全面剖析 | 热泵采暖制冷一、二次系统设计和安装的常见问题
在热泵商学院的课程提问环节，经常听到有学员向讲师提问——“一次系统和二次系统的优缺点分别是什么？”“在两联供系统中更适合一次系统还是二次系统？两者谁更节能？”“一次系统用屏蔽泵还是离心泵？”“二次系统中，水泵如何选型和控制？”……
这样的问题不一而足。热泵采暖的系统问题不是简单的“吃饭喝酒”，不是你说一次系统好或者二次系统好就真的如此，还需要理论支持和实践验证，不同的情况下可能有不同的答案。
一、一次系统的工作机理和特点
一次和二次系统的叫法是行业里面这么多年约定成俗的叫法，它并不是标准的叫法。
图1，所谓的一次系统就是热源端和负载端用同一个泵串联，用一股水流把热源端和负载端连起来，这种系统有时候也叫做直连式系统。
图2就很简单，很形象的把一次系统形象化，在整个供热系统里面一般可以分为四大块，热源部分、室内的末端部分、管路连接部分和控制系统部分，实际上一次系统是最简单的连接方式，把热源端和负载端直接相连。一次系统中，热源端和负载端的水流量是一样。
图3是一次系统中水温的示意图，水温在同一股水流就是在热源侧和末端侧循环。这里有两个数据需要留意一下，一是循环水的温差，热源端和负载端一变冷一边热，循环水的温差通常决定了热源端、末端和室内负载端的能力，能力越大，温差就越大，因此基本上温差就决定了能力。
另一个就是循环水的平均温度，水温要么往上要么往下，用这个方法来调节热源和负载端的热交换。因此系统运行的时候，就是通过这两个数据来进行自我调节，大部分的时候，只要系统的设计误差不是很大，那么系统是可以自我调节的。在这样的一个系统里面，系统的产热能力越大，进出水的温差就越大，平均的水温会更高，热源的温度也会随之增高。以上就是一次系统的工作情况。
在热源端产生的热量要么被负载端百分之百的消化，如果在同一个时刻，热源端和负载端并不是完全匹配，热源端消化不掉的热量就会储存在管道的水里面，这个时候整个系统的水温是往上升的，比如系统启动的时候，水温很低，负载端的热交换很差，而热源端的产热能力很大，因此平均水温就会上升。管道里面的水容量对于平衡整个系统产热和消耗热量是有作用的。
二、影响一次系统主机运行的主要因素
在热泵采暖和制冷系统中，通常要对接不同类型的室内负载，这也是热泵和其他热源显著不同的地方，比如中央空调通常只需要对接风盘，而热泵会对接地暖、风机盘管、散热片等等，以及其他辐射制冷的末端。当热泵对接不同末端的时候，作为设计师和安装师，就会有这样的问题，在稳定工作的情况下，系统会很高效吗？哪些因素会影响工作的效率？要回答这两个问题，还需要回归热泵本身的设计上。
热泵在设计的时候都会有一个工况，包括设计时候的环温、水流量、水温等等，热泵的最佳工作点都是在这个工况下来来进行调试的，它其实是一个变工况。水流量是热泵系统重要的参数，是每一个热泵系统中必须确定的设计工况，同样的输出能力，水流量不同，可能换热器大小的选型都不一样，蒸发温度和冷凝温度也都不一样，而这些因素都会影响热泵的运行。可以做一个简单的估算，如果水流量减少20％，蒸发和冷凝温度不变的话，蒸发器也许要增加20％-30％。在应用的时候都希望水流量是足的，运行的水流量是大于设计的水流量的，因为水流量偏小，会影响热泵的功耗。
在这样的思路指导下，做一次系统设计的时候，很难精确的计算出末端负载的阻力特性，特别是不同种类的末端，带有很多阀门、弯头和过滤器这些特征的时候。
因为这种设计倾向和考虑，在水泵选型的时候往往选大的，流量偏小，除了热泵的效率降低外，如果偏离太多，还会导致排气温度升高、高压保护等，甚至导致热交换器结冰或者冻坏。
为了保护机组，通常都会加一个水流开关，大部分使用的是把片式和压闸式，加了水流开关以后，对热泵机组来说是增加了保护，但是又带来了另外一个问题，当小流量的时候，怎样确保整个系统科学运行，比如室内末端只开一部分，怎样符合主机的要求？在一次系统里面，大的系统通常用压差旁通阀，小型系统里面可以不带阀门，让流量控制，也可以安装三通阀。
