论文|耦合型水系统在户式热泵采暖中的应用分析
文_黄艳艳/童风喜/刘士珑
ID | rbsc6666
摘要：直流变频空气能热泵作为一种新型的热源设备进入采暖行业，和地暖配套使用被认为是最节能的系统设计方案之一；本文分析了系统供回水温差对热泵及末端散热装置热效率的影响，同时探讨了耦合型水系统的应用优势。
得出结论：在户式热泵+地暖的供暖系统中, 采用耦合型水系统进行设计，可增强热泵运行的稳定性，优化热泵与采暖末端的匹配性，使其不受末端散热装置的负荷波动影响；地暖设计采用恒定供水温度的大温差（10℃）计算,可降低系统水泵的功耗,对热泵的能效有利,而大温差小流量对地暖侧传热系数的不利影响可通过增大地暖散热面积或缩小管间距等有利因素进行补偿。
这种换热面积的增加所导致的成本增加很少,正是地暖作为一种优秀的散热末端所表现出的节能、高效、低成本的特点。这体现出合理的设计可在系统成本增加很小的情况下明显提高整个供暖系统的实际运行能效！
关键词： 空气能热泵；地暖；供回水温差；耦合型水系统
引言：直流变频空气能热泵作为热源的户式供暖系统已经成为主流，热泵以其高效、节能、安全、安装方便、智能化程度高等优势得到了用户的青睐。
低温热水辐射地板采暖作为一种新型的室内散热末端，和对流散热为主的散热器供暖相比，具有室内温度分布均匀、舒适性好、节约能源、高换热效率等优点。某种意义上说，热泵与地暖是相得益彰的分户供暖最佳匹配形式。但由于对热泵工况及地暖工况的了解不够，使得大家在应用中也出现了很多问题；我们需要分析研究如何优化和提高热泵+地暖系统的能效及系统稳定性。
热泵的行业设计标准将标准工况下的供回水温差设定为5℃，而地板采暖的行业标准将供回水温差设定为：不大于10℃，供回水温差的最佳设定值到底是多少最合适呢？以及不同的供回水温差对系统会有什么样的影响呢?
对这些问题进行分析，阐明空气能热泵采暖系统的热交换原理，及耦合型水系统的运行原理，讨论通过使用耦合型水系统、调节供回水温差等方式是否能够得到最好的使用效果，是本文的重点。
正文
一、 热泵采暖系统的热交换原理
一套完整的供暖系统可分为如下几个部分：主热源设备、室内末端散热装置、管路系统、控制系统；以直流变频空气能热泵为主热源的供暖系统热力学原理示意图，如下图所示：上图中有3 种影响系统热效率的传热过程：
1） 红色代表高温冷媒对水的传热过程，Te 为冷媒的蒸发温度，Tc 为冷媒的冷凝温度；
2） 蓝色代表水对室内的传热过程，Twh 为热源供水温度，Twl 为热源的回水温度，Tr 为室内温度；
3） 绿色代表低温冷媒从空气中吸热的过程，Ta 为环境空气温度，Tao 为经过热交换后的空气温度。
从上图中可以非常明显地看到，供回水温度Twh和Twl 影响着红色和蓝色2 个传热过程，决定了系统运行时冷凝温度Tc 高或低，在整个系统热效率中扮演着重要的角色！
二、 热泵采暖系统中的耦合型水系统与直供型水系统
以直流变频空气能热泵为主热源、地板采暖/风机盘管为室内散热末端的水系统原理示意图，如下图所示：
图1 表示的是直供型水系统，也就是传统的热源与末端直接连接的采暖系统；从热力学角度来看，更有利于热量的传递，采暖效果也更直接，但是热泵与末端的负荷必须基本匹配，维持系统水力平衡。
图2 表示的是耦合型水系统，就是通过缓冲水箱将系统“分割”成为热源侧和末端侧；这样热源侧热泵可以工作在自身的最佳工况下，切断了末端负荷、水流变化对热源侧水系统的影响，即使末端散热装置全部关闭，热泵仍能够正常工作，有利于发挥热泵的热效率。
三、 供回水温差对系统热效率的影响
影响整个采暖系统热效率的因素，主要包括：主热源设备的热效率、热水传输功耗及传输损失。直流变频空气能热泵作为主热源设备其效率受2 个温度的影响：冷凝温度Tc 和蒸发温度Te，传输功耗主要受水泵功耗的影响，传输损失主要受管路保温的影响。
本文以10℃和5℃供回水温差的采暖末端设计为例，分析供回水温差对系统运行效率的影响；主要从以下3 个方面展开：
1. 供回水温差对热泵主机冷凝温度的影响
在讨论供回水温差对冷凝温度的影响时，假定室内温度Tr 是不变的；在这个前提下，我们可以看到，Tc 的数值取决于红色/蓝色2 个传热过程的传热温差，用数学公式表示：
Tc=Q/(KwFw)+Q/(KcFc)+ Tr
其中: Q —表示不考虑各类损失时的热负荷；
Tw —表示水侧传热平均温度；
Kc，Fc —分别表示红色传热过程的综合传热系数及对应传热面积；
Kw，Fw—分别表示蓝色传热过程的综合传热系数及对应传热面积。
