空气源热泵两联供技术设计应用和注意事项！

本文将会简要回顾两联供系统发展历程的基础上,阐述两联供的基本概念、工作原理、系统构成。             

 

一、 背景      

         

建筑能耗在我国能源消费总量中占比超过1/3,而暖通空调又占建筑能耗的50%以上,因此"建筑节能"、特别是"暖通空调节能"成为国家实现"碳达峰、碳中和"目标的重要抓手[1]。在众多暖通空调节能技术中,空气源热泵以其安全、高效、灵活、环保等优势备受青睐,特别是空气源热泵两联供系统(简称两联供),集供暖、制冷、生活热水于一体,近年来发展尤为迅速[2]。

两联供系统起源于上世纪90年代,最早由日本大金公司推出,随后在日本和欧洲市场快速普及[3]。21世纪初,这一技术被引入中国,先后经历了高端别墅、酒店等小规模应用到住宅小区、公共建筑等大规模推广的过程[4]。其间,得益于热泵技术自身的进步以及国家和地方政策的大力扶持,两联供无论从技术性能还是市场占有率上都取得了长足发展,成为解决北方地区供暖和南方地区"夏热冬冷"的重要途径[5]。目前,国内外科研院所、高校、企业围绕两联供开展了大量研发工作,取得了丰硕成果,但仍存在设计选型不合理、运行控制不优化等问题,影响了系统效率发挥[6]。鉴于此,本文拟对两联供技术现状及其应用实践开展系统梳理,以期为相关从业者提供借鉴。

 

二、什么是两联供？      

         

(一)两联供的定义与特点     

到底什么才是“空气源热泵两联供系统”呢？

“中央空调+地暖”两联供，是继第一代窗机空调、第二代壁挂机（柜机、风管机）空调、第三代氟机中央空调后的第四代中央空调。它的特点是一机两用，即夏季可以作为空调冷源、冬季则可以作为地暖系统的热源，可以达到春暖夏凉的效果，代替了传统的“中央空调制冷+壁挂炉采暖”的家居系统模式。该系统又被业内专家誉为“采暖的热源革命+制冷的末端革命”。

与分体式空调或普通热泵相比,两联供的显著特点是:
1.一机多用,集供暖、制冷、生活热水于一体,全年利用率高;
2.模块化设计,室外机与室内机分离,灵活方便;
3.变频控制,根据负荷调节输出功率,节能高效;
4.采用环保冷媒,ODP为零,GWP低;
5.安装便捷,占地面积小,管路铺设工程量少;
6.维护成本低,管理简单[8]。

  (二)两联供的工作原理      
  两联供的工作原理与普通的压缩式热泵相似,均是利用逆卡诺循环,通过压缩机等部件驱动制冷剂在蒸发器吸热、在冷凝器放热,从而将低温热源的热量"泵"至高温冷源,实现制热或制冷的目的[9]。其热力循环包括:蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程。系统性能系数(COP)可表示为:  
  COP=Q/W (1)  
  式中,Q为冷凝器热量,W为压缩机耗功。  
  两联供区别于普通热泵的关键在于,其在夏季制冷时,冷凝器产生的热量不是直接排放到室外,而是用于加热生活热水,从而提高了能源综合利用效率。同时,两联供内置辅助电加热装置,在冬季最冷月份可对空气源热泵供暖提供补充,保证供暖质量和舒适度[10]。

  (三)两联供的系统构成      
  两联供通常由室外机、室内机(末端)、水力模块三部分组成[11]。  
  室外机一般安装在建筑物的屋顶或室外场地,主要包括压缩机、四通换向阀、膨胀阀、单向阀、换热器、风机等部件,是系统的核心。国内外主流厂家生产的两联供室外机,制热量覆盖228kW,名义工况下的COP普遍在3以上。  
  室内机形式多样,可根据用户需求灵活选配风机盘管、地暖、暖气片、新风机等末端,实现供暖、制冷功能。水力模块一般置于室内,由水泵、膨胀水箱、电辅助加热、板式换热器、水箱、控制器等组成,负责输配冷热水并提供生活热水。

 

三、两联供设计原则及注意事项      

         

   (一)设计原则       

两联供的设计应遵循安全性、经济性、舒适性、环保性、先进性五大原则[12]。

（1）安全性是首要前提。

设计时应充分考虑防冻、防火、防触电、防误操作等因素,确保机组、管路、线路及附件的安全可靠。合理预估极端天气下的最大负荷,并为系统配置一定裕量。

（2）经济性是重要目标。

应通过负荷分析、系统优化、设备选型等手段,最大限度提高机组全年综合COP,降低初投资和运行费用。在条件允许时,宜考虑采用地源热泵等其他高效热源形式。

（3）舒适性是根本诉求。

应结合建筑物的功能、空间布局,因地制宜地选择合适的末端形式,既要保证冬季供暖质量,也要避免夏季冷热不均。合理控制室内温湿度、气流组织,创造宜人的热舒适环境。

（4）环保性是必备要求。

应采用ODP为零、GWP尽可能低的环保冷媒,减少温室气体排放。优选变频技术和先进控制策略,提高能源利用效率。加强设备日常维护,避免制冷剂泄漏。在具备条件时,积极采用太阳能等可再生能源。

