我國空氣源熱泵地板輻射系統分區研究*

西安建筑科技大學 劉 衍 李 晨 張 辰 呂凱琳 楊 柳

0 引言

建筑適應氣候是與生俱來的功能[1]，實現建筑節能首先需要使建筑具備對室外氣候有較好的“抵御力”和“親和力”，既能有效地抵御室外環境的不利因素，又要實現最大化利用自然環境資源。環境空氣取之不盡、用之不竭，空氣源熱泵地板輻射供暖以環境空氣作為低位熱源，符合綠色建筑理念[2]。GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[3]提到采用空氣源熱泵可以有效解決某些地區的供暖、供冷問題。我國地域經緯度跨度大、氣候差異顯著，且空氣源熱泵供暖隨著室外空氣溫度的降低，其供熱量也降低，因此空氣源熱泵地板輻射供暖在不同地區的應用潛力各有不同。為滿足精細化主動式設計，從而提高建筑節能水平，需要進一步量化空氣源熱泵地板輻射供暖在不同氣候條件下的應用潛力。

近年來，空氣源熱泵供暖技術的研究也取得了顯著的成果。Xu等人對一種新型太陽能-空氣源熱泵(SAS-HPWH)熱水器的運行性能進行了模擬研究，分析了太陽輻射、環境溫度和壓縮機容量對加熱熱水性能的影響[4]；饒榮水等人綜述了寒冷地區用空氣源熱泵技術的新進展[5]；柴沁虎等人總結了空氣源熱泵在寒冷地區使用時需要解決的一些問題，提出基于準二級壓縮過程的帶經濟器的渦旋壓縮機系統應該是最佳的方案[6]；Ma等人為了推廣空氣源熱泵在寒冷地區的應用，提出了一種帶輔助進氣的渦旋壓縮機的新型系統，并且在北京地區進行了實驗驗證，表明有很好的制熱性能[7]；南倩[8]、許可等人[9]通過研究發現，空氣源熱泵低溫輻射供暖在陜西漢中及鄭州地區都能滿足室內舒適性要求；楊子旭等人根據實測數據建立性能模型，提出空氣源熱泵機組名義工況、季節性能評價工況，以及名義工況及部分負荷性能系數限定值[10]。為推廣新型熱泵的應用范圍，Huang等人對新型塔式熱泵系統做了世界范圍內的綜合性能評價[11]；李元哲分析了空氣源熱泵地板輻射供暖的供熱量隨室外溫度降低的影響規律，建立了地板輻射供暖的數學模型[12-14]；余麗霞等人通過空氣源熱泵換熱器結霜原理，得到與氣象要素有關的結霜邊界和長江流域不同地區的結霜及結凍頻次，給出了長江流域地區幾個典型城市空氣源熱泵系統的適用等級[15]；張慧玲通過計算不同地區使用空氣源熱泵時的結霜量來衡量空氣源熱泵的適用性，給出了非常適宜區、適宜區、慎用區3個適宜性分級[16]。以上研究對于空氣源熱泵供暖技術的推廣具有重要意義。

目前關于空氣源熱泵推廣研究分為新型技術或系統研究、室外側名義工況研究及適應性研究，少有的適應性分區研究僅是分析不同地區的關鍵氣候要素或結霜量。采用氣候要素進行評價雖然具有普適性，但難以針對特定的建筑和暖通空調系統進行詳細分析，無法考慮到建筑的制熱量隨室外空氣條件的變化，因此可能會低估其供暖節能潛力，并且無法科學地評估不同地區整個供暖期的制熱性能變化情況。本文以典型居住建筑為例，通過選址、建筑負荷計算、系統模擬和評估等過程，基于EnergyPlus定量化模擬分析空氣源熱泵地板輻射供暖在不同氣候條件下的制熱效果差異，對于空氣源熱泵地板輻射供暖實際應用推廣具有一定的指導意義。

1 地點選擇

首先進行選址，排除空氣源熱泵地板輻射供暖局限性較大及無供暖需求的區域。嚴寒地區冬季氣溫低、空氣含濕量小，雖然不易結霜，但目前空氣源熱泵技術在嚴寒地區使用存在能效低的問題，因此不研究其在嚴寒地區的適用性情況。本文為了排除無供暖需求的區域和后期分析不同地區整個供暖期內的制熱性能情況，采用JGJ/T 346—2014《建筑節能氣象參數標準》中提供的各地區計算供暖期算法確定供暖時長及起止日期[17]，算法步驟如下：