在采暖系统中，如果室内末端不使用的时候，不装阀门是可以的，起码没有什么危害，但是在制冷系统中，如果末端不开启，也不用阀门把水流截断，那么就会出现很严重的情况，会导致末端和相关的管路里面结露，而且不容易发现。
因此制冷系统中，如果室内末端不开，冷水最好也不经过管道和设备。在一次系统里面，为了保证系统的稳定性，水泵选项一般会偏大。
另外，末端系统变化的时候，一定要保证主机的流量。假设风盘系统全部用二通阀，当系统调试的时候是没有问题的，主机和末端的流量都是够的，水泵也是根据总的负荷来选。但是只开一个风盘的时候，水阻力会很大，主机的流量就会大打折扣，这样的情况下有可能导致主机的水流开关报故障。在一次系统里面，考虑到主机流量和末端负载变化后的流量的一致性，需要装三通阀或者压差旁通阀来解决。
三、一次系统的优点和缺陷
主机运行稳定后，机组是否能高效工作？在不能对负载末端水阻力进行精准计算的情况下，水泵偏大是通常的做法，但是会降低整个系统的能效比。
目前国家现行的热泵产品标准里面，水泵的功耗是不计算的，而在欧洲，水泵的功耗是计算进去的，特别是主机侧的水泵。对于产品的设计来说，既然国家有标准，那么就不会有人说产品不符合规范，但是对用户来说，水泵的功耗是整个系统功耗的一部分，甚至达到系统的30％，特别是针对中国的现状，很多房子很大，末端并不多，水泵长期出于大容量的空耗状态，一方面用户多花了钱，另一方面也会降低客户对产品的认可度。
在一次系统中，水流就是起到热交换媒介的作用，它所交换的热量和它交换过程中消耗的水泵功耗是有一个最佳平衡点的。目前，很多的研究还没有做到这么细，但是随着整机COP的提高，在水系统里面水泵的功耗和研究效率肯定会纳入研究的范围。
在温度不是很低的时候，水泵的节能性是很明显的，对于直连式系统而言，因为它是一股水流串通热源端的负载端，所以很难使水流在两端同时达到最佳的状态。
特别是工况不一样的时候，系统的换热量和阻力特性也是不一样的，比如在某一个工况下，热泵每小时需要3m³的流量，在这个状态下工作效率最佳，但是末端仅仅开启一个，只需要1 m³的流量，那么在直连式系统中是不能够同时满足这两个流量的，实际运行过程中水流量很可能是2 m³的流量，对两者而言都不是最佳的。
一次系统之所以有这么多人在用，肯定有它的优点，一是管道结构相对简单，只有一个泵；另一个是没有混水，从末端回来的水全部进入到主机。
四、二次系统的两大特点：缓冲水箱和两个循环泵
二次系统是针对一次系统存在的问题所提出的一种方案，特别是热泵应用里面，需要应对不同的末端，早期是暖气片，后来是风盘，到现在的地暖，不同的末端有不同的设计标准，比如散热器的供回水温差为20℃，供水温度是60℃，甚至70℃，而地暖的供回水温差是10℃，风盘的供回水温差是5℃。当一个项目里面有不同末端，设计的时候，采用多大的流量就值得思考。
在二次系统1和二次系统2里面略有区别，在二次系统1里面用了旁通管路的做法，而二次系统2里面就是最常见的做法，热源、水箱以及末端，其实二次系统还有一种做法是耦合式水系统。
无论哪一种做法，都有一个相同的特点，就是都有缓冲水箱作为热源端和负载端的公共连接，它的好处是即使负载端没有输出，热源端也不受影响。
第二个特点是有两个循环泵，第一个泵负责主机和水箱之间的循环，第二个泵负责水箱和末端负载之间的循环。这样的做法的一个缺点是多了一个水泵，而直连式系统只有一个水泵，因此想要系统节能，水泵的选型是很重要的，否则可能适得其反。
另一个缺点是成本增加了，多了一个水箱和一个水泵，增加的水箱和水泵到底值不值呢？热源产生的热量和负载端消耗的热量并不是相等的，二者之间也没有必然的关联，当热源产生的热量大于负载端消耗的热量的时候，多余的热量保存在管道的水里面，致使水温上升，直至主机停止工作。
