户式二合一空气源热泵空调(水)系统和设计要点.pdf

建 筑 工 程 户式二合一空气源热泵空调 （水） 系统和设计要点 杨杰 绿城房地产集团有限公司工程管理中心 浙江省 310007 摘要： 户式二合一空气源热泵空调 （水） 系统是近年来逐渐流 行起来的一种全新的户式中央空调系统， 它利用空气源热泵的换 热原理搬运户外的热量， 实现一机两用， 夏季通过将水冷却实现室 内制冷， 冬季通过将水加热来做地板采暖， 同时比以燃气热水炉为 热源的采暖系统运行费用更为节省。这种二合一空气源热泵系统 更适合于没有集中供暖设施的夏热冬冷地区住宅建筑中使用。 关键词： 户式空调； 二合一空气源热泵； 空调水系统； 设计要点 前 言 随着我国居民生活水平的提升， 对住宅的舒适性要求越来越 高， 尤其南方地区冬季的采暖需求也日益增强， 不少家庭都选择户 式空调与燃气热水炉采暖系统配套使用来满足空调和采暖的需 求。然而， 由于一些地区实行了阶梯气价， 天然气价格大幅攀升， 使以燃气热水炉为热源的采暖系统的运行成本越来越高， 大大增 加了居民冬季采暖的使用成本。由于二合一空气源热泵空调 （水） 系统具有高度集成、 冷暖两用、 节能高效等优势， 非常适合于在南 方地区住宅装修工程中使用。本文着重介绍了住宅二合一空气源 热泵空调 （水） 系统的工作原理， 与传统方案的性能比较， 以及系统 设计要点和注意事项等方面内容， 以便室内装饰设计师和暖通空 调从业人员更好地选择和安装最适合新房装修的空调地暖系统。 一、 空气源热空调 （水） 系统的原理 1.关于热泵的工作原理 热泵是一种经过电力做功， 从自然界的空气、 水或土壤中获取 低品位热能， 提供可被人们所用的高品位热能的装置。而热泵的 原理实际上是利用了物质在发生相变的过程中吸收和释放热量来 进行能量的转移。比如说水在从液体到气体蒸发时会吸收环境中 的热量， 同时水从气体到液体冷凝时是会向环境中释放热量。相 比水来说， 热泵系统中选用的制冷剂是一种既容易蒸发又容易冷 凝的物质， 同时在蒸发和冷凝的过程中又能吸收和释放出大量热 量。我们把制冷剂进行换热的装置叫换热器， 制冷剂汽化吸热的 装置叫蒸发器， 制冷剂液化放热的装置叫冷凝器。比如说夏季室 内制冷， 实际上就是利用室内蒸发器制冷剂蒸发来吸收室内空气 的热量， 然后将热量通过制冷剂在室外冷凝器冷凝释放到室外环 境中， 再不断的循环的过程。而冬季室内采暖， 就是利用从室外蒸 发器中通过制冷剂蒸发吸收室外环境中的热量， 然后通过室内冷 凝器制冷剂冷凝放热来提高室内的温度的不断循环的额过程， 驱 动制冷循环的装置叫压缩机， 而冬夏的转换装置通过的是四通 阀。所以说热泵不生产热量， 它只是大自然热量的搬运工， 从原理 上说它肯定是节能的。用户所花的电是用来驱动压缩机工作， 压 缩机不但的把制冷剂压缩后在热泵系统内循环， 实现不断的室内 外的热量搬运和转移。我们按照从外界摄取能量的渠道不同， 把 热泵分为空气源热泵和水源热泵两大类。而空气源热泵就是利用 室外空气作为冷热源的一种热泵形式。热泵运行原理如图1所示。 2.什么是二合一空气源热泵空调 （水） 系统 传统的家用中央空调比如多联机， 实际上也是空气源热泵的 一种， 多联机顾名思义指的是一台室外机通过配管连接两台或两 台以上室内机， 室外侧采用风冷换热形式、 室内侧采用直接蒸发换 热形式的一次制冷剂空调系统。所谓一次制冷剂系统， 就是无论 制冷还是制热， 到室内机里循环的都是制冷剂系统， 这种系统夏季 制冷的时候效率很高， 但是冬季采暖的时候只能通过室内吹暖风， 而无法直接实现地板采暖功能。由于热的比重小， 通过吹热风的 方式热量都堆积在房间顶部， 远远不如地暖足温头凉对人体来的 舒适， 所以这种方式制热舒适感较差。而水系统二合一空气源热 泵系统则不同， 室外机依然采用的是风冷换热形式， 而相比多联机 的一次制冷剂系统， 水系统热泵通过二次换热夏季将水降温后流 经风机盘管/室内机后进行吹风制冷， 冬季则既可以通过二次换热 将水加热后通过室内机吹暖风供暖， 更可以直接提供3550的水 用于做更为舒适健康的地暖。