Tc 是由红/蓝2 个传热过程产生的温差之和决定的，即Tc 不但取决于红/蓝两个过程的传热系数K，而且也取决于传热面积F。普遍的一般性结论认为：大流量小温差，能有助于提高传热系数K 值，因此可降低冷凝温度Tc，这个结论包含了2 个前提；如下所示：
a）不计算大流量所引起的水泵功耗的增加；
b）红/蓝2 个传热过程的F 值即换热器的传热面积大小不变。
也就是说，对于一个固定的供热系统，在不考虑水泵功耗增加的情况下，大流量小温差可降低冷凝温度，从而提高系统热效率；有趣的是，当我们深入到系统工作的具体过程中，不同的前题条件下还会有不同的结论。
1）以恒定供水温度为目标时，不同供回水温差对热泵主机及末端散热装置热效率的影响：
以某一知名品牌的氟/水板式换热器为例，同一款换热器，制热量10KW，供水温度45℃；分别计算10℃温差即35℃回水时的冷凝温度，及5℃温差即40℃回水时的冷凝温度，以便有个量化的对比。结果如表1 所示：
表1-同一换热器,不同供回水温差对冷凝温度的影响
由上表可以看出，在同样出水温度情况下，虽然流量减小导致换热系数下降，但回水温度降低提高了传热平均温差，结果是大的供回水温差能降低冷凝温度，对热泵效率更有利。
当房间温度18℃, 在供水温度45℃的情况下, 大温差回水如：35℃回水, 此时水侧平均温度可近似为:40℃；小温差回水如：40℃回水, 此时水侧平均温度可近似为: 42.5℃。这2种情况的对比，显然10℃大温差时，对室内散热的平均水温更低，加上流量减小导致的换热系数下降，要求室内散热末端有更大的散热面积进行弥补。
因此，单从热效率来讲，在恒定供水温度的情况下，供回水温差对热泵主机和散热末端的影响是反方向的。也就是说：在同样供水温度，及同样供热热量的情况下，大温差对主机有利，而对末端不利；反之小温差则对末端有利，对主机不利。
2）以恒定回水温度为目标时，不同供回水温差对热泵主机及末端散热装置热效率的影响：通过简单的分析即可得出结论：大的供回水温差对热泵主机不利，会提高热泵主机的功耗，或要求热泵主机有更大的换热面积；而对末端散热装置有利，末端散热器可以用更小的换热面积。由于在整个系统的热效率中，热泵主机的热效率占主导作用，因此这样的设计方案没有益处，故下面不再分析对比！
2. 供回水温差对末端设计的影响
1）室内末端散热装置为地板采暖时：
以45℃供水温度、10KW 总热负荷为例，当以供水温度为目标时，大的供回水温差对室内末端散热是不利的，表现在：
（1) 降低了蓝色区域热交换的传热温差
（2) 降低了水的流速，从而降低了传热系数K
下面的计算结果表明：大温差所引起的上述2 点不利因素，可通过地暖铺设面积增大约15%、缩小地暖管间距等低成本投资方式来弥补；从而避免热泵主机冷凝温度的升高，提高空气能热泵的运行效率。计算对比如表2 所示：
表2--同一供水温度, 不同供回水温差的地暖散热面积计算对比
（a）散热量及热损失数据来自《地面辐射供暖技术规范》—DB11/806-2011
2）室内末端散热装置为风机盘管时：
通过简单的分析即可得出结论：大的供回水温差、小流量对风盘末端的热交换不利，导致室内的热负荷供应不足，或要求风盘有更大的换热面积，显著增加了末端成本；因此这样的设计方案没有益处，故下面不再分析讨论！
3. 供回水温差对水泵功耗的影响
常规采暖系统中，系统循环水泵的功耗损失因其转变为热能，通常不被足够的重视。在热泵+地暖的采暖系统中，电能被更高效率的利用，而且水泵在整个供暖季中，通常是24 小时不停运转的，使得水泵的功耗对于整个系统的节能运行，起着重要的作用！由上述分析可知，大的供回水温差可以减小系统水阻力，同时降低系统水流量，大大的节省了水泵功耗；虽然水阻力的问题可通过加大管径等措施来解决，但在热泵+地暖应用最常见的户式采暖项目中，管道布置空间上受到很大局限，实际应用中希望使用更小的管径而水阻力不致于过大！
通过简单的估算，同时参考上表1，可以认为水系统阻力和流速的平方成正比。也就是说，对一个固定的供热系统，供回水温差由5℃变为10℃，则管路阻力减小到原来的1/4；反之，供回水温差由10℃变为5℃，则管路阻力减小到原来的4 倍。下面一些简单的计算可供大家参考！
下面的对比分析表明：整个供热系统不同水阻力时，水泵的功耗情况在采用10℃温差时，比之5℃温差，水泵的功耗可以降低约80%左右。对比如表3 所示：
表3-不同系统阻力时，水泵的功耗对比分析
四、 耦合型水系统的应用优势
