空气源热泵“两联供”系统工作原理，设计与选型

   空气源热泵 "两联供"，它是一种新的夏季制冷、冬季采暖的"冷暖系统解决方案" 。  

     以前我们夏天制冷用一拖一的空调或者是 中央空调多联机 ，来解决夏天的制冷的问题，这种空调专业术语叫"氟系统"空调，通过铜管传输"氟利昂"制冷剂，这是以日本为代表的技术。

     氟系统利用空调室内外机之间管道内的制冷剂进行换热，换热方式为直接蒸发式，空调制冷的过程中会出现"过度除湿"的问题，使得房间湿度过低比较干燥，舒适度差。冬天可以制热时容易出现口干舌燥的现象。

    市场上还有一种"水系统"空调，是以美国、欧洲为代表的水机空调系统，也叫"水系统空调"， 这种空调主要用于大型建筑的制冷和制热。比如大型高端写字楼、大型五星级宾馆都会选择这种空调，它是以水为载体的，水系统的空调因为制冷时吹的冷风比较柔和，同时水系统的空调可以调节水温，湿度。

     水系统利用水作为冷媒，换热方式为二次换热，依赖水的稳定传热性，提供恒温的室内环境，相对于"氟系统"的空调来说，所以水系统的空调的舒适度要高于氟系统的空调。

     从恒湿的角度而言， 水系统中央空调则可以提供氟系统所不能保证的舒适性。 这是因为氟系统直接蒸发换热会因为温度落差而使室内温度骤降，从而令用户体感干燥，而水系统中央空调的二次换热方式则不会造成过度除湿，所以可以真正在室内空间中实现恒温恒湿。

     不知什么时候，有行业的专业人员就想到了，冬季把"水系统"空调的热水通到地暖里面来效果怎么样呢？结果一试发现效果真的不错，这样就变成了空气源热泵"两联供"系统。

     这套系统的优点是在制冷的时候，它的舒适度要高于我们现在常用"氟系统"的多联机；冬天采暖的时候它的效果跟锅炉带地暖的效果差不多，但是数据表明： 供暖同样的面积，水机二联供系统使用费用仅为电地暖的1/4， 燃气壁挂炉 的1/2，普通空调的3/5，是目前最节能的制冷产品。

    空气源热泵两联供机组，又称地暖空调一体机 ，从名字上来讲，就是将空调的功能及地暖的功能，集成在一个主机系统上，又称地暖空调两联供，它利用一台空气源热泵能的主机，冬天的时候产生不超过55℃的热水，为房间提供地暖加热。

     夏天的时候还是用这台主机，改变成制冷模式，机器就会生产出符合条件温度的冷却水，在风机盘管进行热交换，将冷气吹出。

     可以仔细观看这张图片， 非常直观地展示了地暖空调两联供系统。 室外是一个主机，水箱，水泵集成站及管路连接；主机就是一个冷热源，提供房间所需的冷量及热量；水箱是一个能源储备中心，存储冷量及热量；水泵集成站是一个输配中心，按照需求，供给每个房间冷量及热量；

      很简单的理解，就是外机把水箱的水烧热了或者制冷了，水箱里存储了热水或冷水，水泵把热水或冷水打到室内。制冷时通过走冷水的室内机吹冷风，制热时通过走热水的地暖管进行地面热传导，进行采暖。

     户式空气源热泵两联供系统主要适用于夏热冬冷地区、寒冷B区和夏热冬暖A区，比较适合长江流域的室外环境，主要有"天水地水""天氟地水"两种形式，两者的区别在于夏季供冷末端不同，冬季供暖末端则大致相同。

图1 户式空气源热泵冷热水两联供系统原理图

      户式空气源热泵冷热水两联供系统原理图如图1所示，主机为空气源热泵（冷热水）机组，由室外机组和室内机组（ 水力模块 ）组成，一机两用。该系统对设计人员的能力要求较高，如设计不当，可能会出现能耗过高、运行不稳定、异常报警等问题。本文从工程设计角度出发，对该系统的负荷计算、主机和冷热末端选型、水系统等关键设计点进行阐述，以期为该产品的设计、施工人员提供参考。

