農(nóng)村空氣源熱泵供暖中膨脹水箱的選擇

■ 張靜茹 ZHANG Jingru 李永安 LI Yongan

0 引言

近年來，霧霾等環(huán)境污染問題成為民生熱點(diǎn)，而北方地區(qū)農(nóng)村住宅建筑供暖所用燃煤帶來的污染物超排問題，則是霧霾的主要成因之一[1]。在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會議上，習(xí)近平總書記指出：“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，關(guān)系北方地區(qū)廣大群眾溫暖過冬，關(guān)系霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容。要按照企業(yè)為主、政府推動、居民可承受的方針，宜氣則氣，宜電則電，盡可能利用清潔能源，加快提高清潔供暖比重?！?因此，加快我國北方地區(qū)清潔能源的改造進(jìn)程，是緊跟國家政策需要，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措。

從目前筆者調(diào)研的情況來看，在“煤改電”背景下，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)由于其清潔、方便、節(jié)能的特點(diǎn)，在農(nóng)村住宅建筑中應(yīng)用最多。膨脹水箱則作為供暖系統(tǒng)的重要組成部分，對保證供暖系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。因此，合理選擇膨脹水箱，具有重要意義。

1 傳統(tǒng)膨脹水箱的作用與選擇

1.1 膨脹水箱的組成

膨脹水箱一般由鋼板制成，通常為矩形或者是圓形，其上連有膨脹管、溢流管、信號管、排水管及循環(huán)管等管路[2]（圖1）。

1.2 膨脹水箱的作用

1.2.1 定壓

圖1 供熱系統(tǒng)圖

膨脹水箱可收集系統(tǒng)因水加熱膨脹而增加的水容積，防止系統(tǒng)中的壓力升高，管道和供暖設(shè)備超壓，防止系統(tǒng)損壞。

膨脹水箱安裝在供暖區(qū)最高建筑物的屋面上，或者是和該高度相同的水塔和鋼支架上。其水箱多為與大氣相通的開式水箱，膨脹管連接在靠近循環(huán)水泵的吸入口的回水總管上，使供暖區(qū)域建筑物采暖系統(tǒng)中，各點(diǎn)在運(yùn)行工作時的壓力均大于大氣壓力，不會出現(xiàn)負(fù)壓也不會使供暖系統(tǒng)中的熱水被汽化?？梢娕蛎浰湓跓崴┡到y(tǒng)中可以起到定壓作用，不會使大氣中的空氣進(jìn)入系統(tǒng)中來。由于膨脹水箱和系統(tǒng)的連接處為定壓點(diǎn)，因此，膨脹水箱接于系統(tǒng)的不同位置，可以直接改變系統(tǒng)內(nèi)水的壓力分布。

1.2.2 排氣

膨脹水箱為供暖系統(tǒng)的最高點(diǎn)，可以在自然循環(huán)的作用下排除水系統(tǒng)中的空氣[3]。

1.2.3 補(bǔ)水

膨脹水箱還起著控制系統(tǒng)內(nèi)水位和補(bǔ)水的作用。膨脹水箱可以通納因受熱膨脹而多出的水容積，也可以補(bǔ)充因?yàn)橄到y(tǒng)泄露而引起的缺水量。水箱上安裝有控制水位的控制裝置，維持正常水位。當(dāng)水位達(dá)到水位控制裝置下限值時，自動啟動水泵進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)補(bǔ)水達(dá)到自動控制上限值時，自動停止補(bǔ)水[4]。