（5）先进性是发展方向。

设计时应紧跟空气源热泵技术最新进展,采用喷气增焓、复叠循环等先进技术,提升机组性能。积极应用大数据、云计算、人工智能等现代信息技术,实现系统的智能化运维和优化控制。

     (二)注意事项     

01

空气源热泵机组设计

   

 

空气源热泵机组是通过与空气中的能量进行交换来为室内制取热量，所以空气源热泵主机一定安装在空气畅通的场所，不宜安装在狭小的天井或者周围有围挡的地方。  

 

以供热为主的空气源热泵主机宜安装在向阳的场所，空气源热泵主机安装的平台或场所一定要有检修的空间。  

 

空气源热泵系统耗电量较大，尤其安装电辅热时，电量还会增加，所以在设计时一定要注意电容量是否满足。  

 

空气源热泵主机水泵外置时，热泵主机一定要与水泵具有连锁控制，不能孤立运行。  

 

02

空气源热泵制热量与建筑负荷的匹配

   

 

室内舒适度的维持，主要是空气源热泵主机的制热量要与建筑的热负荷匹配，同时与末端设备的形式和总散热量有关。建筑热负荷决定了热泵主机的选型，在常规大型建筑主机选型时，一般会考虑小于1的同时使用系数，对于面积为100㎡的居民建筑，不建议考虑同时使用系数，如果条件允许，建议热泵主机按照建筑热负荷的110%～120%选择。  

 

另外，热泵主机的选型还与末端设备的选型有关，如果末端设备是散热器，不建议热泵主机选小；如果末端设备是风机盘管，热泵主机可以适当选小，建议不小于建筑热负荷的85%。  

 

空气源热泵主机的选择相对复杂，一定要结合建筑的保温情况、结构类型、采暖系统的使用情况以及应用场所的室外环境有关。  

 

03

空气源热泵系统水容量的设计

   

 

当空气源热泵系统的水容量较小时，空气源热泵主机就会启停频繁，热泵主机启停频繁就会对电网造成冲击。当热泵主机除霜时，还会造成系统水温急剧下降，影响室内的舒适度。增加系统水容量，就是加大系统的热容，主要解决方案如下：  

 

（1）增加热水水箱。在系统中增加一个热水箱，热水箱的容积应根据现场情况确定，热水箱的位置建议在热泵主机的出水端，这样水温不至于下降得很大。  

 

（2）加大系统的管径。加大系统管径并不能从根本上改变系统的热容，仅是延迟室内温度的降低。  

 

（3）增加系统辅助热源。辅助热源不是增加系统的水容量，而是改变了系统的热容，当系统水温下降时，辅助热源进行辅助加热，同样也会提高系统的水温，也会保证室内温度不会下降很快。辅助热源建议安装在热泵主机的出水端，这样保证系统出水温度不至于下降剧烈。  

 

 

04

其他注意事项

 

1）室外机的选址要避开污染源,距离建筑物要有一定距离,且便于安装维护;
2）根据当地气候条件,合理设置极端工况下的补偿措施,如电辅助加热等;
3）管路设计要做好保温,合理布置阀门,避免冷热量损失;
4）室内机与室外机之间的连接管应尽量缩短,以减小制冷剂充注量;
5）储水罐容积要匹配用水规律,避免频繁启停;
6）分水器的设置要便于室内机的调节与检修,并考虑水力平衡;
7）系统设计应预留远程通讯、集中控制等接口,为智能化升级预留空间。

 

 

四、工程案例分析      

         

(一)案例概况     
以某高校教学楼改造项目为例。该楼建筑面积8000m2,3层,内设多功能厅、报告厅、会议室、办公室等。原有空调系统老化,能耗高,急需升级改造。
考虑到建筑物位于北方寒冷地区,冬季供暖需求大,项目采用模块化空气源热泵两联供系统方案。系统由5台6匹和1台10匹的定频机组构成,制热量97kW,制冷量83kW,配置了板换、水泵、水箱、膨胀罐等。末端形式为风机盘管+地暖。项目于2019年10月完成改造,投入运行。

(二)节能效果    
为评估两联供系统的实际运行效果,对教学楼进行了为期1年的能耗监测,并与改造前进行了对比。

结果如下：采用两联供后,教学楼逐月耗电量均有不同程度的下降。全年总用电量从21.5万kWh降至15.3万kWh,节电率达29%。按当地电价0.6元/kWh估算,年节约电费3.7万元。若按设备投资费用40万元计,静态投资回收期约为11年。

  (三)存在问题     
该项目虽然取得了良好的节能效果,但实际运行中也发现了一些问题:
1.冬季供暖末期,部分房间温度较低,影响舒适度;
2.个别机组噪音偏大,影响室内人员工作学习;
3.分水器阀门调节不便,难以实现分区域控制;
4.未及时清洗水箱,水质变差;
5.缺乏必要的计量装置,系统监测数据不完整。

(四)改进措施  
针对存在问题,项目实施了如下改进:
1.优化机组运行策略,提高变频机组比例,改善部分负荷工况下的出水温度;
2.在机组底座加装减震垫,对管路进行减震处理,从源头降低噪音;
3.更换分水器阀门,增设温控面板,实现分区域精细化控制;
4.定期对管路、水箱进行冲洗消毒,确保系统水质;
5.加装能耗、水耗等计量装置,建立能耗监测平台,指导系统优化运行。
改进后,教学楼运行质量明显改善,师生反映良好。

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