空氣源熱泵地板輻射采暖系統供暖效率節能模擬分析

趙軍凱　王岳人　郭哲良　于　洋　王　希　劉　通

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院遼寧沈陽110168）

空氣源熱泵地板輻射采暖系統供暖效率節能模擬分析

趙軍凱王岳人郭哲良于洋王希劉通

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院遼寧沈陽110168）

低溫地板輻射采暖的不僅使室內人體感到舒適，而且還有節能的作用。空氣源熱泵作為熱源，能夠高效穩定的進行制熱。空氣源熱泵結合低溫地板輻射采暖系統能夠達到優勢互補的效果。

空氣源熱泵；地板輻射采暖；COP；TRNSYS；模擬

目前，在我國北方地區，大部分建筑物使用燃煤制熱作為的低溫熱水地板輻射的熱源，這種熱源形式不能將地板輻射采暖的節能優勢充分發揮出來。在北方地區，特別是沈陽，如采用5℃的供回水溫差，當地板輻射采暖系統的供回水平均溫度達到35℃左右時，既可以保證采暖的需要又能使室內的人員獲得較好的舒適度。空氣源熱泵是眾多熱源的一種，與傳統熱源相比，具有節能的優勢。它與地板輻射采暖的組合式系統具有一定的推廣價值。

1　空氣源熱泵地板輻射采暖系統描述

空氣源熱泵地板輻射采暖系統由空氣源熱泵機組，地板輻射采暖系統，以及備用熱源組成。該系統運行時，流出地板輻射采暖熱水盤管中的熱水，在機組的冷凝器中，與進入蒸發器內的制冷劑蒸汽進行熱交換，之后重新進入地板輻射采暖系統的熱水盤管中進行供熱。

2　模擬建筑概況

本文選取一棟二層別墅加以研究分析，此別墅建筑面積為325.92m2。其中一層建筑面積為153.12m2，二層建筑面積為172.80m2。

圖1　別墅南向立體模擬圖

圖2　別墅全年負荷變化情況

利用DeST軟件對別墅建筑采暖季逐時負荷進行模擬計算，可以得出從11月1日到3月31日建筑逐時單位面積負荷（如圖2）。采暖最大負荷指標為208.2W/m2。平均采暖負荷指標為70.75W/m2。整個建筑的采暖耗熱量為2.31×105MJ。

3　系統仿真模型

3.1空氣源熱泵機組模型

空氣源熱泵的模型及其控制方式，由TRNSYS軟件中的EES輸入控制器Type661、EES調用模塊Type66a及數據參數輸入器組成。在本模擬中采用的機組的最大制熱量和最大的輸入功率由熱泵機組的生產商提供的機組的測試數據擬合而來：

式中：Pmax為空氣源熱泵機組的最大輸出功率，單位為W；Qmax為空氣源熱泵機組的最大制熱量，單位為W；Te為系統的蒸發溫度，單位為℃；Tc為系統的冷凝溫度，單位為℃。

系統的總功率為：

式中：Pmax為空氣源熱泵機組的最大輸入功率，單位為W；Pp為系統中水泵的輸入功率，單位為W；Pc為控制系統的輸入功率，單位為W。

由于熱泵機組開機時，機組被首先加熱，隨之冷凝器與蒸發器之間建立壓力差，伴隨著這個過程，空氣源熱泵機組的制熱能力會出現一些衰減，所以熱泵的性能曲線是一種理想情況中的性能曲線，只適用于穩態情況，因此，在實際中需要對機組的性能曲線數值進行修正。通過考慮機組開關機造成的衰減等因素影響，采用經驗公式，來修正機組的最大制熱量[1]。

除了機組啟停對機組性能的影響之外，結霜也是影響空氣源熱泵效率的一個重要因素。在室外環境溫度較低或者很低時，空氣源熱泵的室外機持續從周圍環境中吸取熱量，空氣源熱泵的室外機盤管表面，難免會出現結露，當室外溫度低到一定程度，結露就變成結霜甚至結冰，從而嚴重影響了空氣源熱泵室外機的正常工作。因此在通常情況下，空氣源熱泵機組會在運行一段時間后就自動進入除霜狀態，運行2min～5min的除霜循環。在模擬中利用文獻[2]中的經驗公式對機組的出口水溫進行了修正。

機組制熱性能系數，即制熱時機組的COP，在環境溫度高于7℃時的衰減值為：

機組制熱性能系數，即制熱時機組的COP，在環境溫度低于于7℃時的衰減值為：

式中：COPreddefrost為空氣源熱泵機組因為除霜造成的制熱COP的衰減值；Tamb為室外機周圍的環境溫度，單位為℃。

空氣源熱泵機組運行時的實際制熱量應為：

式中：Q為空氣源熱泵機組的實際制熱量，單位為W；COPicycle為不考慮除霜對計算制熱能力影響時機組的制熱COP；Tc,out,corr為經過修正的冷凝器出口水溫，℃；Tc,in冷凝器出口水溫，℃；水的比熱容，kJ/（kg·℃）；水流量，kg/s。

3.2能量消耗、末端裝置及相關部件模型描述

系統中的能量消耗、末端裝置等模型由TRNSYS軟件中所提供的模塊一一對應，通過對各個部分模塊進行物理上和信息上的鏈接，建立起空氣源熱泵低溫地板輻射采暖系統模型圖，如圖3示。在該空氣源熱泵地板輻射采暖系統的流程模型圖中，運用到了5個TRNSYS組成部件。