      室内设计参数、室外气象参数，选取依据是 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 （下文简称《规范》）；另外根据 《辐射供暖供冷技术规程》 （下文简称《规程》），采用水地暖作为两联供的供暖末端，室内设计温度可降低2℃。如果设置新风系统，居住建筑最小新风量对应的最小换气次数按 《住宅新风系统技术标准》 选取；公共建筑每人最小新风量按 《公共建筑节能设计标准》 选取。 对于房间冷、热负荷，应按照《规范》执行：冷负荷需逐项、逐时计算；热负荷为房间基本热负荷、户间传热附加耗热量、房间间歇供暖附加耗热量之和。

      户式空气源热泵冷热水两联供系统多采用分体式机组，室外机组包含压缩机、风冷式换热器、部分制冷部件，室内机组（水力模块）包含水冷式换热器，水泵、缓冲水箱，通常选用单台机组即可满足需求。采用水地暖方案供热的两联供方案时，夏季供回水温宜为7℃/12℃；夏热冬冷地区、夏热冬暖A区的冬季供暖水温宜为45℃/40℃，寒冷B区宜为41℃/36℃。选型时，先根据房间冷、热负荷的计算结果，汇总得出系统夏季冷负荷Q1和冬季冷负荷Q2。

Q1汇总方法为： 当系统设有自控时，将同时使用的各个房间逐时冷负荷累加，得出建筑物冷负荷的逐时值，取其中的最大值；在无法确定同时使用的各个房间时，按所有房间的逐时冷负荷综合最大值，乘以0.5～0.7的 同时使用系数 。

Q2汇总方法为： 地面辐射式连续供暖，用各房间基本热负荷、户间传热附加耗热量、各房间供暖地面向下的传热量三者相加；间歇供暖，应考虑附加系数和开机率，在连续供暖总热负荷的基础上，乘以1.05～1.2的系数。

      然后在样本中查找主机参数和性能曲线（性能表），主机夏季实际工况下的制冷量Qc：

（1）

主机冬季实际工况下的制热量Qh：

（2）

    式中：qc、qh为机组名义工况下的制冷量和制热量；β1为主机灰尘污垢系数，一般取1.1；K1、K2为冬季、夏季室外计算干球温度修正系数；K3为主机融霜修正系数。 主机选型时，必须同时满足Qc≥Q1和Q?≥Q2。

     供冷末端多采用卧室暗装风机盘管，具体规格应根据房间冷负荷和设计供回水温度确定。供暖末端水地暖的设计、设备材料选择、室温控制要求应符合《规程》的规定。 供暖末端设计的要点是确定地暖盘管的环路数、管径、间距，加热管布置的要求如下：

①每个回路加热管长度100m左右，不宜超过120m，每个回路供热面积大约30m2。

②每个回路长度（阻力）最好一致，相差不超过10%。

③加热管距外墙内表面不小于100mm，距卫生间墙内表面100mm～150mm，距其它内墙200mm～300mm。

④加热管的管间距对于住宅150mm～300mm不等，不宜大于300mm。

⑤管内水流速控制在0.25m/s～0.6m/s，最不利环路水力损失不宜超过30kPa。供暖末端设计的主要步骤为：划分铺设区块→计算每平米所需散热量→确定管间距→校核地面温度。

    两联供水系统管道一般采用塑料PE-RT、PP-R、PE-X等材质料管 且使用带有阻氧层的管材，以防止环境中的空气渗入管道内，对系统的金属阀件造成腐蚀和结垢。考虑到系统工作压力和水流阻力， 建议选用S4等级的PP-R管或者S5等级的PE-RT管。