1.3 膨脹水箱的容積計(jì)算

膨脹水箱的容積可按下式計(jì)算：

式中，Vp—膨脹水箱的有效容積（即由信號管到溢流管之間的容積），單位：L；

α—水的體積膨脹系數(shù)，α=0.0006，1/℃；

Vc—系統(tǒng)內(nèi)的水容量，單位：L。

Δtmax—考慮系統(tǒng)內(nèi)水受熱和冷卻是水溫的最大波動值，一般以 20℃水溫算起。

空氣源熱泵供暖時，一般水溫約由20℃上升到60℃，水溫波動范圍為40℃。則該式可以簡化為：

Vp=0.024Vc

2 農(nóng)村住宅中的膨脹水箱

2.1 傳統(tǒng)膨脹水箱的不適用性

（1）農(nóng)村住宅中，“煤改電”供暖系統(tǒng)繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的膨脹水箱，由于環(huán)路中的循環(huán)水量有限，在機(jī)組啟動后很短暫的時間內(nèi)就達(dá)到水溫底線，使得機(jī)組停止工作；然后又會在很短暫的時間內(nèi)，水溫再次達(dá)到機(jī)組的啟動條件，使機(jī)組開始啟動。頻繁的啟動機(jī)組將大大縮短機(jī)組的使用壽命且浪費(fèi)電能。

（2）機(jī)組運(yùn)行中，繼續(xù)使用傳統(tǒng)膨脹水箱不但會使系統(tǒng)一直處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，故障率很高，而且在除霜時，系統(tǒng)會停止工作，無法正常供暖[5]。機(jī)組一直處于高負(fù)荷狀態(tài)，系統(tǒng)因壓力偏高等不穩(wěn)定運(yùn)行現(xiàn)象將會導(dǎo)致系統(tǒng)啟動壓力保護(hù)，出現(xiàn)系統(tǒng)停機(jī)頻繁、末端使用或冷或熱、熱能供應(yīng)無法連續(xù)、管路滲漏等現(xiàn)象，大大縮短了機(jī)組的使用壽命。

（3）系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，因高溫和進(jìn)入循環(huán)泵流速的增加，系統(tǒng)中的部分液體會汽化，這屬于正?，F(xiàn)象。但如果系統(tǒng)中仍然使用傳統(tǒng)膨脹水箱，則系統(tǒng)中的氣體得不到集聚，勢必會在系統(tǒng)管路中停留，如果進(jìn)入循環(huán)泵，在高溫高壓下，氣體必然凝結(jié)。在這個時候，四周的液體必然來補(bǔ)充凝結(jié)的區(qū)域，造成可怕的水力沖擊。這種沖擊對循環(huán)泵內(nèi)部的機(jī)構(gòu)打擊很大，也就是我們常說的水泵汽蝕，一旦發(fā)生這種狀況，流量開關(guān)會經(jīng)常報(bào)警，使系統(tǒng)經(jīng)常停止工作，大大縮短循環(huán)泵的使用壽命。

（4）系統(tǒng)管路一般采用薄壁銅管、薄壁不銹鋼管、塑料熱水管、塑料與金屬復(fù)合管材等等。不管采用何種材料，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中都會不同程度地產(chǎn)生高溫高壓，在這種情況下，系統(tǒng)中的管路收縮頻次非常高，為了能夠及時排氣，對于眾多沒有安裝緩沖水箱的系統(tǒng)，要在各個不同區(qū)域安裝多個排氣閥。

2.2 緩沖水箱的優(yōu)勢

2.2.1 儲能與節(jié)能

緩沖水箱可以把經(jīng)熱泵機(jī)組加熱后的熱水源源不斷地恒溫儲存在水箱里，以貯存能量[6]；且緩沖水箱的水容量根據(jù)不同采暖面積的使用要求量身定做，以滿足不同時段不同用戶的需求。運(yùn)行的原理是水箱內(nèi)的測溫探頭進(jìn)行控制工作，當(dāng)緩沖水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度之后，熱泵系統(tǒng)便自動停止工作，其采暖末端的水來自于水箱內(nèi)存儲的高溫水。當(dāng)緩沖水箱溫度低于設(shè)定值之后，熱泵系統(tǒng)就會繼續(xù)工作，這大大減少了熱泵系統(tǒng)的工作負(fù)荷和啟動頻率，保證了系統(tǒng)在工作壓力內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。

