上海地區(qū)空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)應(yīng)用研究

1、上海地區(qū)空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)應(yīng)用研究摘要：空氣源熱泵作為冷熱源的系統(tǒng)既解決了夏季空調(diào)的需要，又可在冬季提供舒適的溫水地板采暖。本實驗研究以上海地區(qū)的一棟獨立別墅住宅為對象，經(jīng)過采暖期中一個月的實測，系統(tǒng)地測得了空氣源熱泵地板采暖的特性參數(shù)和運行能耗數(shù)據(jù)，把握了空氣源熱泵地板采暖的運行規(guī)律。本文基于實測數(shù)據(jù)，對上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟性分析。 關(guān)鍵詞：地板輻射采暖 冷熱源 風冷熱泵 1 引言我國上海地區(qū)地處夏熱冬冷地區(qū)，日平均氣溫低于5的天數(shù)將近60天。不設(shè)采暖空調(diào)時，冬季室內(nèi)溫度低于熱環(huán)境衛(wèi)生學下限標準，影響工作生活和健康。由于該地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，不但在

2、夏季采用空調(diào)制冷已經(jīng)相當普遍，而且對冬季的采暖需求也日趨增強?？諝庠礋岜孟募究芍评洌究商峁┑蜏責崴?。但冬季的低溫熱水在傳統(tǒng)的空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中難以發(fā)揮出令人滿意的采暖效果，而低溫熱水（一般在40-45左右）理論上卻恰好滿足地板輻射采暖系統(tǒng)的需要，從而有可能使能源得到梯級利用，提高能源的利用效率。同時將夏季供冷和冬季供熱系統(tǒng)進行了合理整合。這樣的系統(tǒng)形式雖然已經(jīng)在北方地區(qū)得到應(yīng)用，但對于在不同地區(qū)的適用性尚有待研究。對地板輻射采暖的研究在最近幾年得到展開，從傳熱模型的建立到實驗室測定，也有一些地區(qū)的實際住宅的實測報告。大多數(shù)研究重點在對系統(tǒng)傳熱特性的研究上。然而系統(tǒng)的實際運行效果及運行經(jīng)濟性

3、與熱源方式，建筑圍護結(jié)構(gòu)，地區(qū)氣候，居住習慣等諸多因素有關(guān)，系統(tǒng)的適用性尚有待進一步的考察驗證。為此，筆者于2003年冬季對上海地區(qū)的一幢獨立別墅住宅進行采暖期間的現(xiàn)場測試，系統(tǒng)地測得了空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的特性參數(shù)，分析了在上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟的可行性。2 實驗概要測試對象的住宅為上海地區(qū)的一幢三層別墅，建筑面積約280 m，地板采暖面積為164m（總敷設(shè)率約為59%，對象房間敷設(shè)率接近100%）,地面裝飾材料為實木復(fù)合地板。墻體為厚240mm的空心磚墻（未做保溫），窗戶為鋁合金中空雙層玻璃窗。地板采暖采用濕式施工（混凝土預(yù)埋管），埋管采用PEX管，管徑規(guī)格

4、為12/16mm（內(nèi)徑/外徑），雙回型布置，管間距150mm。本實驗重點考察了位于住宅中位于二層的一間臥室，房間約14 m，有南北東三面外墻，一面內(nèi)墻，南，北面各有一扇外窗。如圖1，圖2示。系統(tǒng)采用空氣源熱泵作為冷熱源，夏季空調(diào)（水-空氣式）和冬季供暖（輻射地板采暖）整合為一個系統(tǒng)（圖3）。本實驗對地板，室內(nèi)溫度，室外溫度，維護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，供回水溫度，水流量，機組耗電量進行了測試，所有數(shù)據(jù)能實時觀察和自動記錄。圖1 測試對象房間埋管及測點布置平面圖Fig.1 Plane figure of heating pipe and test point 圖2 測試對象房間斷面圖Fig.2 Sect