1) 選擇連續n年(n≥10)逐日日平均干球溫度tm,i(1≤m≤n，1≤i≤365)，形成如式(1)所示的n個數列。

(1)

(2)

將計算得到的ti,dny形成數列如下：

(t1,dnyt2,dny…ti,dny…t365,dny)。

3) 計算每日起連續5日內ti,dny的滑動平均值ti,5dny，并形成重組數列如下：

(t1,5dnyt2,5dny…ti,5dny…t365,5dny)。

4) 將3)中第一個數值小于或等于5 ℃的日期作為供暖期開始日，最后一個數值小于或等于5 ℃的日期之后的第4日作為供暖期結束日。

利用MATLAB編程精確計算不同城市的供暖期(即供暖時長)，計算選取的氣象數據為2008—2017年日平均干球溫度，數據從氣象局官網獲取(https:∥data.cma.cn/)。通過計算，溫和地區和夏熱冬暖地區基本無供暖需求。因此，分別分析空氣源熱泵地板輻射系統在寒冷地區和夏熱冬冷地區整個供暖期的制熱性能。本文所用地圖來源于中國科學院資源環境科學與數據中心官網(http:∥resdc.cn/)。圖1a表示92個城市供暖期天數分布情況，整體呈現出供暖天數隨著緯度增大而減少的趨勢，排除其中供暖時長為0的城市，例如重慶、桂林和溫州等城市，選擇其中41個典型城市作為模擬分析對象，城市分布情況如圖1b所示，所選典型城市能較為全面地覆蓋所在氣候區，且有相對突出的供暖需求，計算得到其中部分城市的供暖期起止時間及供暖期天數如表1所示。

圖1 所選城市分布

表1 部分典型城市供暖期

2 典型建筑模型及參數設置

2.1 建筑模型

模擬居住建筑參考《建筑設計資料集》(第3版第2分冊)[18]中常見建筑戶型，建筑朝向均為南向，圖2a、b分別為多層和高層居住建筑簡化后的標準層平面圖，建筑面積分別為1 104.36、6 075.54 m2，層高均為2.9 m，其中，多層居住建筑層數為6層，高層居住建筑層數為18層。材料熱物性參數及圍護結構構造如表2、3所示，其中圍護結構傳熱系數限值、體形系數和窗墻面積比均分別滿足JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[19]及JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》[20]的規定。

圖2 建筑標準層平面圖

表2 材料熱物性參數

2.2 模擬參數設置

文獻[21]詳細介紹了建筑能耗模擬軟件EnergyPlus的空氣源熱泵模擬模塊，并驗證了其結果準確性。本文采用EnergyPlus軟件進行建筑負荷計算及空氣源熱泵地板輻射供暖性能模擬，模擬和分析所選取的氣象數據源于該軟件官方自帶的氣象數據(CSWD文件)，模擬時間為上文計算得到的各典型城市供暖期。內外表面換熱系數分別采用TARP算法、DOE-2算法計算。寒冷地區的居住建筑內熱源發熱量為3.8 W/m2，換氣次數為0.5 h-1；夏熱冬冷地區的居住建筑內熱源發熱量為4.3 W/m2，換氣次數為1 h-1。地板輻射供暖室內溫度可以降低2～3 ℃[22]，因此居住建筑室內設計溫度取16 ℃。用于輻射地板的熱泵機組的供水溫度設為35 ℃，供回水溫差設為5 ℃。

表3 居住建筑圍護結構構造

2.3 建筑負荷計算及熱泵系統的設計和選擇

采用EnergyPlus計算41個城市在供暖室外設計工況下的建筑負荷。熱泵名義制熱工況下的制熱量及COP如表4所示。所確定采用的空氣源熱泵容量均以計算得到的設計熱負荷為依據，例如上海供暖室外計算溫度為1.2 ℃[22]，多層居住建筑供暖負荷為36 329.44 W，因此選擇0150ER5-FD(41 kW)熱泵機組來滿足供熱需求。此外，對寒冷地區進行整個供暖期內全房間持續供暖模擬，對夏熱冬冷地區進行供暖期內每日20:00至次日06:00時間段內全房間供暖模擬[23](下文稱之為部分時間供暖)。