熱源部分，熱源為空氣源熱泵機組，在TRNSYS軟件中有EES調用器，Type66a，、延時輸入控制器Type661兩個部件構成；水循環系統及末端裝置，循環的動力水泵，模型代號為Type114、集水器和分水器，代號分別為Type649和Type647、地板輻射采暖系統由建筑熱能模塊Type56中的activelayer建立。其中用戶可以將地板輔材采暖系統使用的管壁厚度、管道間距、管壁導熱系數等參數通過activelayer進行設置并且整和到建筑的維護結構中去，來作為模塊中調節室內氣候的模塊；氣象數據參數，采用TMY2氣象參數讀數器Type109、溫度計算Type69b、濕度計算Type33e組成。

圖3　空氣源熱泵地板輻射采暖系統流程模型圖

數據采集系統，逐時的室內溫度及空氣源熱泵機組的COP都是由模塊Type65c完成記錄并輸出，空氣源熱泵機組的能耗及水泵的能耗由積分器Type24統計。

建筑物的負荷模擬，采用多區域建筑模塊Type56a對模擬建筑的負荷進行模擬，Type56a這個模塊使用時可以允許用戶根據建筑物的實際情況建立建筑物模型[3]。

3.3模擬運行數據分析

該模擬主要對比空氣源熱泵地板輻射采暖供水溫度為35℃時空氣源熱泵的COP隨室外溫度的變化情況。

圖4為空氣源熱泵地板輻射采暖在11月到12月期間，空氣源熱泵的制熱時COP值與室外溫度的變化情況；圖5分別為空氣源熱泵地板輻射采暖在第二年1月到3月期間，空氣源熱泵的制熱時COP值與室外溫度的變化情況。

圖4　11月到12月空氣源熱泵的COP隨室外溫度的變化

圖5　1月到3月空氣源熱泵COP隨室外環境溫度的變化情況

圖4與圖5兩圖中，可以看出空氣源熱泵的COP隨室外環境溫度的變化明顯。當室外環境溫度降低時空氣源熱泵機組的制熱COP下降明顯，其中，在白天氣溫高太陽輻射充足的時候，空氣源熱泵的效率比較高。在整個采暖季節，空氣源熱泵的制熱能力隨著室外溫度變化先逐步降低之后在春季又逐步恢復。在采暖期初始階段與結束階段，空氣源熱泵制熱效率基本達到了3.5以上；在最冷月一月，空氣源熱泵的制熱效率基本維持在1.5～3.0，主要制熱效率集中在2.0以左右。

3.4系統的方案優化

空氣源熱泵地板輻射采暖系統在運行中的熱效率有時并不高，尤其是在室外環境溫度低的時候（例如一月），對于改善空氣源熱泵地板輻射采暖系統運行情況，提出以下幾種可能的解決辦法：

3.4.1與相變蓄熱技術[4]相結合。利用相變材料的蓄熱能力，當白天或者全天中室外氣溫達到-10℃之上時，開啟空氣源熱泵工作。在滿足當前供暖需求的同時利用相變材料將多余的熱量儲存起來，當夜間或者室外空氣溫度較低不能滿足空氣源熱泵運行條件時，可以將相變儲熱釋放來維持系統的正常供暖。

3.4.2將系統與生活熱水供應系統結合。空氣源熱泵地板輻射采暖系統只要稍加改造，就可以在滿足冬季采暖的同時，一定程度上滿足人們對生活熱水的需求。改造后的系統可以提升空氣源熱泵全年的綜合利用率，使得系統更加全面合理。

4　結語

本文以沈陽地區一別墅建筑為模擬對象，建立空氣源熱泵地板輻射采暖系統的TRNSYS運行情況模型，得出該別墅建筑采用該系統進行供暖時，空氣源熱泵的運行情況與室外溫度變化情況的關系。研究可得：當控制熱泵出水溫度為35℃時，空氣源熱泵機組的制熱COP主要集中在2～3.5，通常其效率是遠高于其他常規熱源的。當室外溫度比較低時，為保證空氣源熱泵地板輻射采暖系統滿足室內供暖需求，可以與相變蓄熱技術相結合，穩定的對室內提供熱量。空氣源熱泵地板輻射采暖系統具有較強的供熱與節能效果，在北方采暖地區具有很強的推廣意義。但是該系統在推廣的過程中還有蒸發器的表面結霜問題、潤滑油積存等問題，有待進一步開展研究解決。

[1]CABROL L,ROWLEY P.Towards low cardon home A simulation analysis ofbuilding-integrated air-source heat pump systems[J].Energyand Buildings,2012,48（3）:127-136.

[2]周振.太陽房優化設計及模擬研究[D].北京:中國建筑工程學院,2008.

[3]CHEN Y,ATHIENITI A K.Three-Dimensional Numerical Investigation ofthe Effect ofCover Materials on Heat Transfer in Floor Heating System[J].ASHRAE Transactions,1998,104（2）:1350-1355.

[4]謝鵬.相變蓄熱式太陽能低溫地板輻射采暖的設計及性能研究[D].南昌大學碩士研究生學位論文,2008.

趙軍凱，男，沈陽建筑大學，研究生在讀。