行為模式對戶式空氣源熱泵地暖系統供熱性能的影響

武群飛 南曉紅 王筠涵

(西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院 西安 710055)

我國越來越重視能源環境問題與可持續發展，相繼提出“綠水青山就是金山銀山”的理念和三大攻堅戰之一的“藍天保衛戰”。針對傳統的小型分散燃煤鍋爐等效率低、污染大的采暖系統提出了“煤改清潔能源”工程，其中空氣源熱泵以高效、節能和環保的優勢在一眾“煤改電”設備中脫穎而出，被迅速推廣使用[1]。2020年9月，我國政府正式提出碳達峰和碳中和的目標，可以預見空氣源熱泵的使用將進一步增加，前景持續向好[2]。

地板輻射供暖系統具有節能、衛生條件好和舒適性高等優點，供暖所需熱水溫度較低，可與空氣源熱泵很好的結合，使空氣源熱泵在高效的狀態下運行。目前空氣源熱泵地板輻射供暖系統已得到廣泛使用[3-4]。

對于使用者來說，相比于集中供熱，戶式空氣源熱泵供暖系統在運行時更加靈活，使用者可以根據舒適、經濟和節能等因素自行調節供水溫度和供暖時間。使用者設置的系統運行參數及控制策略對系統的供暖效果和能耗有重要影響，國內外學者對此進行了大量研究[5-7]。張寅等[8]分析實驗測試數據發現減小地板供暖管敷設間距可以適當降低供水溫度，進而提高空氣源熱泵的工作效率。吳學紅等[9]發現環境溫度為-12 ℃，供水溫度由25 ℃增至55 ℃時，系統能耗增加105%，系統能效下降47.6%。張楊杰[10]指出供水溫度越高，管網的傳熱能力越強，輻射地板的散熱量越大，室內溫度越高。此外，一些學者提出的間歇控制策略[11-13]和預測控制策略[14]可以在保證室內舒適性的前提下降低能耗，同時提高經濟性。

對于北方高校隨新校區建設而配套的教職工公寓或住宅，普遍存在入住率低、入住人數少以及不定期等諸多情況，采用戶式空氣源熱泵地暖系統供熱具有顯著優勢，可以通過改變供水溫度以及控制分集水器上的閥門來滿足個性化的供暖需求。因此，研究不同行為模式下的采暖系統運行特性對于探究采暖系統的舒適性及節能性非常必要。

大多數戶式供暖研究使用測試室和計算機建模，然而實際系統的性能通常與實驗室測試或使用計算機模型計算的性能不同，因為實際使用時環境條件處于變化之中。本文對西咸新區某住宅戶式空氣源熱泵地板輻射供暖系統進行實驗，分別研究了改變供水溫度和供暖回路數量后系統的供暖效果和運行特性。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗對象

在位于西咸新區的中國西部科技創新港內有2 000余套住宅使用戶式空氣源熱泵二聯供系統進行冬季采暖，采暖時有熱風和地暖兩種選擇。本實驗選取其中一套住宅作為測試對象，主要針對地暖系統進行研究與分析。測試住宅建成于2020年，圍護結構各項參數滿足陜西省DBJ 61-65-2011《居住建筑節能設計標準》[15]的規定，面積為167.55 m2，處于其所在高層住宅樓的中部，無人居住且無家具擺放，同一層及上下層相鄰住宅均不采暖。

根據文獻[16]中的熱負荷計算方法，規定供暖室內設計溫度為18 ℃，計算得到熱負荷為8.3 kW。根據文獻[17]對機組的有效制熱量進行修正后選取的空氣源熱泵參數如表1所示。供暖系統設計供回水溫度為45 ℃/40 ℃，住戶可根據需要自主運行系統為連續供暖或停止供暖。

表1 空氣源熱泵性能參數Tab. 1 Performance parameters of air-source heat pump

住宅內地埋管采用濕式埋法，地暖盤管選擇PE-RT管，管外徑為20 mm，管間距由設備廠家根據供暖設計參數計算得到，分別為150 mm(主臥、書房、主衛、客衛)和200 mm(次臥、客臥、客廳、餐廳)等。系統初調節已完成，由設備廠家實施。

實驗測試住宅及溫度測點平面布置如圖1所示，其中客廳采用瓷磚鋪設，臥室和書房采用地暖專用復合木地板鋪設。

a空氣源熱泵室外機；b空氣源熱泵室內機；c分集水器；d客臥溫度測點；e客廳溫度測點；f次臥溫度測點g主臥溫度測點；h書房溫度測點。圖1 住宅及測點布置平面圖Fig. 1 Layout plan of residence and measuring points