5、ional drawing of room and test point3.1 空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的熱泵主機特性空氣源熱泵冬季制熱供水溫度低，不足以滿足傳統(tǒng)的熱風系統(tǒng)熱交換的需要，一些產(chǎn)品則只好添置電加熱器助力。顯然這不符合節(jié)能高效原則。圖2目前國內(nèi)常見的溫水循環(huán)式地板輻射采暖系統(tǒng)熱源以壁掛式熱水鍋爐為主，在北方采用城市熱網(wǎng)集中供暖的地方可通過板式水-水換熱器換熱降溫后提供采暖溫水，但這些都是屬于高品位熱源的利用，而空氣源熱泵在冬季制熱工況下的供水溫度正好吻合地板輻射采暖的條件。把握空氣源熱泵的溫水循環(huán)及傳熱特性對于空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。圖3 風冷熱泵空調(diào)/地板采暖系統(tǒng)示意

6、圖 Fig.3 Schematic drawing of floor heating system with air source heat pump泵地板采暖的供回水溫度變化特性，測試時室外氣溫約為0.3，熱泵開機后，系統(tǒng)供回水溫度逐漸升高，經(jīng)過4.5小時，供水溫度達到45，回水溫度達到35。開機后供回水溫差很快達到9.3，并穩(wěn)定下來呈周期性的變化。實驗測得該熱泵機組的除霜間隔時間為45分鐘，除霜時間很短，約為23分鐘。除霜時，四通閥換向，進入制冷工況，室外風機停轉(zhuǎn)，壓縮機排氣直接進入翅片管換熱器，除去翅片表面的霜，供水溫度迅速降低（圖中供水溫度瞬間低于回水溫度是由于除霜反向運行所致）。雖然

7、除霜時供水溫度明顯降低，但室溫及地板表面溫度下降幅度小，表明除霜期間對地板采暖效果影響不大，主要是因為除霜時間短，而溫水式地板采暖的熱容性較大。圖4 熱泵系統(tǒng)供回水溫度特性Fig.4 Performance of water system of air source heat pump圖5 燃氣爐熱源系統(tǒng)供回水溫度特性Fig.5 Performance of water system of gas furnace 筆者對燃氣爐熱源方式的供水情況也進行了對比考察，結(jié)果是：燃氣爐供水溫度迅速達到設(shè)定值，回水溫度逐漸上升，供回水溫差有一個先增加再減小的過程（圖中供回水溫差較大是由于采用了不同于傳統(tǒng)埋

8、管方式的板狀散熱結(jié)構(gòu)的地板采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實驗內(nèi)容另撰文介紹）。風冷熱泵供水溫度漸近上升的特征在一定程度上影響了地板的快速預(yù)熱能力及供暖能力?？諝庠礋岜眯枰扇〕刂苼肀ＷC系統(tǒng)在濕冷的氣候條件下正常運行，一般說來，當室外的相對濕度大于50時，氣溫在-17左右最容易結(jié)霜1。筆者通過測試發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵機組隨室外溫度的變化，出現(xiàn)了三種工況并影響供水模式： 發(fā)生除霜的連續(xù)運行當室外溫度較低，低于5.5左右時，機組按這種方式運行，除霜周期為45分鐘，除霜時間為23分鐘，雖然除霜時間很短，但除霜還比較干凈。室外溫度較高時，除霜周期變長，除霜周期為4560分鐘。 無除霜連續(xù)運行隨著室外溫度的升高（5.

9、57.5），室外盤管的溫度一直高于除霜設(shè)定的下限值，此時熱泵機組不需要除霜，機組連續(xù)運行。 過熱保護間歇運行圖6 空氣源熱泵的三種供水模式Fig.6 Three supplying water models of air source heat pump圖7 室內(nèi)環(huán)境條件（室外7.3,運行8小時后）Fig.7 Indoor environment of floor heating system 當室外溫度繼續(xù)升高到7.5左右時，供水溫度達到50左右，出于對機組的保護，主機會自動停機，循環(huán)水泵仍工作，等供水溫度下降達到40左右以后，主機又開始工作，如此間歇運行，間歇周期不定，隨室外溫度升高，周期

