空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統優化運行方式

杜彥，田琦，楊晉明，郭衛強

（1.太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 太原030024；2.太原市恒星偉業冷凍空調設備有限公司，山西 太原030024）

目前，我國城鄉建設房屋每年以20%的速度增長，而建筑總能耗約占社會終端能耗的20.7%［1］，在建筑能耗中，非節能的供暖能耗占據十分重要的地位.因此，供暖能耗的節能減排刻不容緩.近幾年，空氣源熱泵低溫熱水地板輻射供暖技術已得到很多專家學者的關注和研究［2－5］.空氣源熱泵系統在寒冷地區和夏熱冬冷地區運行節能效果顯著［2，6－7］.地板輻射供暖舒適衛生、熱穩定性好、節省室內空間［8－9］.研究表明，當地暖盤管敷設時按照由四周向中心旋入，可大大提高輻射供暖的均勻性［10］.此外，低溫熱水地板輻射供暖技術相較于傳統供暖方式節能20%～30%［11］.空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統是一種新型供暖方式，它將節能環保的空氣源熱泵技術與高換熱效率的制冷劑直接地板輻射供暖技術相結合，有效提高供熱效率，并且其廣泛的能量來源可使此系統廣泛應用于集中供熱無法到達的城鎮和農村居民住宅建筑.與傳統的空氣源熱泵低溫熱水地板輻射供暖相比，空氣源熱泵直接地板輻射供暖的節能性更高（傳熱工質直接使用制冷劑，減少中間一次換熱），且獨立可控（壓縮機采用數碼渦旋壓縮機，可大范圍調節制冷劑容量）.就空氣源熱泵供暖存在的兩大問題，室外溫度越低系統性能系數越低和停機除霜［12］，雖然已有大量學者提出多種解決辦法［13－15］，但仍然沒有確切的辦法可以徹底解決這兩個困擾已久的問題.本文通過對某安裝了空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統的住宅建筑進行實際測量，并結合DeST－h軟件的模擬數據，得出經濟性最佳的系統運行方式.

1 研究對象

1.1 供暖系統

圖1 系統原理圖Fig.1 System principle diagram

空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統是由數碼渦旋空氣源熱泵與地板輻射盤管相結合，如圖1 所示.系統基本工作原理是逆卡諾循環，以R22為制冷劑，通過數碼渦旋壓縮機將制冷劑壓縮升溫，直接流入室內地埋管向屋內供暖；然后，流過節流裝置降溫減壓，再通過空氣熱交換器吸收空氣中的低品位能；最后，進入壓縮機進行下一個循環.系統通過地埋管輻射散熱，使得距地板表面2m 以內空間溫度得到很好保證，人體對溫度的感受是頭冷腳熱，是目前舒適度和節能性均較高的一種供暖方式.

數碼渦旋壓縮機的核心技術是“軸向柔性”技術（美國谷輪公司專利技術），此技術可維持渦旋盤尖端恒定，均勻的壓力可使渦旋盤在軸向移動很小的距離，以確保渦旋盤始終以最佳力工作.因此數碼渦旋壓縮機可在很寬的范圍內進行連續并且無級的容量輸出［16－17］.數碼渦旋壓縮機的優點不僅體現在容量調節范圍廣（10%～100%），還有無需回油裝置、電磁干擾可忽略不計、調節容量反應迅速、可靠性強等優點.將其應用至此系統最重要的原因是數碼渦旋壓縮機可直接把制冷工質作為傳熱介質［16］.與傳統低溫熱水系統相比，將制冷劑直接作為傳熱工質的方式減少了一次中間傳熱過程，可有效提高傳熱效率.此外，制冷劑的熱量傳送量是水的10倍左右，是空氣的20倍左右［18］.

1.2 實測建筑概況

實測建筑位于山西省中南部，磚混結構，墻體加有保溫層，上下共兩層，總面積207.4m2，一層層高3.24m，二層層高2.90m，塑鋼雙層玻璃窗，有悶頂.整棟建筑均采暖，一層為起居室，二層為主臥室，現居住人數為2人.建筑物計算用采暖期室外平均溫度為－2.3 ℃［19］，采暖設計室外計算溫度為－11℃［19］.由于此建筑為空氣源熱泵直接式地板輻射供暖系統的示范工程，參觀考察的流動人員較多，經常性的啟閉外門和人員的散熱等因素對建筑室內溫度等參數的測定有一定的影響.表1是建筑圍護結構信息（建筑物西側為采暖鄰室，故無西側外墻）.表1中：K為傳熱系數；A為建筑面積.

表1 建筑圍護結構信息Tab.1 Building envelope parameters

2 測試過程及結果

實驗系統所用制冷劑為R22，進出房間的溫度分別為30～40℃和20～30℃.設置專用電表記錄該系統的耗電量.實驗主要設備：JXJ－1型溫度熱流巡檢儀，Testo 174H 型溫濕度記錄儀，TBQ－2型太陽總輻射表，水銀溫度計，錫箔紙等.

