农村空气源热泵供暖中膨胀水箱的选择

■ 张静茹 ZHANG Jingru 李永安 LI Yongan

0 引言

近年来，雾霾等环境污染问题成为民生热点，而北方地区农村住宅建筑供暖所用燃煤带来的污染物超排问题，则是雾霾的主要成因之一[1]。在中央财经领导小组第十四次会议上，习近平总书记指出：“推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。” 因此，加快我国北方地区清洁能源的改造进程，是紧跟国家政策需要，实施乡村振兴战略的重要举措。

从目前笔者调研的情况来看，在“煤改电”背景下，空气源热泵供暖系统由于其清洁、方便、节能的特点，在农村住宅建筑中应用最多。膨胀水箱则作为供暖系统的重要组成部分，对保证供暖系统稳定可靠的运行起到了至关重要的作用。因此，合理选择膨胀水箱，具有重要意义。

1 传统膨胀水箱的作用与选择

1.1 膨胀水箱的组成

膨胀水箱一般由钢板制成，通常为矩形或者是圆形，其上连有膨胀管、溢流管、信号管、排水管及循环管等管路[2]（图1）。

1.2 膨胀水箱的作用

1.2.1 定压

图1 供热系统图

膨胀水箱可收集系统因水加热膨胀而增加的水容积，防止系统中的压力升高，管道和供暖设备超压，防止系统损坏。

膨胀水箱安装在供暖区最高建筑物的屋面上，或者是和该高度相同的水塔和钢支架上。其水箱多为与大气相通的开式水箱，膨胀管连接在靠近循环水泵的吸入口的回水总管上，使供暖区域建筑物采暖系统中，各点在运行工作时的压力均大于大气压力，不会出现负压也不会使供暖系统中的热水被汽化。可见膨胀水箱在热水供暖系统中可以起到定压作用，不会使大气中的空气进入系统中来。由于膨胀水箱和系统的连接处为定压点，因此，膨胀水箱接于系统的不同位置，可以直接改变系统内水的压力分布。

1.2.2 排气

膨胀水箱为供暖系统的最高点，可以在自然循环的作用下排除水系统中的空气[3]。

1.2.3 补水

膨胀水箱还起着控制系统内水位和补水的作用。膨胀水箱可以通纳因受热膨胀而多出的水容积，也可以补充因为系统泄露而引起的缺水量。水箱上安装有控制水位的控制装置，维持正常水位。当水位达到水位控制装置下限值时，自动启动水泵进行补水，当补水达到自动控制上限值时，自动停止补水[4]。

1.3 膨胀水箱的容积计算

膨胀水箱的容积可按下式计算：

式中，Vp—膨胀水箱的有效容积（即由信号管到溢流管之间的容积），单位：L；

α—水的体积膨胀系数，α=0.0006，1/℃；

Vc—系统内的水容量，单位：L。

Δtmax—考虑系统内水受热和冷却是水温的最大波动值，一般以 20℃水温算起。

空气源热泵供暖时，一般水温约由20℃上升到60℃，水温波动范围为40℃。则该式可以简化为：

Vp=0.024Vc

2 农村住宅中的膨胀水箱

2.1 传统膨胀水箱的不适用性

（1）农村住宅中，“煤改电”供暖系统继续沿用传统的膨胀水箱，由于环路中的循环水量有限，在机组启动后很短暂的时间内就达到水温底线，使得机组停止工作；然后又会在很短暂的时间内，水温再次达到机组的启动条件，使机组开始启动。频繁的启动机组将大大缩短机组的使用寿命且浪费电能。

（2）机组运行中，继续使用传统膨胀水箱不但会使系统一直处于高负荷运行状态，故障率很高，而且在除霜时，系统会停止工作，无法正常供暖[5]。机组一直处于高负荷状态，系统因压力偏高等不稳定运行现象将会导致系统启动压力保护，出现系统停机频繁、末端使用或冷或热、热能供应无法连续、管路渗漏等现象，大大缩短了机组的使用寿命。

（3）系统在运行过程中，因高温和进入循环泵流速的增加，系统中的部分液体会汽化，这属于正常现象。但如果系统中仍然使用传统膨胀水箱，则系统中的气体得不到集聚，势必会在系统管路中停留，如果进入循环泵，在高温高压下，气体必然凝结。在这个时候，四周的液体必然来补充凝结的区域，造成可怕的水力冲击。这种冲击对循环泵内部的机构打击很大，也就是我们常说的水泵汽蚀，一旦发生这种状况，流量开关会经常报警，使系统经常停止工作，大大缩短循环泵的使用寿命。