表4 熱泵在名義工況下的參數

3 評價指標AHSPF和J的定義

空氣源熱泵地板輻射供暖適用性不僅要從其系統運行性能進行分析，也要從室內舒適角度定量化其供暖效果。為了評價空氣源熱泵地板輻射供暖在不同氣候區的應用潛力，提出實際供暖季節性能系數AHSPF(actual heating seasonal performance factor)及供暖保障率J來評價空氣源熱泵清潔供暖的適用性效果。

(3)

式中COPj為熱泵機組的逐時性能系數；m為供暖期內熱泵運行的總時間。

“你可找對了，這個就是我這批貨里最特別的了。這個叫電色假玉。是把劣質玉電鍍上一層翠綠色的外表，讓人難辨真假。遇上這種偽玉，就需要你仔細去觀察了。”老道把玉舉到近前，“因為電鍍時會留下裂紋，電色假玉上面會有一些綠中帶藍的小裂紋。行家稱這個為‘蜘蛛爪’。但是這些花紋不起眼，一般用這個就足夠騙過大多數人了。”

(4)

(5)

式(4)、(5)中Jx為單個房間的供暖保障率；I為符合對應條件的指示函數；ti為采用空氣源熱泵地板輻射供暖時供暖期內單個房間逐時溫度；q為供暖期內的總時間；z為建筑房間總數。

4 模擬結果及分析

采用EnergyPlus模擬軟件模擬了不同氣候區各典型城市空氣源熱泵地板輻射供暖在整個供暖期的制熱效果，研究空氣源熱泵地板輻射供暖在不同氣候區冬季供暖的適宜性。

4.1 空氣源熱泵地板輻射供暖適宜性分析

AHSPF是評價系統性能的綜合指標。如圖3所示，在多層居住建筑中，不同位置的AHSPF在3.03～3.88之間變化；在高層居住建筑中，不同位置的AHSPF在3.96～4.83之間變化。AHSPF隨緯度的增大而減小，因為干球溫度降低會降低熱泵效率，使得熱泵機組不斷啟停，增加能耗，從而降低系統性能系數。

圖3 空氣源熱泵地板輻射系統的AHSPF分布

圖4 空氣源熱泵地板輻射系統J分布

J是評價室內舒適的重要指標。如圖4所示，不同位置的J存在較大差異，在多層居住建筑中，J在0.42%～98.39%之間變化，其中拉薩AHSPF雖然僅有3.14，但其J為95.85%，相反景德鎮的AHSPF為3.68，但其J僅為0.42%；在高層居住建筑中，J在1.79%～99.59%之間變化，同樣地，拉薩AHSPF為4.13，但其J為97.57%，景德鎮的AHSPF為4.81，但其J僅為1.79%。因此，在采用空氣源熱泵地板輻射系統供暖時要綜合考慮AHSPF和J。空氣源熱泵地板輻射系統供暖在夏熱冬冷地區表現優異，寒冷地區的AHSPF雖然較夏熱冬冷地區偏低，但供暖保障率普遍較高，能較好地提高室內溫度，具有推廣意義。

圖5顯示了2種典型建筑類型在不同氣候區10個城市AHSPF與J的對比情況。結果表明：1) 從系統運行評價指標AHSPF層面分析，不同氣候區有較大差異，夏熱冬冷地區實際供暖季節性能系數均高于寒冷地區。從定量化角度分析，以杭州和蘭州多層居住建筑為例，杭州AHSPF為3.73，蘭州AHSPF為3.03，不同氣候區下2個城市的AHSPF差值為0.70，相差18.8%；相同氣候區內差異較小。2) 從室內熱舒適評價指標J層面分析，不同氣候區有較大差異，例如，拉薩多層居住建筑供暖保障率為95.85%，漢中為14.12%，差值為81.73%，相差85.3%；相同氣候區下，采用全供暖期內持續供暖的寒冷地區與采用部分時間供暖的夏熱冬冷地區供暖保障率表現不同，寒冷地區J差異不大，但同屬于夏熱冬冷地區的武漢，供暖保障率J是漢中的4倍以上。因此，從系統運行及室內熱環境2個角度分析，進一步量化證實了夏熱冬冷地區整體系統運行較寒冷地區更優，寒冷地區溫度保障率整體較高，具有推廣意義。

