空氣源熱泵直接地板輻射供暖實驗研究

空氣源熱泵直接地板輻射供暖實驗研究

0熱空氣地板輻射供暖隨著能源環(huán)境問題日益嚴(yán)重，“三公”計劃提出“單位gdp能耗降低約20%”的節(jié)能目標(biāo)和“主要污染物排放降低10%”的削減目標(biāo)。建筑供暖作為能源消耗和環(huán)境污染大戶,其能耗占我國建筑能耗的50%以上,是落實節(jié)能減排目標(biāo)的重要領(lǐng)域之一。低溫地板輻射供暖通過以輻射為主的換熱方式向室內(nèi)供暖,室內(nèi)衛(wèi)生,舒適性強,比傳統(tǒng)供暖方式節(jié)能20%～30%。按供熱熱媒劃分,地板輻射供暖主要有熱空氣、電熱和熱水三種形式。文獻通過理論和實驗研究了熱空氣地板輻射供暖的可行性,得出采用熱空氣地板輻射供暖,有效傳熱面積大,但傳熱效率低的結(jié)論。電熱地板輻射供暖熱惰性小,調(diào)節(jié)計量方便,但存在耗電量大、加大電網(wǎng)峰值負(fù)荷等缺陷。文獻提出了新型相變儲熱電熱地板輻射供暖系統(tǒng),實驗研究證明該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)電力移峰填谷,但其成本較高,且一次轉(zhuǎn)換效率低。熱水地板輻射供暖目前發(fā)展最為成熟,相關(guān)研究包含傳熱機理、熱舒適性等各方面。但以水為熱媒,需要對水進行二次換熱,供熱輸配循環(huán)水泵電耗約占供熱系統(tǒng)總電耗的40%。文獻通過采用優(yōu)化設(shè)計調(diào)節(jié)循環(huán)水泵、在供熱水中添加減阻劑和添加含相變材料的“功能熱流體”來降低輸送能耗,但其供熱穩(wěn)定性、熱媒傳熱等技術(shù)性問題均需進一步研究解決。針對以上問題,筆者搭建了以制冷劑作為熱媒的空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)實驗平臺,著重研究了連續(xù)性供暖工況下,空氣源熱泵的運行特性和系統(tǒng)能耗,對比分析了不同管間距地板輻射供暖的效果及其影響因素,基于實驗數(shù)據(jù),綜合比較分析了不同地板輻射供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性,為空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)設(shè)計、運行提供參考依據(jù)。1實驗與研究1.1地板盤管鋪設(shè)空氣源熱泵直接地板供暖實驗系統(tǒng)如圖1所示,包含1臺數(shù)碼渦旋空氣源熱泵機組,2臺風(fēng)機盤管和2個地板輻射供暖房間。實驗房間朝北向,建筑面積為82m2,墻體為240mm厚空心磚墻,窗戶為鋁合金單層玻璃窗,相鄰房間均為供暖房間。實驗用房分割成3個小房間,房間1,2采用地板供暖,每個小房間尺寸相同(4.8m×3.6m×3.5m)。其中房間1北墻為外墻,其窗墻比為0.4;房間2四面均為內(nèi)墻;房間3采用風(fēng)機盤管供暖。采用數(shù)碼渦旋多聯(lián)式空氣源熱泵機組作為冷熱源,額定制冷量12kW,熱泵運行額定制熱量13kW,制冷劑為R22,系統(tǒng)充注量為12.6kg。熱泵機組數(shù)碼渦旋壓縮機的操作分為負(fù)載狀態(tài)和卸載狀態(tài),通過外部脈寬調(diào)節(jié)電磁閥控制動靜渦旋盤周期性嚙合與分離實現(xiàn)。電磁閥常閉時,壓縮機傳遞全部容量和制冷劑流量;電磁閥通電時,動靜渦旋盤脫離,壓縮機卸載,無容量和制冷劑流量通過壓縮機。通過控制電磁閥通電時間,改變負(fù)載和卸載時間,壓縮機負(fù)荷可在10%～100%范圍內(nèi)進行無級變?nèi)??；谶@種獨特運行特性,數(shù)碼渦旋壓縮機無需油分離器或回油循環(huán),所以用于地板輻射供暖時,系統(tǒng)不存在管路回油問題。地板構(gòu)造如圖2所示。鋪設(shè)時采用濕式施工,盤管采用分組直列型布置,進出管路采用同程設(shè)計,房間1的管間距為150mm,房間2為100mm。為保證系統(tǒng)承壓能力和制冷劑泄漏安全性,在地板盤管安裝過程中嚴(yán)格要求,并采取以下措施:1)選用優(yōu)質(zhì)管材,管材為?8mm×0.75mm無縫鋼管;2)在地板盤管鋪設(shè)過程中,管道彎管處半徑大于10倍管外徑,且保證無硬折彎;3)施工驗收采用氣壓試驗檢測系統(tǒng)氣密性,確保系統(tǒng)無漏點。1.2測試方法及數(shù)據(jù)采集實驗測試內(nèi)容主要分兩部分:空氣源熱泵特性和供暖房間熱環(huán)境。