空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方式

杜彥，田琦，楊晉明，郭衛(wèi)強(qiáng)

（1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原市恒星偉業(yè)冷凍空調(diào)設(shè)備有限公司，山西 太原030024）

目前，我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)房屋每年以20%的速度增長(zhǎng)，而建筑總能耗約占社會(huì)終端能耗的20.7%［1］，在建筑能耗中，非節(jié)能的供暖能耗占據(jù)十分重要的地位.因此，供暖能耗的節(jié)能減排刻不容緩.近幾年，空氣源熱泵低溫?zé)崴匕遢椛涔┡夹g(shù)已得到很多專家學(xué)者的關(guān)注和研究［2－5］.空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)運(yùn)行節(jié)能效果顯著［2，6－7］.地板輻射供暖舒適衛(wèi)生、熱穩(wěn)定性好、節(jié)省室內(nèi)空間［8－9］.研究表明，當(dāng)?shù)嘏P管敷設(shè)時(shí)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?zé)崴匕遢椛涔┡夹g(shù)相較于傳統(tǒng)供暖方式節(jié)能20%～30%［11］.空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)是一種新型供暖方式，它將節(jié)能環(huán)保的空氣源熱泵技術(shù)與高換熱效率的制冷劑直接地板輻射供暖技術(shù)相結(jié)合，有效提高供熱效率，并且其廣泛的能量來(lái)源可使此系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于集中供熱無(wú)法到達(dá)的城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民住宅建筑.與傳統(tǒng)的空氣源熱泵低溫?zé)崴匕遢椛涔┡啾?，空氣源熱泵直接地板輻射供暖的?jié)能性更高（傳熱工質(zhì)直接使用制冷劑，減少中間一次換熱），且獨(dú)立可控（壓縮機(jī)采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)，可大范圍調(diào)節(jié)制冷劑容量）.就空氣源熱泵供暖存在的兩大問(wèn)題，室外溫度越低系統(tǒng)性能系數(shù)越低和停機(jī)除霜［12］，雖然已有大量學(xué)者提出多種解決辦法［13－15］，但仍然沒(méi)有確切的辦法可以徹底解決這兩個(gè)困擾已久的問(wèn)題.本文通過(guò)對(duì)某安裝了空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)的住宅建筑進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并結(jié)合DeST－h(huán)軟件的模擬數(shù)據(jù)，得出經(jīng)濟(jì)性最佳的系統(tǒng)運(yùn)行方式.

1 研究對(duì)象

1.1 供暖系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principle diagram

空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)是由數(shù)碼渦旋空氣源熱泵與地板輻射盤管相結(jié)合，如圖1 所示.系統(tǒng)基本工作原理是逆卡諾循環(huán)，以R22為制冷劑，通過(guò)數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)將制冷劑壓縮升溫，直接流入室內(nèi)地埋管向屋內(nèi)供暖；然后，流過(guò)節(jié)流裝置降溫減壓，再通過(guò)空氣熱交換器吸收空氣中的低品位能；最后，進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán).系統(tǒng)通過(guò)地埋管輻射散熱，使得距地板表面2m 以內(nèi)空間溫度得到很好保證，人體對(duì)溫度的感受是頭冷腳熱，是目前舒適度和節(jié)能性均較高的一種供暖方式.

數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的核心技術(shù)是“軸向柔性”技術(shù)（美國(guó)谷輪公司專利技術(shù)），此技術(shù)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(dòng)很小的距離，以確保渦旋盤始終以最佳力工作.因此數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)并且無(wú)級(jí)的容量輸出［16－17］.數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)不僅體現(xiàn)在容量調(diào)節(jié)范圍廣（10%～100%），還有無(wú)需回油裝置、電磁干擾可忽略不計(jì)、調(diào)節(jié)容量反應(yīng)迅速、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).將其應(yīng)用至此系統(tǒng)最重要的原因是數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)可直接把制冷工質(zhì)作為傳熱介質(zhì)［16］.與傳統(tǒng)低溫?zé)崴到y(tǒng)相比，將制冷劑直接作為傳熱工質(zhì)的方式減少了一次中間傳熱過(guò)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(shí)測(cè)建筑概況