1.2 實驗系統

實驗系統如圖2所示。本實驗采用分體式空氣源熱泵，包括室外機和室內機。室內機由套管式換熱器、電加熱器、膨脹水箱、水泵和Y型過濾器等裝置組成，通過套管式換熱器實現制冷劑與地暖水的熱量交換，制備低溫熱水用于冬季采暖。由于存在室內機，整個水系統均處于室內，相比于水系統在室外的整體式空氣源熱泵，可以更好地實現防凍。

1風機；2翅片式換熱器；3四通換向閥；4壓縮機；5電子膨脹閥；6套管式換熱器；7電加熱器；8膨脹水箱；9 水泵；10分水器；11集水器；12Y型過濾器。圖2 實驗系統Fig. 2 Experimental system

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗A

為考察戶式空氣源熱泵地暖系統在冬季不同供水溫度時的供暖特性，綜合考慮房間使用功能、朝向和地板材質，于2021年1月11—16日對客廳、臥室及書房內的空氣溫度和地面溫度進行了測試，同時還測試了室外溫度、供回水溫度及系統耗電量等參數，測試儀器如表2所示。

表2 測試物理量及測試儀器性能參數Tab. 2 Test physical quantity and performance parameters of test instrument

供、回水溫度測點如圖2中T1和T2所示。室內空氣溫度測點方面，考慮到人員的生活習慣， 客廳在垂直方向上布置了兩個測點，分別為0.6 m(坐姿腹部)和1.1 m(坐姿頭部)；主臥在0.6 m(床上平躺高度)處設置了一個測點；書房在1.1 m(坐姿頭部)處設置了一個測點；客廳和書房溫度測點在水平方向上布置時考慮到室內人員預期所處的位置，臥室溫度測點均布置在房間中心，如圖1所示。地面溫度測點與室內空氣溫度測點的水平位置相同，緊貼地板表面。

空氣源熱泵供水溫度可設定范圍為25～55 ℃，實驗A選取高限55 ℃和較低溫度30 ℃進行測試，根據供水溫度不同，可以分為如下階段：

(1)1月11日13∶00至1月14日09∶00，供水溫度設定為55 ℃；

(2)1月14日09∶00至1月15日19∶00，關閉機組，自然降溫；

(3)1月15日19∶00至1月16日09∶00，供水溫度設定為30 ℃。

1.3.2 實驗B

測試住宅內的客廳、書房和臥室等房間的地暖盤管回路均為獨立設置，關閉客廳對應的盤管回路不會影響書房和臥室內盤管的正常供暖。實驗B主要研究改變供暖回路數量后的室內溫度和耗電量的變化規律，根據供暖回路數量不同，可以分為兩個階段：

階段Ⅰ：2020年12月17日19∶00至2021年1月1日14∶30，供水溫度為45 ℃，所有地暖盤管回路閥門均打開，即全屋供暖；

階段Ⅱ：2021年1月1日14∶30至2021年1月9日00∶00，供水溫度為45 ℃，關閉次臥和客臥對應的地暖盤管回路的閥門，即次臥和客臥停止供暖，其他房間正常供暖。

實驗B對客廳、書房和3個臥室的空氣溫度以及系統耗電量進行了測試，空氣溫度測點平面布置如圖1所示，每個房間一個測點，高度為1.1 m，測試儀器與實驗A相同。

為了保證測試結果的準確性，將實驗使用的所有溫度自記儀置于房間內同一位置，一段時間后，判斷各溫度測試儀器的讀數誤差是否在±0.5 ℃內，若是，則認為溫度自記儀符合實驗要求。結果表明，各溫度自記儀的讀數誤差能保證在±0.4 ℃內，可以用于實驗測試。

1.4 熱環境評價指標

當地板溫度過暖或過冷時，人們由于足部的熱感可能感覺不舒服，對于穿著較薄室內鞋的人而言，影響舒適的因素主要來自地面溫度而不是地板覆蓋材料[18]。基于對站立或靜坐人們的研究，提出地板表面溫度局部不滿意率，可按式(1)計算：

(1)

式中：PD為地板表面溫度局部不滿意率，%；tf為地板表面溫度，℃。該式不適用于長時間使用電加熱地板的人。

文獻[18]將建筑室內熱濕環境分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級共3個等級，分別對應PD<15%、15%≤PD<20%和PD≥20%。