水系统二合一空气源热泵连接示意 图如图2所示。 图1 热泵运行原理 图2水系统二合一空气源热泵连接示意图 二、 二合一空气源热泵对南方城市的意义 2015年冬天中国南方地区经历近30年以来最冷冬天， 而在中 国有52个城市应属于夏热冬冷地区， 却没有设置集中供暖， 占了 15%的国土面积； 关乎南方采暖的话题社会空前关注， 消费者越来 越多的呼吁需要政府和行业提供解决供暖的方案。而因为南方地 区能源结构、 气候特点及居民的生活习惯所决定并不适用集中供 暖， 只适合分户采暖； 但是传统的分体空调和VRV空调通过吹风采 暖不舒适， 而中高端人群需要更舒适的地暖只能配合燃气壁挂炉 供暖方式。燃气供暖因为天然气阶梯气价实施在不断上涨， 运行 成本越来越高。在这些环环相扣的因素下， 二合一空气源热泵的 出现极大的填补了南方城市供暖的需求。 三、 二合一空气源热泵空调 （水） 系统相比传统方式的优越性 1.空调和地暖功能合二为一， 减少了设备投入 传统的方案中央空调只能提供的夏季制冷， 冬季想要获得舒 适的地暖只能通过配套燃气锅炉或者电地暖来解决， 这样就需要 用户安装两套相互独立的系统。即增加设备的初投资， 又增加了 设备阳台的占用空间， 在现在设备阳台有限寸土寸金的城市高层 住宅， 这显然不是一个最好的选择。而采用全水系统二合一空气 25 装饰装修天地 源热泵， 既保留了传统中央空调室外机简单的安装方式， 同时又不 再需要配套其他设备， 降低了设备阳台空间的占用， 同时也为消费 者节约了初投资。总体来说， 全水系统二合一空气源热泵比传统 多联机空调加燃气壁挂炉地暖的方式初投资略低或者基本持平。 2.夏季制冷效果更加舒适 传统中央空调夏季制冷都采用一次换热系统， 一般厂家的室 内机设计都采用大温差小风量送风， 出风口温度较低， 但是送风量 较小。这样的设计导致整体室内送风温度不均匀， 夏季时往往在 正对出风口处非常冷， 而远离出风口处则会感觉不够冷， 导致人体 舒适感不佳。而水系统的室内机一般采用小温差大风量设计， 出 风口温度相对更高， 整体室内空间温度更为均匀， 不容易出现房间 空间忽冷忽热的现象。 3.冬季采暖费用低 传统方式采暖通过燃气壁挂炉配合地暖或者电地暖的方式， 前者在阶梯气价实施前几乎占据了95%以上的分户采暖形式， 在 过去天然气采暖和传统空气源热泵采暖的运行费用是相差不大 的， 但是由于全国阶梯气价的实施， 在第一阶梯气价小幅上涨的基 础上， 第一阶梯/第二阶梯/第三阶梯的气价比例设置一般分别为1/ 1.2/1.5， 而第三梯气价恰恰也是为通过燃气采暖的地暖家庭所设置 的梯度， 所以普遍冬季采暖费用上涨50%以上， 所以这两年就有消 费者开始出现 “买的起锅炉， 烧不起天然气” 的现象。电地暖的方 式是直接通过电转换成热， 相比热泵是吸收户外的热量， 平均能效 仅为空气源热泵的1/3， 所以电地暖的运行成本更高， 而且较高的电 力负载在大体量的家庭长期使用下也让小区电网系统难以承受。 因此， 空气源热泵的最大优势， 就是利用了热泵搬运户外空气中的 热量， 用户只通过较少的电耗， 就换回了室内大量舒适的热量， 其 运行费用是天然气锅炉费用的1/22/3， 是电地暖费用的1/31/2。 四、 二合一空气源热泵空调 （水） 系统设计要点和注意事项 1.计算室内冷热负荷 首先将房间的功能区间进行划分， 针对不同的功能区间按照 面积初步确定每平方米的冷热负荷指标， 再根据墙体和门窗的维 护结构的保温情况， 房间朝向， 建筑所处的城市情况， 人员的特殊 需求等因素进行修正。最后将所有功能区间的冷热负荷相加， 确 定最大设计冷热负荷量。再根据人员实际入住情况确定同时使用 系数， 一般来说华东地区单位冷负荷要大于单位热负荷， 而制冷同 时使用系数小于制热同时使用系数。通过最大设计冷热负荷乘以 同时使用系数最终得到室外机的设计冷热负荷。 2.根据设计总负荷选择室外机 根据最终的设计冷热负荷来选型室外机匹数， 高层家庭建议 选择安装侧出风形式的空气源热泵机组， 更适合高层设备阳台和 室外空气进行热量交换。