10、變短，由于地板采暖對水溫不敏感，為了不讓機組頻繁開關(guān)機，可以讓水溫的下限設(shè)定值更低一點，加大調(diào)節(jié)幅度。由于室外溫度不同，從而導致熱泵供水模式的不同，雖然圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱作用對溫度波有較大的衰減，但是室外溫度的降低還是引起室內(nèi)溫度的明顯降低。筆者經(jīng)過長達一個月的采暖工況測試，取幾次典型測試結(jié)果，以說明不同室外溫度時，室內(nèi)溫度的差異，結(jié)果見表1。表1 室外溫度對房間溫度的影響 Table 1 Effect of out air temperature to Indoor temperature 測試日室外溫度（）開機運行時間（小時）地板表面平均溫度（）室內(nèi)空氣溫度（）非采暖房室溫（）1月25日2.8

11、1321.615.72月13日5.2520.816.613.02月1112日7.3822.617.412.92月13日13.21325.818.814.3表1中，比較1月25日（室外溫度2.8）與2月13日（室外溫度5.2），地板表面溫度的測試值前者高于后者，原因是其開機運行的時間后者較短，還沒有達到穩(wěn)定工況。1月25日和2月13日的測試均是開機13小時后所測結(jié)果，此時地板采暖系統(tǒng)已基本穩(wěn)定。從2月1112日和2月13日的測試結(jié)果看，地板采暖房比非采暖房室溫高4.5左右。3.2 風冷熱泵為熱源的溫水式地板采暖效果及其影響因素分析針對風冷熱泵的供回水溫度特性對地板采暖系統(tǒng)的供熱能力的影響問題，筆

12、者通過長期的測試進行了探討，發(fā)現(xiàn)當室外氣溫在213變化時，空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度基本上處在15.519，地板表面平均溫度基本上處在2024，溫熱感偏低。圖7，表2所列數(shù)據(jù)為熱泵開機運行8小時后所測。 表2空氣源熱泵地板采暖效果able 2 Heating effect of floor heating system with air source heat pump 室外溫度（）室內(nèi)溫度（）地板表面平均溫度（）地板表面最大溫差（）平均輻射溫度（）實感溫度（）地板總散熱量（W/m）地板向上散熱量（W/m）地板向上散熱比例7.317.422.6316.917.294.454.558注：上

13、表中的地板向上發(fā)熱量采用ASHRAE算法【2】計算。影響該系統(tǒng)的采暖效果的因素是多方面的，不僅和熱泵的供水特性有關(guān)，如供水溫度和流量，還和地板構(gòu)造有關(guān)，如管徑，管間距，構(gòu)造層厚度，地面敷設(shè)材料，保溫材料和厚度。此外，不容忽視的是圍護結(jié)構(gòu)的保溫性的優(yōu)劣程度嚴重影響了地板采暖系統(tǒng)的效果，特別是外墻和外窗的比例較大（如獨立別墅）的住宅。筆者在測試中發(fā)現(xiàn)，有三面外墻的房間室內(nèi)溫度為15.5，同樓的只有兩面外墻的房間室內(nèi)溫度為16.8，溫度要高1.3，可見圍護結(jié)構(gòu)對地板采暖效果影響很大。另外，從表2的數(shù)據(jù)得知，室內(nèi)平均輻射溫度（地上1.1m）低于該點的空氣溫度，從表1得知，但室外氣溫降到3以下時室內(nèi)溫度

14、將難以達到冬季室內(nèi)溫度設(shè)定下限值（16）。這是因為室內(nèi)外墻多且圍護結(jié)構(gòu)未做保溫，導致室內(nèi)并未完全形成輻射采暖應(yīng)具有的熱舒適環(huán)境。所以，采用地板采暖系統(tǒng)的建筑應(yīng)該執(zhí)行夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能規(guī)范，對外墻做保溫處理。這樣的問題應(yīng)得到重視和研究。 對于空氣源熱泵地板采暖，由于室外溫濕度會影響熱泵除霜特性，進而影響供水溫度特性和COP，因此，室外溫濕度對空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的影響要大于其他熱源方式的地板采暖系統(tǒng)。上述中的眾多影響因素綜合作用決定了地板采暖的效果。熱源方式和運行方式，建筑圍護結(jié)構(gòu)（保溫），供回水溫度，地板表面溫度，室溫和圍護結(jié)構(gòu)的各內(nèi)表面溫度，這些因素之間相互影響和作用，形成復(fù)雜的傳熱及耦合過