實驗過程使用溫度熱流巡檢儀測量每面外墻的傳熱系數，在每面墻的中心附近設一個測點，數據記錄在巡檢儀內.兩個溫濕度記錄儀分別放置于一層、二層客廳內，距地面1m 左右，房間中心附近，并進行了防輻射處理，每0.5h記錄一次室溫，以此溫度代表室內平均溫度.水銀溫度計固定在室內墻上距地面1.5m 左右和室外背光處，并用錫箔紙遮住溫度計底端，避免太陽輻射影響溫度變化，每隔1h 讀取一次數據，用以校核室內平均溫度、記錄室外溫度；太陽能總輻射表放置于建筑朝南的落地窗前，每天9：00開始記錄，17：00記錄當天最后一次，每隔0.5h記錄一次.實驗開始時間為2014年1月13日16：00，結束時間為2014年1月27日15：00，歷時14d.

實驗系統設定空氣源熱泵開機時間為8：00，關機時間為18：00，這期間系統根據室溫實時變化，系統自動控制流量在10%～100%運行，室溫設定為20 ℃.采用白天運行夜間停機的運行方式進行實測，實驗期間室溫（θ）和耗電量（Q）的實測結果，如圖2所示.

圖2 白天運行夜間停機工況室內溫度范圍和耗電量實測值Fig.2 Actual measured values of indoor temperature and power consumption in running of daytime on and nighttime off

3 模擬情況及結果

3.1 軟件參數設置

本次模擬實驗室外氣象參數采用山西榆社地區典型氣象年代室外氣象參數，系統8：00至18：00開啟，其他時間停機，房間換氣次數為1次·h－1，室內采暖控制溫度為20℃，室內容忍溫度下限為16℃，家俱系數為1.0，軟件計算過程中考慮陽光遮擋.人員作息、燈光作息和熱泵系統作息，如表2所示.表2中：ku為設備的使用系數.室內熱源基本情況：臥室、起居室的燈光均為5W·m－2；起居室的設備為10 W·m－2；臥室、起居室的人員總數均為2人；人員產熱為51 W·人－1；人員產濕為59g·（h·人）－1.

3.2 模擬方案

根據空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統運行時間的不同，本實驗選擇三種不同的運行方式模擬運行工況，并分析這三種運行方式的舒適性和經濟性.

3.2.1 全天連續運行 該運行方式是傳統的運行方式，其優點是隨室內溫度的變化，機組自動控制，可保證室內溫度始終保持在設定范圍內，舒適性較好.但此運行方式沒有充分利用地板輻射供暖盤管敷設面積大和蓄熱性好的特點，增加了系統不必要耗電；而且，機組在低溫環境下運行易造成經常性停機除霜，會導致機組性能系數急劇下降，給用戶帶來不舒適感.使用DeST－h軟件模擬此方案主要用于與其他運行方式的對比.

3.2.2 白天運行夜間停機 該運行方式是在白天設定時間區間內運行，其余時間停機的間歇運行.此運行方式是為避開限制空氣源熱泵快速發展中夜間系統性能系數急劇下降和停機除霜兩大問題.白天運行夜間停機還能充分利用地板輻射供暖圍護結構蓄熱的優勢，即白天圍護結構可以將系統供熱量和太陽照射所吸收熱量儲存起來，夜間溫度下降較快時釋放到室內，大大減緩室溫下降的速度.文中實測數據即為此運行方式下測得，最終模擬結果與實驗結果進行比較，以此驗證模擬結果真實性.

3.2.3 電價移峰填谷運行 該運行方式是在電價谷值時開啟系統進行制熱供暖.峰谷分時電價的時段：8：00至22：00為峰電時段，其余時間為谷電時段.峰值電價比谷值電價高，當系統運行時間均在谷值電價時，耗電費用將大大減少.但必須考慮的是，在寒冷地區冬季夜間溫度較低，空氣源熱泵系統在此時段運行的性能系數較低，且易出現停機除霜，影響供暖效果，而長期出現停機除霜，會對機組性能產生破壞性影響.

實驗開始時間為2014年1月13日16：00，結束時間為2014年1月27日15：00.實驗開始前系統已運行超過24h，為圍護結構蓄熱，以保證實驗開始后室溫正常變化.

表2 作息情況表Tab.2 Schedule table

3.3 模擬結果

模擬試驗期間，三種運行方式的室溫和耗電量的模擬結果，如圖3所示.

圖3 不同運行方式下室內溫度和耗電量模擬值Fig.3 Simulation values of indoor temperature and power consumption under different operation modes

4 實測與模擬結果對比分析

實驗模擬三種不同運行方式，其中全天連續運行是目前普遍的運行方式，節能性較差，而電價移峰填谷運行則不利于設備自身性能的保護.因此，這兩種運行方式并未進行實測，只是模擬與白天運行夜間停機的運行方式進行對比分析.