連續(xù)性供暖實驗進行時,設(shè)定地板表面溫度25℃為數(shù)碼渦旋空氣源熱泵負(fù)荷調(diào)節(jié)點,室內(nèi)環(huán)境溫度利用室內(nèi)中心線距地板0.75m高處的測點實測。采用Pt100熱電阻測試溫度,鉑電阻測溫范圍為-200～200℃,精度等級0.1級,其延長導(dǎo)線采用三線制屏蔽線,測試前均經(jīng)過恒溫水浴標(biāo)定。采用PT4-30S型壓力傳感器測試壓縮機進出口、室內(nèi)地板盤管進出口壓力,測量范圍為0～3MPa。所有溫度、壓力數(shù)據(jù)通過XSL智能巡回檢測儀采集并實時顯示記錄,采集間隔1s。利用TES-1365型數(shù)字記錄式溫濕度計自動記錄室外溫濕度。采用DTS-8666三相四線有功電表測量系統(tǒng)電耗。2結(jié)果分析2.1熱泵壓縮機回收體溫度變化圖3顯示了空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)開機預(yù)熱到連續(xù)穩(wěn)定運行的供熱特性。該圖數(shù)據(jù)為2008年12月31日13:13-22:25的實測數(shù)據(jù),當(dāng)時室外溫度to約為3℃,相對濕度φ為10%～32%。熱泵開機后,地板盤管制冷劑R22進、出口溫度tin,tout快速升高,地板升溫迅速;經(jīng)過80min后,地板盤管R22進口溫度tin達(dá)到67℃,出口溫度tout為33℃,地板表面溫度tf達(dá)到設(shè)定溫度25℃,室內(nèi)溫度ti為19.7℃,此時R22進、出地板盤管溫差Δt達(dá)到最大值34℃?？紤]地板表面輻射溫度要求和混凝土地板傳熱溫差,降低數(shù)碼渦旋熱泵壓縮機負(fù)荷到40%,經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn),室內(nèi)供熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,地板表面溫度為26.5℃,室內(nèi)溫度為21.8℃,波動分別為0.2℃,0.3℃。圖4顯示了600s時間內(nèi),熱泵壓縮機40%負(fù)荷供熱工況下,吸氣溫度ts,排氣溫度te,地板盤管進出口溫度tin,tout及地板盤管進出口溫差Δt的變化曲線。從圖4可以看出,當(dāng)熱泵在40%負(fù)荷工況下制熱,連續(xù)供熱穩(wěn)定運行時,壓縮機周期性負(fù)載,空氣源熱泵壓縮機排氣溫度呈周期性變化,變化范圍為65.1～69.4℃;而吸氣溫度為2.5～3℃,地板盤管進口溫度為41.7～42.5℃,地板盤管出口溫度為27.6～28.1℃,波動很小,地板盤管進出口溫差Δt穩(wěn)定在14.5℃左右。由圖4還可以看出,一方面由于空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)制冷劑R22充注量大,而且數(shù)碼渦旋壓縮機負(fù)荷調(diào)節(jié)周期較短,一般小于18s,使得供暖運行地板盤管R22進、出口溫度波動很小,供回溫差穩(wěn)定;另一方面,相比傳統(tǒng)熱水地板輻射供暖系統(tǒng),空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)采用小管徑管路,管路中R22流量較小,而地板盤管R22進出口溫差較傳統(tǒng)熱水地板輻射供暖供回水溫差大5℃左右,可見采用制冷劑作為熱媒供熱,單位制熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水。實驗證明利用制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱水作為熱媒進行地板供暖,運行工況穩(wěn)定,地板供暖房間溫度能很好地滿足室內(nèi)熱舒適性要求。2.2圍護結(jié)構(gòu)對地板供暖的影響圖5所示為管間距分別為150mm和100mm的兩個不同圍護結(jié)構(gòu)供暖房間1和2的連續(xù)24h供暖室內(nèi)熱環(huán)境特性(測試時間為2009年1月11日)。由圖5可見,在地板盤管進出口制冷劑供熱溫差相同情況下,房間2室內(nèi)供暖基本不受室外環(huán)境影響,地表溫度為26.45～27.17℃,室內(nèi)空氣溫度為22.65～23.1℃,溫度波動分別為0.7℃和0.5℃;房間1(一面為外墻且窗墻比為0.4)地板供暖隨室外溫度變化較明顯,地表溫度在24.14～25.14℃,室內(nèi)空氣溫度為20.05～21.15℃,波動分別為1℃和1.1℃,可見圍護結(jié)構(gòu)對地板供暖影響較顯著。由圖5還可得房間1(盤管間距150mm)地表溫度比房間2(盤管間距100mm)低2℃左右,但地表溫度仍在24℃以上,室內(nèi)溫度也一直在20℃以上,完全滿足低溫地板輻射供暖設(shè)計要求。