15、程，限于篇幅，筆者將在別篇通過實驗和數(shù)值模擬詳細討論這個問題。一般來說間歇運行條件下低溫熱水地板采暖系統(tǒng)預(yù)熱時間較長，本系統(tǒng)在開機的前5個小時內(nèi)，有效發(fā)熱量與時間基本上呈二次曲線關(guān)系（圖9）。當室外溫度較低時，開機后11小時，回水溫度才穩(wěn)定，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)（圖10）。預(yù)熱時間較長的特性在一定程度上限制了地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用，即使采用不同的熱源方式，例如間歇運行條件下的電熱水鍋爐的地板采暖系統(tǒng)預(yù)熱時間一般也需要1011小時【3】。地板采暖系統(tǒng)的預(yù)熱時間的短縮將成為地板采暖推廣應(yīng)用的一個要素。圖8 空氣源熱泵地板采暖預(yù)熱特性Fig.8 Warming-up performance of floor

16、 heating system with air source heat pump圖9 空氣源熱泵地板采暖預(yù)熱時間Fig.9 Warming-up time of floor heating system with air source heat pump 從圖10，圖11看出，對于空氣源熱泵地板采暖，在開機后的前5個小時內(nèi)，地板溫升和室溫溫升與時間的關(guān)系基本上呈線性關(guān)系。其上升的快慢與室外溫度，圍護結(jié)構(gòu)保溫條件有關(guān)。蓄熱階段，地板溫降和室溫溫降與時間的關(guān)系在關(guān)機后的5個小時內(nèi)也基本上呈線性關(guān)系。其下降的快慢也和室外溫度有關(guān)，室外溫度較高時，曲線下降變緩。圖10 地板表面溫度和室溫溫升Fig.

17、10 Temperature rise of floor surface and indoor air圖11 地板表面溫度溫降和室溫溫降Fig.11 Temperature drop of floor surface and indoor air3.3 運行能耗和經(jīng)濟性空氣源熱泵地板采暖可以采用連續(xù)運行方式和分時段連續(xù)運行方式，考慮到連續(xù)運行方式運行費用較高4，筆者試圖找到一種既能滿足采暖舒適要求，又能節(jié)能的經(jīng)濟運行模式?？紤]到普通居民的作息時間安排，筆者設(shè)立了一種分時段連續(xù)運行的模式，即當天凌晨03：00開機，運行4小時至早上07：00關(guān)機，下午16：00再開機，運行4小時到晚上20：00關(guān)

18、機。圖12表明采用此種分時段連續(xù)運行模式，關(guān)機后室溫不會下降很多，室溫波動只有2。為了考察此種模式的運行能耗和經(jīng)濟性，筆者測試了熱泵機組的耗電量（耗功率），計算出COP，測試結(jié)果見表3。其中室內(nèi)溫度一樓臥室（三面外墻）為15.5，一樓廚房（兩面外墻）為16.8。若以此種模式運行，按照上海的分時計價，每平方米每個月需要的采暖費為5.27元，100m采暖住宅每月的采暖費約為527元（面積為采暖對象面積）。表3 空氣源Table 3 Parameter of continuous running periodically of floor heating system with air source heat pump室外溫度（）室內(nèi)溫度（）供回水水溫差（）水流量（L/min）平均制熱量（kW）平均耗電量（kWh/h）平均COP4.715.5/16.89.41610.53.82.7圖12 分時段連續(xù)運行采暖溫度的變化Fig.12 Temperature change of continuous running periodically4 結(jié)論通過對上海地區(qū)獨立別墅住宅的實測調(diào)查，初步把握了空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的運行特征和效果。通過分析得出下面的見解。1）在上?，F(xiàn)狀的大多數(shù)住宅保溫條件下（未保溫）室內(nèi)溫度大多尚不能滿足采暖設(shè)計要求。當室外溫度在213變化時，空氣源熱泵