相反，如果负载端消耗的热量大，热源产生的热量不足，就会消耗系统管道里面水的热量，因此管道里面的水容量大小其实对系统运行具有缓冲和平衡的作用。根据实验室的测试，一次性加热到位与分段式加热到位的能耗相差5％，这就说明缓冲水箱的蓄热作用是有帮助的。
反过来思考，没有一点蓄热的作用，当主机产生的热量大于负载端消耗的热量，这时候水温就会上升，最终导致停机，而停机后负载端还是在消耗热量，水温就会快速下降，那么主机就会频繁启停，既影响室内的舒适性，同时主机也增加了功耗。
五、缓冲水箱的作用及二次系统的优点
通过这个分析可以判断出增加的缓冲水箱是值得的，缓冲水箱除了蓄热和平衡系统稳定性的作用外，还有两个作用也是非常关键的。
一个是排气，在水系统里面，尽管装了自动排气阀，但是水系统是可以溶解气泡的，同时阀门也会有轻微的反应，利用缓冲水箱来排气是最可靠的，因为缓冲水箱本身是一个大容积。
水的气泡有两种，一是滞留在地面上，二是随着水流带走的，系统里面的回水进入到缓冲水箱，流速降低，气泡容易上升，而在缓冲水箱顶部装一个排气阀，这样一来，排气效果是很好的。气泡是威胁整个系统运行的重要因素，也是水系统中产生售后原因的关键点之一，因此缓冲水箱的作用是很大的。
第二个作用是排污，在所有的水系统里面使用的都是自来水，有的可能是经过净化的自来水，因为管件和阀门有轻微的反应和变化，难免会产生杂质，有了缓冲水箱就可以把这些杂质沉淀在里面，通过排污口排到外面。
在二次系统里面，还有一个好处，主机和水箱之前的管道大小、接口和阀门都是可以确定的，当配置一级泵的时候，其实可以确定它的水流量和阻力，那么选型就可以很精确，甚至可以要求水泵厂定向地调整水泵的性能和电机参数，以便整个系统达到效率最佳。
而水箱和末端之间的二级泵，需要根据各类末端的特点去选择相应合适的水泵。在安装现场，水阻力的估算取决于这几个因素，包括末端类型、阀门、弯头、管路长度、管径、层高等等，想要现场准确估算是很难的，在二级系统里面，二级水泵的选型不会影响主机的运行【热泵市场 水印】从节能的角度考虑，宁愿选小一点，因为大部分的时候系统是需要小流量运行的，特别是户式系统里面，因此水泵大小是足够的。
在现场调试和做售后故障排查的时候，二次系统也更加方便，一级系统中主机和末端是完全连接的，很难判断问题是出在热源侧还是末端侧，而在二次系统中，主机和缓冲水箱之间是可控的，因此更容易判断出问题出现的原因。如果做的更精确一点，可以让主机和末端分别以适合自己的状态来运行，这样可以降低整个系统的能耗，因此在二次系统里面，主机的一级泵由主机控制，末端的二级泵则由末端控制，但是真正实施起来必须要研究主机和末端的特性，而前提就是必须有一个缓冲水箱。
六、二次系统中水箱和水泵的选型
二次系统1里面，和缓冲水箱之间节省了一根管道，采用的是一根共管，主机和末端的回水连接，这根共管接在回水上，然后连接水箱，这种接法的作用是借鉴一次系统的一个优势（没有混水），这样做可以减少混水，系统回来的水直接去到热泵主机里面。
混水的损失也是可以估算的，比如供热系统，35℃的回水直接进入主机，结果和缓冲水箱混水了，温度变为36℃，其实对系统的效率是有影响的，热泵主机冷凝温度每升高1℃，它的效率会损失3％，所以在设计上面要尽可能减少混水。缓冲水箱的大小建议满足15分钟热泵主机运行的蓄能，这样一方面不至于水箱的体积过大，另一方面可以缓解热泵主机的频繁启动。
在户式采暖制冷系统中，想要有效地降低功耗，最好的方法是采用变频屏蔽泵，一是屏蔽泵的效率高，普通水泵的效率在20％左右，而屏蔽泵可以达到70％以上；二是变频泵可以有效地防止冷凝水，在制冷系统中，冷凝水对泵的损坏是很明显的。当然，如果用离心泵这个问题是不存在的，但是在家庭采暖制冷系统中，由于噪音影响，是不建议用的。
版权：本文内容来自本微的热泵商学院千聊直播间，主讲人童风喜，中山市爱美泰电器有限公司总经理。原课题：剖析热泵采暖制冷一、二次系统的设计和安装的八大问题。
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