圖5 典型城市供暖期內適用性對比

為分析夏熱冬冷地區供暖保障率較寒冷地區偏低的原因，對夏熱冬冷地區10個典型城市進行了持續供暖模擬，以多層居住建筑為例，結果如圖6所示。可以發現：1) 采用部分時間供暖方式的AHSPF略高于采用持續供暖方式的AHSPF，相同城市下2種供暖方式AHSPF差值在0.20～0.42之間變化，相差較小；2) 采用持續供暖方式的供暖保障率明顯高于采用部分時間供暖方式，相同城市2種供暖方式J差值在29.83%～83.67%之間變化，相差較大，并且采用持續供暖方式的供暖保障率在77.86%～99.05%之間變化，能較好地滿足室內熱舒適。綜上所述，在只考慮供暖實際效果，不考慮經濟性問題時，推薦空氣源熱泵地板輻射供暖采用全供暖期內持續供暖方式。

圖6 典型城市多層居住建筑不同供暖方式適用性對比

4.2 供暖期內性能系數COP頻次分布

上文使用AHSPF和J綜合地定量化評價了不同氣候區下空氣源熱泵地板供暖的適用性，但是由于其制熱效果隨室外氣候波動而不斷變化，因此也需要密切關注整個供暖期逐時性能系數COP。表5給出了上海和榆林的熱泵選型參數，圖7給出了上海和榆林2個城市多層居住建筑和高層居住建筑COP的頻次分布狀況。由圖7可以看出：1) 上海地區無論是多層居住建筑還是高層居住建筑，供暖期內逐時性能系數均高于其所選熱泵名義工況下的COP，例如上海多層居住建筑供暖期內逐時性能系數均高于3.13。2) 榆林地區多層居住建筑供暖期內逐時性能系數中有33.89%低于其所選熱泵名義工況下的COP，高層居住建筑供暖期內逐時性能系數中有13.99%低于其所選熱泵名義工況下的COP。從以上分析可以發現，將相同室外側測試工況條件下生產的熱泵服務于不同地區，空氣源熱泵地板輻射供暖能夠保證高于額定性能系數的工作時間存在很大差異，目前我國熱泵制熱適用區主要有2類，普通型(名義工況7 ℃/6 ℃)、低溫型(名義工況-12 ℃/-14 ℃)[24]，這限制了空氣源熱泵供暖的推廣。因此，未來應該針對不同氣候區，乃至不同城市提出不同的室外側測試工況，并且要求室外側工況點避開易結霜區域，使空氣源熱泵地板輻射供暖能夠最大化高效提供熱量。

5 討論

理論上不同末端的空氣源熱泵在夏熱冬冷地區較寒冷地區都應表現優異，本文僅關注空氣源熱泵以地板輻射作為末端的實際適用性情況，并且對寒冷地區建筑模型進行全房間持續供暖方式模擬，對夏熱冬冷地區建筑模型進行全房間部分時間供暖及持續供暖模擬。此外，本文僅關注現有較為成熟的普通型熱泵的適用性情況，未分析低溫型熱泵的適用性情況，僅關注空氣源熱泵地板輻射供暖的適用性，未考慮其經濟性。

表5 典型城市熱泵選型參數

圖7 典型城市供暖期內COP頻次分布

6 結論

1) 我國空氣源熱泵地板輻射系統供暖潛力大體從東南向西北方向呈遞減趨勢，AHSPF隨著緯度的增大而減小，供暖期(供暖時長)則與其相反。各地區供暖保障率無明顯規律，但客觀反映了各地區自然熱源可利用潛力。不考慮經濟性問題時，推薦空氣源熱泵地板輻射供暖采用持續供暖方式。

2) 空氣源熱泵地板輻射供暖系統在夏熱冬冷地區表現優異，多層居住建筑實際供暖季節性能系數AHSPF在3.03～3.88之間變化，高層居住建筑AHSPF在3.96～4.83之間變化；在寒冷地區AHSPF雖然偏低，但能較好地提高室內溫度，具有推廣意義。夏熱冬冷地區南部，例如長沙、南昌等地區AHSPF雖高，但是供暖時長不足10 d，可考慮間歇電暖氣供暖。

3) 本文分析評價了相同形式的供暖系統在寒冷地區和夏熱冬冷地區的運行性能，實際工程中，若使系統在不同地區達到更佳的運行性能，提高能源利用率，需給出不同地區不同的室外側名義工況組合(干球溫度/濕球溫度)，為空氣源熱泵地板輻射系統提供更準確的設計指導。