在户式热泵+地暖的供暖系统中, 采用耦合型水系统进行设计，可增强热泵运行的稳定性，优化热泵与采暖末端的匹配性，使其不受末端散热装置的负荷波动影响；接下来就从2 个方面对直供型水系统和耦合型水系统进行分析研究。
1. 户式热泵采暖系统的稳定性
直供型水系统是传统的热源与末端直接连接的采暖系统，从热力学角度来看，更有利于热量的传递，采暖效果也更直接，但是热泵与末端的负荷必须基本匹配。如果热泵与末端的负荷不匹配，则容易使得热泵频繁启停，减少机器寿命；另外热源与末端匹配不好，水力失调，局部过流、局部欠流也是造成热源“热量”不能有效传递到末端“热量”的问题，在实际应用中反而增加了系统能耗，降低了能源利用率。
耦合型水系统就是通过缓冲水箱将系统“分割”成为热源侧和末端侧；这样热源侧热泵可以工作在自身的最佳工况下，切断了末端负荷、水流变化对热源侧水系统的影响。特别是对于户式住宅热泵采暖系统来说显得尤为重要；因为普遍来说，户式住宅项目的末端负荷变化比要大过商用项目。
因此，相对于传统的直供型水系统，耦合型水系统（缓冲水箱）对热泵采暖系统稳定性的维护起到了重要的作用。在耦合型水系统运行中，即使末端散热装置全部关闭，热泵仍能够正常工作，从而避免了热泵长期低负荷（或负荷波动大）状态下频繁启停，有利于发挥热泵的热效率，使得热源侧与末端侧的水系统耦合关联，如同自耦式变压器，当负载侧负荷变化时,源侧输出相应的能力，负载侧负荷关闭时,源侧的输出也自动关闭，无任负载侧发生什么变化,源侧主机仍然正常安全工作而不受影响, 提高了整套系统的稳定性和可靠性！
2. 末端循环水泵的设计
末端管路系统的变化多端，对于循环水泵选型造成了很大的影响；特别是户式住宅项目中，由于项目较小且量多，一般都会选择快速估算的方法来选择水泵，从而使得水泵往往会选得过大或过小。水泵选择过大会相应增加水泵功耗，同时降低热泵机组的换热效率；水泵选择过小则不能将热泵的热量有效传输到采暖末端中，使得用户需求得不到满足。
热泵一般内置有循环泵作为系统循环动能，在热泵采暖系统的应用中，施工单位调试中发现系统运行情况不佳，通常采用增加外置循环泵的方法。在外置次级循环泵的情况下，直供型水系统和耦合型水系统的反映又各不相同！在直供型水系统中，如果外置泵与热泵内置泵的参数不同，则容易造成水泵冲突，影响热泵内置循环泵的使用寿命。
在耦合型水系统中，已通过缓冲水箱对热源侧和末端侧进行“分割”，因此次级循环泵可根据末端情况来进行设计，完全不需要考虑对热泵端工作的影响。
在别墅等大面积户式热泵采暖系统中，由于末端侧采暖面积大，需要的循环流量较大；如果配置较大的次级泵，在用户部分使用较小面积的区域供暖时，就会出现啸叫、共振等噪音，以及局部过流等问题，不利于节能，还会使得水泵功耗无谓浪费以及出现过载的可能；例如：两层建筑，分别给每层供热都可以升温，而全部供暖时则会有一层不热，或者是整体供暖时很好,可局部供暖时水泵功耗过大而产生浪费（我国家庭使用中，超过80%时间用户只需要局部区域的供暖供冷），我们可以将较大的末端侧分层分区设置次级泵，这样当某区域有采暖需求时，只需按区域开启相对应的次级泵，满足局部流量需要即可；这样既降低了水泵功耗，也克服了水泵噪音和阀头噪音等问题，同时体现出末端循环水泵选配的灵活性！
与此同时，我们从上面直供型水系统和耦合型水系统的特性分析可知，分层分区设置次级泵对直供型水系统的流量稳定性影响更大，极易造成水力失衡；而分层分区设置次级泵应用于耦合型水系统则完全没有此类问题。
由上述分析可知，面对变化多端的末端散热装置，相对于直供型的水系统，可见耦合型水系统更有利于系统运行的稳定性，同时能够将水系统的安装和设计标准化，加强热泵的热效率、稳定性，实现系统运行的真正节能！
结论：经过以上分析可知，通过合理设定系统供回水温差，使用耦合型水系统运行，可达到优化和提高户式热泵采暖系统的热效率及稳定性的目的。
在户式热泵+地暖的供暖系统中, 采用耦合型水系统进行设计，可增强热泵运行的稳定性，优化热泵与采暖末端的匹配性，使其不受末端散热装置的负荷波动影响；地暖设计采用恒定供水温度的大温差（10℃）计算,可降低系统水泵的功耗,对热泵的能效有利,而大温差小流量对地暖侧传热系数的不利影响可通过增大地暖散热面积或缩小管间距等有利因素进行补偿。
这种换热面积的增加所导致的成本增加很少,正是地暖作为一种优秀的散热末端所表现出的节能、高效、低成本的特点。这体现出合理的设计可在系统成本增加很小的情况下明显提高整个供暖系统的实际运行能效！