的散热器片数则会太多。例如，采用中心距为600mm的普通散热器时，房间内动辄需不少于25片/组，这给设备布设带来困难，当采用增厚型散热器时又存在不美观、影响室内设施等问题。除此之外，散热器供暖也无法比拟地暖“温足而凉顶”的舒适性，所以对于热泵两联供系统而言，散热器供暖并不是推荐方案，但也不是绝对的，比如在华南区域，负荷小，系统大部采用地暖，个别房间采用散热器供暖，有时也是优化方案之一。