2 實驗A結果及討論

2.1 階段(1)供暖效果

階段(1)測試期間，室外溫度為-7.2～16.5 ℃，平均氣溫為2.2 ℃；相對濕度為24.3%～88.9%，平均相對濕度為59.7%。設定供水溫度為55 ℃，測得的室內空氣溫度和地面溫度分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯鲈诳蛷d高度方向上，地面溫度最高，1.1 m處空氣溫度最低，坐下時腳暖頭涼且溫差始終未超過1.5 ℃，符合人體熱舒適要求。以客廳0.6 m和1.1 m處空氣溫度的平均值來代表客廳空氣溫度，達到較穩定狀態時，客廳、主臥和書房空氣溫度分別約為26、22、21.5 ℃，客廳和主臥地面溫度分別約為33 ℃和28.5 ℃。

圖3 階段(1)室內空氣溫度隨時間的變化Fig. 3 Variation of indoor air temperature with time in stage (1)

圖4 階段(1)地面溫度及PD隨時間的變化Fig. 4 Variation of ground temperature and PD with time in stage (1)

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[16]規定，人員長期逗留區域室內空氣溫度應取18～24 ℃；人員經常停留的地面宜采用的溫度為25～27 ℃?？芍_到較為穩定狀態時，客廳空氣溫度和地面溫度均已超過了規范推薦的范圍，不利于節能。

根據式(1)計算地板表面溫度局部不滿意率，結果如圖4所示。初始地面溫度較低，PD較高，機組開機后，客廳PD和主臥PD均迅速下降，5 h后PD降至20%以內。隨著供暖的進行，主臥PD始終可以保持在15%以內，舒適性較好；而客廳由于地面溫度過高，反而導致PD越來越高，并在1月13日上午回到20%以上，室內熱濕環境處于Ⅲ級，舒適度較低。實際1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外氣溫較低，平均氣溫為-2.3 ℃，但PD仍然可以保持在20%以上?？芍^高的供水溫度會造成局部熱不適，表明用戶雖然可以自行設定供水溫度，但不宜設置過高。

2.2 不同供水溫度供暖效果的對比

選取室外溫度相近的兩個夜間進行不同供水溫度下供暖效果的對比。1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外溫度為-6.4～5 ℃，平均值為-2.3 ℃，供水溫度為55 ℃；1月15日19∶00至1月16日09∶00，室外溫度為-7.2～3.8 ℃，平均值為-1.83 ℃，供水溫度為30 ℃。

圖5和圖6所示分別為兩種供水溫度下不同房間的室內溫度和地面溫度。供水溫度為55 ℃時，客廳室溫與主臥室溫平均差值在3.5 ℃以上，與書房室溫平均差值在4 ℃以上；供水溫度為30 ℃時，客廳室溫與主臥室溫平均差值在1 ℃以下，與書房室溫平均差值在1.5 ℃以下。可知不同房間室內溫度的差值會隨供水溫度的升高而增大，而過大的溫差會使人員從高溫房間進入低溫房間時感到寒冷與不適，因此供水溫度不宜設置過高。

圖5 不同供水溫度下室內空氣溫度對比Fig. 5 Comparison of indoor air temperature under different water supply temperatures

圖6 不同供水溫度下地面溫度對比Fig. 6 Comparison of ground temperature under different water supply temperatures

2.3 不同供水溫度耗電量的對比

1月13日19∶00至1月14日09∶00和1月15日19∶00至1月16日09∶00這兩段時間室外溫度相近，熱負荷相似，耗電量具有可比性，具體耗電量如表3?？芍捎?5 ℃供水溫度比采用30 ℃供水溫度耗電量增加191%，可知相同的設備供水溫度越高，向室內釋放熱量越多，耗電量也越大。根據實驗觀察，采用55 ℃供水溫度進行供暖時，電加熱一直保持開啟狀態(不包括除霜期間)，這也是耗電量更高的原因之一。因此考慮節能方面，應在滿足人體熱舒適性的前提下選擇較低的供水溫度，減少機組在運行過程中的耗電量。

表3 不同供水溫度下的耗電量Tab. 3 Power consumption under different water supply temperatures

3 實驗B結果及討論

實驗B供水溫度為45 ℃，2020年12月17日19∶00開機，運行至2021年1月9日00∶00關機，共533 h。實驗B測試期間，室外溫度為-11.9～11.3 ℃，平均氣溫為-1.7 ℃；相對濕度為23.3%～93.5%，平均相對濕度為61.2%。

