采用變頻熱泵的毛細管輻射房間的工程測試

謝依寧 梁珍 于海濤

1東華大學環境科學與工程學院

2昆山開思拓空調技術有限公司

0 引言

毛細管輻射末端是一種高效空調末端技術，該系統利用水為媒介，把毛細管網置于建筑物結構層內，通過建筑構件和室內空氣之間的溫差向室內輻射能量而達到室內制冷采暖的目的。該系統的優點是無噪音，無風感，冷熱均勻[1-2]，同時避免了傳統空調系統中病菌通過風道的交叉感染。

目前關于毛細管輻射系統的研究主要集中在冬夏季：顧皓、李永安等[3]在冬季工況下對室內舒適度進行了測試研究。陳陽、劉光等[4]針對夏季工況進行了一系列測試研究。作者發現對于過渡季節的研究很少，田盼雨、王浩等[5]雖進行了全年的研究，但只針對熱泵熱力性能，卻未提到末端使用毛細管網。本文的研究針對室外溫度在10～18℃的氣候條件下，該氣候條件需要供暖，但屬于負荷較小，采用定頻熱泵則啟停頻繁的季節[6-7]。文章測試分析了一個采用變頻熱泵以及置換新風系統的毛細管輻射系統，研究采用變頻特性。

1 測試工程概述

1.1 建筑概述

本工程位于江蘇省昆山市的某住宅區,該戶型的總建筑面積為240m2，單層。空調面積207m2。外墻體表面太陽吸收系數ρ=0.72，傳熱熱阻R=0.834m2·K/W，熱惰性指標D=2.703。選取公寓朝南主臥為測試房間，尺寸為3760mm（W）×4540mm（L）×2680mm（H）+2140mm（L）×1520mm（W）×2680mm（H）。戶型平面圖見圖1（左下粗邊框區域為測試房間）。

圖1 戶型平面圖

1.2 空調系統概述

該公寓選用一臺變頻風冷熱泵承擔冬、夏季的全部冷、熱負荷。冬季機組可提供35℃的熱水，夏季可提供17℃的冷水。選用新風除濕機為房間提供潔凈的新風，并承擔夏季除濕任務，保持空調房間的適宜濕度。房間設置頂面毛細管輻射冷暖系統和地面毛細管冷暖系統，保持房間的舒適溫度。選用德國進口的Clina毛細管網，型號為SB20。規格根據各房間負荷和進深確定，測試房間頂板與地面均有布置，側墻未布置。頂板布置面積為11.25m2，地面布置面積為17.75m2。房間內設置控制面板，毛細管上敷設溫度探頭，溫控器控制毛細管水路上電磁閥的通斷，以實現每個房間的獨立控制。另控制面板通過對房間露點溫度的測量，實時比較露點溫度與毛細管溫度，一旦有結露危險，斷開毛細管供水，實現0結露的可能。

2 測試方法與儀器

2.1 實驗儀器

表1為實驗所用設備。

表1 實驗設備表

2.2 測試方法

測試時間為2017年4月12日。利用兩臺黑球溫度計記錄室內空氣溫度。使用紅外線測溫儀對地板，頂面以及進出水管溫度進行測量。在頂板均分別取9點，地面取11個點。每個測點進行多次測量，以確保測量數據的可靠性，且盡量減小人為測量誤差。分析毛細管系統在兩種工況的啟動時間。采用熱線風速儀對距地0.1m對應人體腳踝部位的11個點，距地0.7m對應坐姿人體的呼吸部位的11個點，距地1.7m對應站姿人體的頭部的11個點進行溫度的測量。

3 數據采集及其分析

3.1 變頻熱泵對房間毛細管管內水溫的影響

4月12日上午十點開始數據采集，此時毛細管水溫設定在35℃，除濕新風機設定在18℃，當日氣溫11～16℃。地面的11個測點和頂板的9個測點，位置如圖2所示：

圖2 測點布置圖

設備啟動開始對這11個點和熱泵出水溫度每隔15 min測量一次，當水溫上升速度開始變得緩慢，測量的間隔時間更改為30 min。整個測量時間從早晨10:00持續到下午16:00。表3和表4是在不同時間下熱泵供水溫度以及地板、頂板表面測點溫度變化圖。

圖3 地面測點溫度變化圖

圖4 頂板測點溫度變化圖

從圖3～4可以看到設備啟動近30min后變頻熱泵的供水溫度從初始溫度17.2℃升到了28.2℃，大約10℃的溫差。之后隨著時間的推移溫度繼續緩緩上升，直到經過了大約3h水溫達到35℃并趨于穩定，且不再出現大幅度的波動。變頻熱泵剛啟動時，采用低頻啟動，然后很快在低頻狀態轉入高頻狀態，一段時間后即可達到設定供水溫度，之后，壓縮機在長時間處于低頻工作范圍內，機組的功率降到最小以保持室溫。而鋪滿毛細管網的頂板和地板表面溫度也隨著水溫的上升而緩緩上升，最后趨于穩定不變。正是因為變頻熱泵壓縮機的性能可根據需求進行調節，從而降低能耗并保持穩定的溫度這一特點使其更加適用于向毛細管網末端供水。

3.2 變頻熱泵對室內溫度的影響

隨著變頻熱泵供水溫度的逐漸上升，將距地0.1m對應人體腳踝部位的11個點，距地0.7m對應坐姿人體的呼吸部位的11個點，距地1.7m對應站姿人體的頭部的11個點溫度趨于穩定時的測量值匯總在圖5中。

圖8 距地三個高度的溫度分布

待變頻熱泵水溫達到設定值35℃后，室內溫度也開始基本穩定不變，始終保持在22℃左右，且波動較小，滿足室內的設計溫度20±2℃。同時，由于測試房間的頂板和地面都滿鋪了毛細管網，因此不存在“上熱下冷”的情況，豎直方向上的溫差都沒有超過0.5℃,不存在溫度梯度的影響，完全滿足熱舒適性方面的要求。另外，該項目的冬季室內設計溫度為18℃，由于毛細管系統強化了室內的輻射換熱后，室內的實際溫度——特別是人的呼吸區空氣溫度始終保持在22℃左右。這就為降低設計溫度、減少熱負荷、節約能源提供了空間。變頻熱泵在不停止壓縮機工作狀態下，通過調整壓縮機的轉速調節水溫，從而創造出溫度變化不大的舒適環境。

4 結論

1）相較于無法調整頻率而在啟動-停止操作中運行，從而水溫不斷上下變化的定頻熱泵來說，可根據具體需求調節運行頻率從而得到穩定水溫的變頻壓縮機更加適用于毛細管末端。

2）冬季供回水溫度設置為35℃/32℃時，變頻熱泵提供的穩定水溫使得毛細管系統可以維持室內較高的舒適度。室內溫度始終保持在22℃左右，且波動很小。

3）本次測試中使用的這臺變頻風冷熱泵屬于輻射新風一體機，雖然集成度相對市面上其他機器來說很高。但由于各方面技術不太成熟的原因，噪音測試的結果不太理想。尤其是靠近放置機組的臥室會受到一定的影響。

4）在測試過程中確實發現為處理房間負荷而不斷上升的水溫溫度變化較慢，前后將近用了3h達到至設定溫度。另外室外溫度并不低，屬于過渡季節的制熱工況。筆者考慮到可能會出現冬季工況時室外氣溫極低的影響可能會出現機組響應速度更加慢，水溫升地更慢的情況。因此這臺熱泵的動態響應偏慢。