另一方面,研究證明采用地板輻射供暖房間的供暖溫度降低2℃,節(jié)能效益可達(dá)11.4%,因此采用150mm管間距鋪設(shè)地板盤管,可以大大降低系統(tǒng)管路長度,減少系統(tǒng)阻力,改善空氣源熱泵運行特性,而且在滿足室內(nèi)供暖需求下更具有節(jié)能效益。2.3可實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟經(jīng)濟原則的比較數(shù)碼渦旋空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng),可以采用連續(xù)供暖方式和間歇供暖方式。考慮到連續(xù)供暖運行費用較高,根據(jù)居民作息時間安排,設(shè)計了分時段間歇運行模式(01:00—05:00,09:00—13:00,17:00—21:00),并對兩種模式的能耗進行了測量,測得連續(xù)性供暖能耗為34.8kWh,間歇供暖能耗為23.4kWh。在滿足熱舒適性要求的前提下,采用間歇運行模式供暖可節(jié)能30%以上。表1為各種地板輻射供暖系統(tǒng)綜合費用比較。從表中可看出,數(shù)碼渦旋空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng),在保證舒適性條件下,一次投資明顯低于電熱和空氣源熱泵熱水地板輻射供暖系統(tǒng),高于集中供熱系統(tǒng);運行費用(按實驗實測能耗計算)與集中供熱系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水地板輻射供暖系統(tǒng)基本相當(dāng),明顯低于電熱地板輻射供暖系統(tǒng)。本實驗采用的數(shù)碼渦旋壓縮機額定制熱負(fù)荷大,而地板供暖房間地板鋪設(shè)面積較小,圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較差,且數(shù)碼渦旋壓縮機在40%負(fù)荷下運行。研究表明數(shù)碼渦旋壓縮機在70%～100%運行時系統(tǒng)COP最高。因此,通過加強圍護結(jié)構(gòu)保溫性能,合理匹配運行負(fù)荷與地板供熱面積,數(shù)碼渦旋空氣源熱泵運行能效比將更大,系統(tǒng)能耗將更低。再者,夏季可采用空氣源熱泵作為空調(diào)冷源,提高設(shè)備利用率,減少供暖、空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備初投資,同時電力初裝費只一次性計入,且采用制冷劑為熱媒,具有顯著的節(jié)水效益,使得一次投資的經(jīng)濟性得以進一步提高。綜合比較初投資和節(jié)能環(huán)保效益,空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)明顯優(yōu)于集中供熱和電熱地板輻射供暖系統(tǒng),經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后也將表現(xiàn)出優(yōu)于空氣源熱泵熱水地板供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟特性。同時,采用制冷劑為熱媒的直接地板輻射供暖系統(tǒng)存在管道安裝要求高,特別是制冷劑防漏,控制策略復(fù)雜等局限因素,通過進一步優(yōu)化提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性,將具有更好的推廣應(yīng)用前景。3空氣源熱泵直接地板輻射供暖重要影響因素3.1采用制冷劑為熱媒的空氣源熱泵直接輻射供暖系統(tǒng),在連續(xù)性供暖運行工況下,空氣源熱泵壓縮機周期性負(fù)載運行,地板盤管進出口溫度、進出口溫差均比較穩(wěn)定。在鄭州地區(qū)冬季條件下,室內(nèi)連續(xù)供暖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,地板表面溫度達(dá)到26.5℃,室內(nèi)溫度為21.8℃,波動分別為0.2℃和0.3℃,完全滿足室內(nèi)供暖設(shè)計要求。3.2空氣源熱泵直接地板輻射供暖預(yù)熱時間短。熱泵開機后,地板盤管R22進出口溫升迅速,升溫時間約為80min。3.3建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能、窗墻比、地板盤管的管間距等是影響地板輻射供暖的重要因素。在相同熱泵連續(xù)性供暖條件下,地板輻射