2.2.2 緩沖性能

在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，使用緩沖水箱，使水流先通過水箱，在水箱內(nèi)釋放部分運(yùn)行壓力。水箱的超強(qiáng)承壓性能完全能夠吸收和緩解系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的循環(huán)壓力，保證了系統(tǒng)管路內(nèi)水力均衡，有效防止了沖擊產(chǎn)生的高壓和高溫膨脹導(dǎo)致的采暖管路炸裂問題，延長了機(jī)組的使用壽命。同時，以水箱為中間載體，將整個采暖系統(tǒng)分成兩個獨(dú)立系統(tǒng)，即主機(jī)和緩沖水箱供熱循環(huán)系統(tǒng)，以及緩沖水箱對建筑的供熱系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)水泵獨(dú)立運(yùn)行，制熱和放熱互不干擾；同時，設(shè)置合理的補(bǔ)水口和回水口，使得系統(tǒng)采暖連續(xù)性更強(qiáng)，供熱更加均衡。

2.2.3 穩(wěn)定性能，避免除霜時水溫劇變

空氣源熱泵系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時，由于空氣側(cè)換熱器表面溫度較低、濕度較大，換熱器表面容易結(jié)霜。在啟動化霜系統(tǒng)的過程中，采暖系統(tǒng)末端水溫急劇下降，影響了采暖性能。但若采用緩沖水箱的供暖系統(tǒng)，當(dāng)啟用化霜系統(tǒng)時，緩沖水箱內(nèi)存儲的熱水量就可以滿足用戶末端的循環(huán)，以維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高供熱的舒適性[7]。

2.2.4 對循環(huán)泵和管路的保護(hù)功能

供暖系統(tǒng)如果不安裝緩沖水箱，系統(tǒng)內(nèi)氣體無法集聚而在系統(tǒng)管路內(nèi)逗留進(jìn)入循環(huán)泵，并在高溫高壓下凝結(jié)，使四周液體回流產(chǎn)生水力沖擊造成汽蝕，大大縮短循環(huán)泵的使用壽命。緩沖水箱則可以使系統(tǒng)內(nèi)壓力均衡，且將系統(tǒng)內(nèi)氣體源源不斷地匯集到緩沖水箱上部，通過排氣閥自動排出。因?yàn)榕艢饧皶r，系統(tǒng)壓力均衡，管道壽命也得到提升，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.5 清潔性能高，系統(tǒng)維護(hù)更加方便

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會因?yàn)樗|(zhì)問題產(chǎn)生大量水垢。一般為了避免水垢集聚，會在系統(tǒng)中安裝過濾器，但由于對過濾器頻繁的清洗和維護(hù)，增加了運(yùn)行成本。安裝緩沖水箱后，當(dāng)系統(tǒng)的液體回到水箱時，因?yàn)樗淙莘e相對較大，回水進(jìn)上入緩沖水箱時流速降低，水中雜質(zhì)和水垢等在重力作用下沉淀到水箱底部的儲污室，只需要在緩沖水箱底部安裝排污閥，排污速度就會非?？?，排污也比較徹底，從而降低了過濾器的清洗和更換頻次，也降低了運(yùn)行成本。

2.3 緩沖水箱的選擇

在空氣源熱泵中，緩沖水箱是非常重要的部件，應(yīng)根據(jù)不同建筑物的不同功能、不同的建筑面積及不同的地理位置，因地制宜地選取緩沖水箱的規(guī)格。農(nóng)村地區(qū)高層住宅較少，根據(jù)熱泵專業(yè)委員會水箱專委會的建議和北方農(nóng)村地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，北方空氣源熱泵供暖系統(tǒng)緩沖水箱的規(guī)格匹配如表1所示。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般農(nóng)村住宅建筑面積在120m2左右時，其空氣源熱泵系統(tǒng)建議使用80L的緩沖水箱。

表1 緩沖水箱匹配規(guī)格表

3 結(jié)語

研究表明，在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，僅設(shè)置傳統(tǒng)意義上的膨脹水箱往往是不夠的。結(jié)合空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的性能要求及運(yùn)行方式，當(dāng)系統(tǒng)水量較小時，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)增設(shè)緩沖水箱是十分必要的。本文根據(jù)工程實(shí)際，總結(jié)推薦了緩沖水箱的選用方法，這對于助推鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、加快空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在我國北方地區(qū)的應(yīng)用、減少霧霾天氣具有重要的意義。