一般情况下， 华东地区的总设计冷负荷 要大于总设计的热负荷， 所以按照设计冷负荷来确定室外机的制 冷量即可， 由于空气源热泵在冬季采暖环境温度较低时存在结霜 除霜情况， 而且在极端天气从室外换热能力大幅衰减， 为避免极端 天气供暖不够， 建议在室外机上配置一定功率的辅助电加热来提 升极端天气的制热能力。另外室外机的安装一定要找专业水机的 安装队伍， 由于中央空调室外体积和重量较大， 考虑到高空安全 性， 高层家庭的室外机尽量安装在设备阳台而不能直接挂外墙。 室外机应该预留良好的散热通风环境， 否则热泵从空气中搬运热 量的能力将大幅影响， 同时还要预留出合理的安装和后期检修空 间， 设备阳台需要设置相应的排水管道便于安装调试维修时水的 排放。另外水系统空气源热泵由于循环的是水， 水长期在零度以 下的环境中会存在结冰现象， 因此管道的保温和防冻很重要， 在冬 季不用时机组也需要长期带电以便运行防冻程序， 如果冬季较长 时间家里无人， 需要提前将水排空防止停电水管路冻裂。 3.根据各个区间负荷选择室内机 水系统室内机的选型类似传统多联机选型， 不过相比传统多 联机不用担心内外机拖带比的问题， 只要考虑好水力平衡即可， 水 力平衡的设计遵循的原则是尽量的减少最不利管路上不必要的局 部阻力， 在设计上尽量调整各个管路的阻力差值。室内机的安装 同样需要找专业水机安装队伍来施工， 对于水力平衡没有把握的 安装现场， 可以推荐采用新型的柔性水力分配器的安装方式， 通过 室外机连接水力分配器， 水力分配器再通过柔性一体化保温管连 接每个室内机末端的方式。 在负荷配比上客餐厅可以设计大一号的风机盘管， 因为相对 噪音需求来说， 更快速的制冷更符合国人的实际需求情况， 而卧室 和书房一般在选型时除需满足制冷量需求的同时考虑尽可能的低 噪音的型号。厨房和卫生间衣帽间一般不考虑放置室内机， 但相 联区间的负荷需要增加设计余量。如果室内机出风口需要接超过 1米以上的风道， 则需要考虑带一定静压室内机， 一般来说针对家 庭30Pa静压足够了。所有的室内机选型时应该对应装修图纸预留 出利于安装和维修尺寸， 冷凝水排放需预留1%的有效坡度或者采 用就近排放原则， 如果确实无法做到有效坡度和就近排放， 则需要 在相应内机上配置冷凝水提升泵。出风口设计要符合室内气流组 织， 为了方便调节气流组织需要设置可调格栅， 回风口设计一般为 有效出风口尺寸的1.31.5倍， 出回风前方均不可有遮挡。 4.地暖部分的设计 首先确定地暖分集水器的安装位置， 一般选择安装在厨房的 橱柜下或者卫生间的的洗手台下， 方便调试和维护时的排水处 理。地暖设计的原则和室内机设计的原则略有不同， 由于冬季地 暖相比夏季制冷的同开率会更高一些， 所以地暖管路铺设可以不 需要严格遵循区域性。一般而言， 地暖管采用符合标准的PE-RT 或者PEX管道， 建议按照228法则来设置地暖管， 即20mm的管道 管径， 20cm的管道间距， 80m的单路长度。对于离分集水器较远的 管路可以通过增加路数的方式平衡整个系统的管路， 这样可以确 保每一路都水力平衡， 同时地暖水路阻力较小， 降低对室外机循环 水泵扬程的需求， 为业主节省不必要的能耗。地暖的安装施工必 须找专业安装队伍， 而从铺设方式而言， 建议采用湿式地暖方式， 相比干式地暖有更厚的蓄热层， 在空气源热泵化霜时室内的温度 波动会更小， 舒适感会更好。而针对不同的地板材质， 石材和瓷砖 的传热性要好于复合实木地板， 所以一般在采用复合实木地板的 卧室和书房， 建议采用15cm管道间距的铺设方式来增加相对空间 中的散热面积， 以便平衡整个空间的温度梯度。 5.电路电控部分的设计 电路电控部分的施工操作同样需要专业的安装队伍来完成， 室外机需要预留强电， 配置专用的电控箱供电， 如较大户型可能会 需要用到三相电机组， 在配电时应该仔细阅读不同厂家的热泵安 装说明， 预留足够的线径。室内机一般采用220V零火线供电， 温控 器接线要提前预留， 一般除高中低三档风速线外还配有风盘电动 阀和地暖电热执行器的连接端口， 绝大部分温控器都配有联动线 甚至通讯线实现室内外机组的联动或者通讯控制， 所有的线都要 提前考虑装修时预埋， 避免后期装修完毕