4.1 耗電量分析

根據圖2和圖3（b）可知：白天運行夜間停機的耗電量模擬結果與實測數據范圍基本一致，平均偏差為3kW·h，相對偏差約為9%.雖然存在一定誤差，但通過誤差分析進行修正后模擬數據與實測數據有較好的一致性.產生偏差的主要原因：1）實際室外溫度與軟件中設定的室外氣象參數不可能完全相同；2）實測過程中，屋內人員、設備增加，人體和設備散熱量變大；3）實驗期間住戶仍每天開灶做飯也會產生熱量.

由上述對實測數據和模擬數據的比較分析可知：耗電量模擬數據的修正系數為0.91，修正后模擬數據可較好的反正真實情況.

將圖3（b）與圖3（a）比較可知：全天連續運行的日平均耗電量是白天運行夜間停機的2.4倍.夜間室外溫度急劇下降，系統在夜間運行時不僅制冷效率（coefficient of performance，COP）很低，耗電量大，而且易出現結霜的現象，不僅不能供暖，還需消耗大量電能除霜.另外，全天連續運行并未利用地板輻射供暖系統圍護結構蓄熱的優點，因此節能性較差.

將圖3（b）與圖3（c）比較可知：電價移峰填谷運行的日平均耗電量是白天運行夜間停機的1.2倍.雖然這兩種運行方式的耗電量相差并不大，但電價移峰填谷運行使得系統需在溫度很低的夜間運行.此時，機組不僅COP值很低，有結霜的問題，而且長期在低COP值運行對機組自身性能維護也是很不利的.

4.2 逐時室溫分析

三種運行方式的室溫實測與模擬結果對比結果，如圖4所示.分析以2014年1月15日16：00至1月16日15：00為例進行，可代表實驗期間的模擬和實測數據的一般規律.

由圖4（a）可知：當系統運行方式為全天連續運行時，室內溫度較平穩，夜間溫度稍有下降，最低溫度在凌晨5點出現，為18.6 ℃，能很好滿足用戶的舒適性.

圖4 不同運行方式下內逐時平均溫度Fig.4 Hourly indoor temperature in running under different operation modes

由圖4（b）可知：兩曲線走勢基本相同，實測與模擬結果基本吻合，實測平均室溫為18.2 ℃，而溫度的模擬結果為19 ℃.由圖4（b）還可知：空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統在開機期間，其室內溫度保持在17～21.5 ℃之間，溫度基本在室溫要求范圍內，變化平緩，關機后室溫下降；但由于地板輻射供暖系統圍護結構的蓄熱性，溫度下降后蓄熱體放熱，減緩室溫下降的速度.夜間最低溫度為17.0 ℃，可以滿足人員夜間的熱量需求.

由圖4（c）可知：系統根據電價的不同移峰填谷運行時，由于夜間開機溫度在18～20 ℃之間，保證了室內溫度的舒適性；白天室內溫度大約在17.5～19.5℃之間，溫度基本滿足室內18 ℃的要求.

4.3 逐時耗電量分析

三種運行方式的的逐時耗電量實測與模擬結果對比，如圖5所示.由圖5（a）可知：此運行方式的耗電量很大，24h耗電量為89.3kW·h，節能效果不佳.

由圖5（b）可知：在開機期間實測與模擬的每小時耗電量大致趨勢相同，夜間停機時由于系統仍與電源連接，所以有微小的耗電.此圖亦可以證明模擬結果的可用性.此24h的實測耗電量為35.66kW·h，模擬結果為35.8kW·h.

圖5 不同運行方式下內逐時耗電量Fig.5 System power consumption per hour under different operation modes

由圖5（c）可知：此運行方式耗電量集中在夜間，此24h模擬得到的耗電量為43.68kW·h，略高于白天運行夜間停機運行方式，遠低于全天連續運行方式，因此節能效果不錯.

5 結論

實驗運用DeST－h軟件，對位于山西省中南部的某被測建筑建立模型，繪制建筑圍護結構，設置圍護結構參數、空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統運行參數和室外氣象參數；然后，對模擬數據和實測數據進行對比分析，所得模擬結果與現場實測數據取得較好的一致性.

由模擬和實測結果分析可知：三種運行方式中，白天運行夜間關機的運行方式同時兼顧舒適性和經濟性（運行費用低）.此運行方式充分利用了空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統的圍護結構蓄熱性能，夜間關機狀態下仍能基本保證室內溫度不低于16.5 ℃，在節能的同時兼顧用戶的舒適性.該運行方式規避了傳統空氣源熱泵系統因除霜而造成的高能耗、低舒適性的問題，既保證了系統的高性能系數，又減少了機組因結霜而損壞的概率.

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