農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，霧霾等環境污染問題成為民生熱點，而北方地區農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]。在中央財經領導小組第十四次會議上，習近平總書記指出：“推進北方地區冬季清潔取暖，關系北方地區廣大群眾溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容。要按照企業為主、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，加快我國北方地區清潔能源的改造進程，是緊跟國家政策需要，實施鄉村振興戰略的重要舉措。

從目前筆者調研的情況來看，在“煤改電”背景下，空氣源熱泵供暖系統由于其清潔、方便、節能的特點，在農村住宅建筑中應用最多。膨脹水箱則作為供暖系統的重要組成部分，對保證供暖系統穩定可靠的運行起到了至關重要的作用。因此，合理選擇膨脹水箱，具有重要意義。

1 傳統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 供熱系統圖

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

膨脹水箱安裝在供暖區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水泵的吸入口的回水總管上，使供暖區域建筑物采暖系統中，各點在運行工作時的壓力均大于大氣壓力，不會出現負壓也不會使供暖系統中的熱水被汽化?？梢娕蛎浰湓跓崴┡到y中可以起到定壓作用，不會使大氣中的空氣進入系統中來。由于膨脹水箱和系統的連接處為定壓點，因此，膨脹水箱接于系統的不同位置，可以直接改變系統內水的壓力分布。

1.2.2 排氣

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

1.2.3 補水

膨脹水箱還起著控制系統內水位和補水的作用。膨脹水箱可以通納因受熱膨脹而多出的水容積，也可以補充因為系統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。當水位達到水位控制裝置下限值時，自動啟動水泵進行補水，當補水達到自動控制上限值時，自動停止補水[4]。

1.3 膨脹水箱的容積計算

膨脹水箱的容積可按下式計算：

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，α=0.0006，1/℃；

Vc—系統內的水容量，單位：L。

Δtmax—考慮系統內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 農村住宅中的膨脹水箱

2.1 傳統膨脹水箱的不適用性

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

（2）機組運行中，繼續使用傳統膨脹水箱不但會使系統一直處于高負荷運行狀態，故障率很高，而且在除霜時，系統會停止工作，無法正常供暖[5]。機組一直處于高負荷狀態，系統因壓力偏高等不穩定運行現象將會導致系統啟動壓力保護，出現系統停機頻繁、末端使用或冷或熱、熱能供應無法連續、管路滲漏等現象，大大縮短了機組的使用壽命。

（3）系統在運行過程中，因高溫和進入循環泵流速的增加，系統中的部分液體會汽化，這屬于正?，F象。但如果系統中仍然使用傳統膨脹水箱，則系統中的氣體得不到集聚，勢必會在系統管路中停留，如果進入循環泵，在高溫高壓下，氣體必然凝結。在這個時候，四周的液體必然來補充凝結的區域，造成可怕的水力沖擊。這種沖擊對循環泵內部的機構打擊很大，也就是我們常說的水泵汽蝕，一旦發生這種狀況，流量開關會經常報警，使系統經常停止工作，大大縮短循環泵的使用壽命。

（4）系統管路一般采用薄壁銅管、薄壁不銹鋼管、塑料熱水管、塑料與金屬復合管材等等。不管采用何種材料，系統在運行過程中都會不同程度地產生高溫高壓，在這種情況下，系統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，要在各個不同區域安裝多個排氣閥。

2.2 緩沖水箱的優勢

2.2.1 儲能與節能

緩沖水箱可以把經熱泵機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。運行的原理是水箱內的測溫探頭進行控制工作，當緩沖水箱溫度達到設定溫度之后，熱泵系統便自動停止工作，其采暖末端的水來自于水箱內存儲的高溫水。當緩沖水箱溫度低于設定值之后，熱泵系統就會繼續工作，這大大減少了熱泵系統的工作負荷和啟動頻率，保證了系統在工作壓力內的穩定運行，達到節能目的。

2.2.2 緩沖性能

在空氣源熱泵供暖系統中，使用緩沖水箱，使水流先通過水箱，在水箱內釋放部分運行壓力。水箱的超強承壓性能完全能夠吸收和緩解系統運行所產生的循環壓力，保證了系統管路內水力均衡，有效防止了沖擊產生的高壓和高溫膨脹導致的采暖管路炸裂問題，延長了機組的使用壽命。同時，以水箱為中間載體，將整個采暖系統分成兩個獨立系統，即主機和緩沖水箱供熱循環系統，以及緩沖水箱對建筑的供熱系統。兩套系統水泵獨立運行，制熱和放熱互不干擾；同時，設置合理的補水口和回水口，使得系統采暖連續性更強，供熱更加均衡。

2.2.3 穩定性能，避免除霜時水溫劇變

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

2.2.4 對循環泵和管路的保護功能

供暖系統如果不安裝緩沖水箱，系統內氣體無法集聚而在系統管路內逗留進入循環泵，并在高溫高壓下凝結，使四周液體回流產生水力沖擊造成汽蝕，大大縮短循環泵的使用壽命。緩沖水箱則可以使系統內壓力均衡，且將系統內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。因為排氣及時，系統壓力均衡，管道壽命也得到提升，保證了系統的穩定運行。

2.2.5 清潔性能高，系統維護更加方便

系統運行過程中，會因為水質問題產生大量水垢。一般為了避免水垢集聚，會在系統中安裝過濾器，但由于對過濾器頻繁的清洗和維護，增加了運行成本。安裝緩沖水箱后，當系統的液體回到水箱時，因為水箱容積相對較大，回水進上入緩沖水箱時流速降低，水中雜質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，排污速度就會非常快，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，應根據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格。農村地區高層住宅較少，根據熱泵專業委員會水箱專委會的建議和北方農村地區空氣源熱泵供暖系統的實際應用情況，北方空氣源熱泵供暖系統緩沖水箱的規格匹配如表1所示。根據工程實踐經驗，一般農村住宅建筑面積在120m2左右時，其空氣源熱泵系統建議使用80L的緩沖水箱。

表1 緩沖水箱匹配規格表

3 結語

研究表明，在空氣源熱泵供暖系統中，僅設置傳統意義上的膨脹水箱往往是不夠的。結合空氣源熱泵供暖系統的性能要求及運行方式，當系統水量較小時，空氣源熱泵供暖系統增設緩沖水箱是十分必要的。本文根據工程實際，總結推薦了緩沖水箱的選用方法，這對于助推鄉村振興戰略、加快空氣源熱泵供暖系統在我國北方地區的應用、減少霧霾天氣具有重要的意義。