摘要：本文主要对地源热泵系统冬夏季节切换的设计原理，实施方法，分析对比了各实施方法的主要特点，并推荐一种新型阀门设置方法，针对该新型设置方法的合理性、经济性等进行了较详细的说明，为后续类似工程设计提供参考数据。
关键词：冬夏转换阀门；四通换向阀；地源热泵；系统设计
引言
空调系统诞生之初时只能实现制冷功能，随着生活水平的的不断提高，能否实现一台空调主机既能制冷又能制热成为了人们探讨的方向，于是各种热泵技术应运而生。目前市面上实现一机双制主要有两种方式：一种是空调主机内置四通换向阀进行季节切换，另一种是通过在系统管路上设置相应的阀门，通过不同时段阀门的开关转换实现季节切换，这些实现季节切换功能的阀门我们统一称为冬夏转换阀门。针对大型地源热泵空调系统，目前在制冷制热模式调整切换时主流做法是通过冬夏转换阀门进行季节切换，而冬夏切换阀门如何设置个人认为有必要进行探讨，在此基础上，结合个人参与过的一些大型地源热泵空调系统项目经验，提出在冬夏转换阀门设置上面的一点浅见，为类似工程设计施工提供借鉴。
1、热泵系统季节切换方式现状
在目前空调领域统称的热泵机组是指既能实现制冷功能又能实现制热功能的空调主机，通常在夏季时需要制冷，而冬季时需要制热，同一台空调主机要实现这两种功能需求，就需要在对应的时间段进行模式转换，这种模式转换我们俗称为冬夏季节转换，而如何实现这种转换就需要从空调系统的原理进行着手。
图1：中央空调系统原理图
上图为中央空调系统原理图，从该图可知，空调系统分为三个循环系统，即空调主机内循环（也称制冷剂循环）、用户端循环、散热端循环。由于制冷制热功能为用户端使用需求，用户端需要制冷时需要与蒸发器进行热交换，而用户端需要制热时需要与冷凝器进行热交换，因此，要实现制冷制热功能的切换就是切换蒸发器或冷凝器与用户端连接即可。在目前的空调行业中，小型热泵系统（包括家用分体空调）通常采用主机内置四通换向阀改变制冷剂流向从而达到切换蒸发器与冷凝器的位置，而在大型中央空调热泵系统中，我们通常采用在用户侧与蒸发器和冷凝器连接的管路上设置转换阀门来实现切换蒸发器与冷凝器的位置。
2、热泵系统季节切换方式特点分析
根据上述介绍可知，空调系统实现冬夏切换主要有两种方式，可概括为机组内切换或机组外管路切换，这两种方式其主要特点分别为：
冬夏切换方式特点对比表
由于四通换向阀设置在机组内部，其作用范围只针对机组内循环，需机组制造厂家设计时考虑，本文不做讨论。而冬夏转换阀门设置方式涉及到用户端循环及散热端循环运转，这两个循环都由相应循环水泵提供动力，其选型及设置需工程人员进行系统设计时考虑。本文重点探讨冬夏转换阀门设置位置对系统的影响。
3、目前冬夏转换阀门设置可能导致的问题分析
我国目前大型中央空调热泵系统以地源热泵系统为主，其季节切换方式采用冬夏转换阀门实现，其冬夏转换阀门设置原理均为通过改变阀门开关状态，夏季时使用户端水泵水流通过地源热泵机组蒸发器放出热量，散热端水泵水流通过地源热泵机组冷凝器吸取热量；冬季时使用户端水泵水流通过地源热泵机组冷凝器吸取热量，散热端水泵水流通过地源热泵机组蒸发器放出热量。
以某大型地源热泵空调系统设计为例，其地源热泵机组制冷量1302kW，制热量1446kW。配套选型的用户端循环水泵（CHWP1-01）参数为水流量274m3/h，扬程24m，散热端循环水泵（GSWP-01）参数为水流量310 m3/h，扬程48m，8个冬夏转换阀门（VR1b~VR8b）设置在循环水泵与地源热泵机组之间的连接管路上，其系统原理图如下图2所示：
图2：某地源热泵空调系统原理图
夏季制冷运行时通过蒸发器的水流为用户端循环水泵进行驱动，通过冷凝器的水流为散热端循环水泵进行驱动，而冬季制热运行时通过蒸发器的水流为散热端循环水泵进行驱动，通过冷凝器的水流为蒸发器循环水泵进行驱动。该系统投入运行后，夏季制冷运行时系统运转良好，没有出现任何问题，而经过冬夏转换阀门切换转入冬季制热运行不久后出现蒸发器铜管破裂，系统无法继续运转。经检查分析，冬季制热运行时，蒸发器实际通过水流量为310m3/h，超过蒸发器额定水流量223.9m3/h约39.3%，导致蒸发器长时间过流量运行，对铜管进行冲刷，最终形成蒸发器铜管破裂。而经过调查分析，该系统问题并非个案，在实际运行过程中，类似问题时有发生，究其原因主要是冬夏转换阀门切换后，导致通过蒸发器及冷凝器的循环水泵也进行了切换，而蒸发器及冷凝器循环水泵流量不匹配造成了上述问题。
4、冬夏转换阀门设置调整建议
为了解决上述问题，目前通常的做法是通过自控系统变频调节循环水泵的运行状态，使通过蒸发器的实际循环水流量在蒸发器允许流量范围内。由于空调自控系统造价昂贵，且不属于系统必需配置，在实际施工时常有业主方为节省投资而未实施空调自控变频调节，造成上述问题，从而影响地源热泵系统的正常运行，对地源热泵空调行业声誉造成较大影响。因此，为了降低系统风险，同时降低造价，个人经过思考分析，建议从冬夏转换阀门设置位置着手，在系统设计时，将冬夏转换阀门设置在循环水泵前端，即夏季时用户端水流通过用户端水泵进入蒸发器，散热端水流通过散热端水泵进入冷凝器；而冬季时用户端水流通过散热端水泵进入冷凝器，散热端水流通过用户端水泵进入蒸发器；避免蒸发器及冷凝器循环水泵流量互相不匹配。这样冬夏转换阀门设置调整后，上述案例的系统原理图调整如下：
图3：某地源热泵空调系统原理图调整
经过调整后，用户端水泵始终流经蒸发器，散热端水泵始终流经冷凝器，在系统设计时，避免了因季节切换导致蒸发器及冷凝器循环水泵流量互相不匹配，增强了系统的稳定性，在地源热泵系统没有配备自动控制系统时，仍能避免空调主机蒸发器超流量运行，也保证了用户端使用温差及使用效果，尤其适用于蒸发器及冷凝器对应水泵参数相差较大时。由于上述调整没有增加切换阀门，只是进行位置调整，未对系统带来额外投资，如果预算有限时，可以考虑节省部分自动控制功能，对空调系统稳定性也不会产生太大影响。因此，上述冬夏转换阀门设置调整节省了项目初投资，产生了一定的经济效益，希望能对后续地源热泵系统设计提供一定借鉴。
论文作者:兰垒
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/8
标签：蒸发器论文; 水泵论文; 阀门论文; 冷凝器论文; 系统论文; 水流论文; 源热泵论文; 《基层建设》2019年第23期论文;