3.1 改變供暖回路數量對室溫的影響

由圖1可知，主臥與次臥相鄰而與客臥相距較遠，客廳與次臥和客臥均相鄰且處于兩個房間之間，書房與次臥和客臥均不相鄰?？梢灶A見，當次臥和客臥不再進行供暖時，與這兩個房間相鄰的房間室溫必然會受到影響。因此根據房間的相鄰關系選取主臥、次臥、客廳和書房作為代表性房間，對這些房間室溫的變化進行分析，各房間空氣溫度在整個測試期間的變化如圖7所示。

圖7 實驗B室內空氣溫度隨時間的變化Fig. 7 Variation of indoor air temperature with time in test B

由圖7可知，階段Ⅰ機組開機后，室內溫度迅速上升，經過100 h，所有房間室溫均達到穩定狀態，此時室外溫度的變化對室內溫度影響較小。至階段Ⅱ時，由于次臥停止供暖，空氣溫度迅速下降，最終維持在約14 ℃且波動較小，與階段Ⅰ次臥室溫的穩定值相比，下降約8.5 ℃。主臥、客廳和書房室溫同樣存在不同程度的降幅，以階段Ⅱ開始時刻為中心，前7 d與后7 d室外氣溫相近，分別計算前7 d和后7 d各房間室溫的平均值來代表兩個階段各房間室溫的平均值，計算結果如表4所示。由表4可知，室溫降幅由大到小依次為：客廳>主臥>書房，這是由于各房間的位置關系導致。從數值來看，主臥和書房室溫分別降低了1.4 ℃和0.5 ℃，對于地暖供熱而言這是可以接受的；客廳室溫降低了2.9 ℃，溫降較大，會對室內熱舒適性產生不利影響。由此可知，用戶在減少室內供暖房間數量時，應考慮到各房間的位置關系，避免正常供暖的房間有兩個或兩個以上鄰室停止供暖。

表4 階段Ⅰ與階段Ⅱ各房間平均室溫Tab. 4 Average room temperature of each room in stage Ⅰ and stage Ⅱ

3.2 改變供暖回路數量對耗電量的影響

實驗期間的日耗電量如圖8所示，在階段Ⅰ剛開始供暖時，日耗電量較高，最高達到140 kW·h，隨后逐漸趨于穩定，保持在約75 kW·h。至階段Ⅱ時，由于關閉了兩路地暖盤管，向室內的供熱量減少，機組耗電量也有所降低。以階段Ⅱ開始時刻為中心，不包括1月1日當日，分別計算前7 d和后7 d機組日耗電量的平均值來代表兩個階段日耗電量的平均值，計算得到階段Ⅰ和階段Ⅱ的平均日耗電量分別為76.1 kW·h和 61.9 kW·h。說明關閉兩路地暖盤管后，耗電量減少18.7%，節能效果顯著，對于戶式空氣源熱泵地暖系統，可以采用減少供暖回路的數量來實現節能運行。

圖8 實驗B日耗電量隨時間的變化Fig. 8 Variation of daily power consumption with time in test B

4 結論

本文針對不同的供暖行為模式對戶式空氣源熱泵地暖系統節能與舒適性的影響進行了實驗研究，得到如下結論：

1)設定過高的供水溫度不僅不利于節能而且會由于高溫造成過熱不舒適。室外平均溫度為-2.3 ℃，按照機組最高供水溫度55 ℃運行時，會導致室內溫度過高，地板表面溫度局部不滿意率超過20%，耗電量相對于供水溫度為30 ℃時增加了191%。

2)隨著供水溫度的提高，戶內各房間的溫差變大，過大的溫差會使人員從高溫房間進入低溫房間時感到寒冷與不適，因此供水溫度不宜設置過高。

3)按需減少供暖回路數量的行為模式對正常供暖房間室溫的影響程度與各房間的位置關系相關，應避免正常供暖的房間有兩個或兩個以上鄰室停止供暖。室外平均溫度為-1.7 ℃，次臥和客臥停止供暖后，主臥、客廳和書房室溫比全屋供暖時分別降低1.4、2.9、0.5 ℃。

4)按需減少供暖回路的數量可以顯著降低系統耗電量。次臥和客臥停止供暖后，系統耗電量降低了18.7%。合理減少供暖回路數量，可以在保證室內熱舒適性的前提下實現系統的節能運行。