      为保证水力平衡，可采用同程式系统，对于别墅项目建议采用立管同程设计，同一层异程设计；对于平层、公寓项目，大区域多末端（末端数量≥7）的项目，建议做水平管同程。如果采用异程式系统应设置水力平衡措施，例如在地面辐射供暖连接在 分集水器 的分支环路上， 设置带阻力预调节功能的阀门，以平衡环路阻力，满足末端流量需求，避免水力失衡。

     供冷末端（风机盘管）的水管路采用"电动二通阀+压差旁通阀"的设计。 即在风机盘管回水管上设置由房间温度控制器控制的电动二通调节阀，同时在供、回水管上设置压差旁通阀。压差旁通阀的作用是保证只开一个末端时，通过旁通阀的水流量可以满足主机需要的最小流量安全运行而不报警。

     压差旁通阀有两个安装位置， 一是 安装在主机端所有末端的进出水总管上，但要考虑到当旁通量大时，系统的水容量比较小，需要安装蓄能水箱或者加大主管的管径，满足系统最小水容量的要求。 二是 安装在主管路最末端，这样的好处是即使旁通流量大时也可以使整个系统的循环水量不变，可以不用或者采用小容积的蓄能水箱。

     供暖末端（水地暖）的旁通设计一般是在分集水器安装旁通偏心组件，适用于采用地暖执行器控制地暖回路温度的系统。 当室内负荷变化时地暖回路会部分关闭，这时安装在分集水器上的旁通偏心组件可以旁通一部分水流量，防止机组水流量故障，同时更好的保证地暖效果。

     供水管路最高点或积聚空气的局部高点设置自动排气阀 ，回水总管上设置微泡脱气排污阀，可以大大缩短调试时排气的时间，高效排除系统中的游离气体和微型气泡，降低气堵和气蚀风险。补水管路中，安装带有稳压装置、止回功能的自动补水阀，压力值可配合压力表进行调节，并维持调节后系统压力。当系统压力降低时，自动打开注水，达到设定压力时自动关闭，避免水压过高损坏系统设备。 安装时，可与自动补水阀并联一个手动球阀补水，这样可以缩短首次注水时间，加快注水速度，当注水完毕正常使用时，将手动球阀关闭，自动补水阀打开即可。

      水系统布管设计时尽量减少积水不易排放点，同时在水系统最低点的供水、排水管上安装放水阀，冬季长期不用时，如果室内温度低于2℃可用放水阀将系统中的水放干净。

     膨胀罐在水系统中起缓冲压力波动及部分给水的作用，还可以用来吸收水因温度变化增加的那部分体积，其规格为容积大小。 很多产品的膨胀罐已经安装在室内机组中，不需要额外选择。

      缓冲水箱的作用 一是增大系统水容量 ，防止机组温度上升或下降过快导致机组报警； 二是保证系统水温度 ，防止机组频繁启停影响机组使用寿命，增大使用能耗； 三是在化霜时，机组切换到制冷模式运行 ，需从水中吸收热量，安装缓冲水箱可以防止化霜时水温波动大、影响供暖效果。因为目前很多主机都采用全变频机组，可根据末端负荷调节机组的输出能力，

       即使没有水箱也不存在机组频繁启停的问题，另外对于供暖末端是水地暖的系统，地暖盘管的水容量较大，所以往往不需要设置缓冲水箱。

       通过水力计算，确定水流量和最不利环路的阻力损失，进而选择合适的水泵型号。 供冷环路、供暖环路可分别进行计算，选择各自适合的水泵，也可以共用同一台水泵。共用水泵时，考虑到供暖环路的水流阻力一般大于供冷环路，可按供暖环路的水力计算结果进行水泵选型。

        结语： 户式空气源热泵冷热水两联供系统一机两用，可实现夏季供冷和冬季供热，有效节约了住宅的建筑空间和初投资，相对于传统户式中央空调冬季舒适性更好。同时，该系统对设计、安装要求也较高，需要更多的专业技术人员参与交流与研究，积累设计施工经验。