（4）系统管路一般采用薄壁铜管、薄壁不锈钢管、塑料热水管、塑料与金属复合管材等等。不管采用何种材料，系统在运行过程中都会不同程度地产生高温高压，在这种情况下，系统中的管路收缩频次非常高，为了能够及时排气，对于众多没有安装缓冲水箱的系统，要在各个不同区域安装多个排气阀。

2.2 缓冲水箱的优势

2.2.1 储能与节能

缓冲水箱可以把经热泵机组加热后的热水源源不断地恒温储存在水箱里，以贮存能量[6]；且缓冲水箱的水容量根据不同采暖面积的使用要求量身定做，以满足不同时段不同用户的需求。运行的原理是水箱内的测温探头进行控制工作，当缓冲水箱温度达到设定温度之后，热泵系统便自动停止工作，其采暖末端的水来自于水箱内存储的高温水。当缓冲水箱温度低于设定值之后，热泵系统就会继续工作，这大大减少了热泵系统的工作负荷和启动频率，保证了系统在工作压力内的稳定运行，达到节能目的。

2.2.2 缓冲性能

在空气源热泵供暖系统中，使用缓冲水箱，使水流先通过水箱，在水箱内释放部分运行压力。水箱的超强承压性能完全能够吸收和缓解系统运行所产生的循环压力，保证了系统管路内水力均衡，有效防止了冲击产生的高压和高温膨胀导致的采暖管路炸裂问题，延长了机组的使用寿命。同时，以水箱为中间载体，将整个采暖系统分成两个独立系统，即主机和缓冲水箱供热循环系统，以及缓冲水箱对建筑的供热系统。两套系统水泵独立运行，制热和放热互不干扰；同时，设置合理的补水口和回水口，使得系统采暖连续性更强，供热更加均衡。

2.2.3 稳定性能，避免除霜时水温剧变

空气源热泵系统在冬季运行时，由于空气侧换热器表面温度较低、湿度较大，换热器表面容易结霜。在启动化霜系统的过程中，采暖系统末端水温急剧下降，影响了采暖性能。但若采用缓冲水箱的供暖系统，当启用化霜系统时，缓冲水箱内存储的热水量就可以满足用户末端的循环，以维持整个系统的稳定，提高供热的舒适性[7]。

2.2.4 对循环泵和管路的保护功能

供暖系统如果不安装缓冲水箱，系统内气体无法集聚而在系统管路内逗留进入循环泵，并在高温高压下凝结，使四周液体回流产生水力冲击造成汽蚀，大大缩短循环泵的使用寿命。缓冲水箱则可以使系统内压力均衡，且将系统内气体源源不断地汇集到缓冲水箱上部，通过排气阀自动排出。因为排气及时，系统压力均衡，管道寿命也得到提升，保证了系统的稳定运行。

2.2.5 清洁性能高，系统维护更加方便

系统运行过程中，会因为水质问题产生大量水垢。一般为了避免水垢集聚，会在系统中安装过滤器，但由于对过滤器频繁的清洗和维护，增加了运行成本。安装缓冲水箱后，当系统的液体回到水箱时，因为水箱容积相对较大，回水进上入缓冲水箱时流速降低，水中杂质和水垢等在重力作用下沉淀到水箱底部的储污室，只需要在缓冲水箱底部安装排污阀，排污速度就会非常快，排污也比较彻底，从而降低了过滤器的清洗和更换频次，也降低了运行成本。

2.3 缓冲水箱的选择

在空气源热泵中，缓冲水箱是非常重要的部件，应根据不同建筑物的不同功能、不同的建筑面积及不同的地理位置，因地制宜地选取缓冲水箱的规格。农村地区高层住宅较少，根据热泵专业委员会水箱专委会的建议和北方农村地区空气源热泵供暖系统的实际应用情况，北方空气源热泵供暖系统缓冲水箱的规格匹配如表1所示。根据工程实践经验，一般农村住宅建筑面积在120m2左右时，其空气源热泵系统建议使用80L的缓冲水箱。

表1 缓冲水箱匹配规格表

3 结语

研究表明，在空气源热泵供暖系统中，仅设置传统意义上的膨胀水箱往往是不够的。结合空气源热泵供暖系统的性能要求及运行方式，当系统水量较小时，空气源热泵供暖系统增设缓冲水箱是十分必要的。本文根据工程实际，总结推荐了缓冲水箱的选用方法，这对于助推乡村振兴战略、加快空气源热泵供暖系统在我国北方地区的应用、减少雾霾天气具有重要的意义。