實(shí)測(cè)建筑位于山西省中南部，磚混結(jié)構(gòu)，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(xiàn)居住人數(shù)為2人.建筑物計(jì)算用采暖期室外平均溫度為－2.3 ℃［19］，采暖設(shè)計(jì)室外計(jì)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(tǒng)的示范工程，參觀考察的流動(dòng)人員較多，經(jīng)常性的啟閉外門和人員的散熱等因素對(duì)建筑室內(nèi)溫度等參數(shù)的測(cè)定有一定的影響.表1是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息（建筑物西側(cè)為采暖鄰室，故無(wú)西側(cè)外墻）.表1中：K為傳熱系數(shù)；A為建筑面積.

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息Tab.1 Building envelope parameters

2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用制冷劑為R22，進(jìn)出房間的溫度分別為30～40℃和20～30℃.設(shè)置專用電表記錄該系統(tǒng)的耗電量.實(shí)驗(yàn)主要設(shè)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(yáng)總輻射表，水銀溫度計(jì)，錫箔紙等.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用溫度熱流巡檢儀測(cè)量每面外墻的傳熱系數(shù)，在每面墻的中心附近設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)記錄在巡檢儀內(nèi).兩個(gè)溫濕度記錄儀分別放置于一層、二層客廳內(nèi)，距地面1m 左右，房間中心附近，并進(jìn)行了防輻射處理，每0.5h記錄一次室溫，以此溫度代表室內(nèi)平均溫度.水銀溫度計(jì)固定在室內(nèi)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(jì)底端，避免太陽(yáng)輻射影響溫度變化，每隔1h 讀取一次數(shù)據(jù)，用以校核室內(nèi)平均溫度、記錄室外溫度；太陽(yáng)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(dāng)天最后一次，每隔0.5h記錄一次.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間為2014年1月13日16：00，結(jié)束時(shí)間為2014年1月27日15：00，歷時(shí)14d.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)定空氣源熱泵開機(jī)時(shí)間為8：00，關(guān)機(jī)時(shí)間為18：00，這期間系統(tǒng)根據(jù)室溫實(shí)時(shí)變化，系統(tǒng)自動(dòng)控制流量在10%～100%運(yùn)行，室溫設(shè)定為20 ℃.采用白天運(yùn)行夜間停機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)期間室溫（θ）和耗電量（Q）的實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖2所示.

圖2 白天運(yùn)行夜間停機(jī)工況室內(nèi)溫度范圍和耗電量實(shí)測(cè)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(jié)果

3.1 軟件參數(shù)設(shè)置

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

3.2 模擬方案

根據(jù)空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的不同，本實(shí)驗(yàn)選擇三種不同的運(yùn)行方式模擬運(yùn)行工況，并分析這三種運(yùn)行方式的舒適性和經(jīng)濟(jì)性.

3.2.1 全天連續(xù)運(yùn)行 該運(yùn)行方式是傳統(tǒng)的運(yùn)行方式，其優(yōu)點(diǎn)是隨室內(nèi)溫度的變化，機(jī)組自動(dòng)控制，可保證室內(nèi)溫度始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)，舒適性較好.但此運(yùn)行方式?jīng)]有充分利用地板輻射供暖盤管敷設(shè)面積大和蓄熱性好的特點(diǎn)，增加了系統(tǒng)不必要耗電；而且，機(jī)組在低溫環(huán)境下運(yùn)行易造成經(jīng)常性停機(jī)除霜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組性能系數(shù)急劇下降，給用戶帶來(lái)不舒適感.使用DeST－h(huán)軟件模擬此方案主要用于與其他運(yùn)行方式的對(duì)比.

3.2.2 白天運(yùn)行夜間停機(jī) 該運(yùn)行方式是在白天設(shè)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，其余時(shí)間停機(jī)的間歇運(yùn)行.此運(yùn)行方式是為避開限制空氣源熱泵快速發(fā)展中夜間系統(tǒng)性能系數(shù)急劇下降和停機(jī)除霜兩大問(wèn)題.白天運(yùn)行夜間停機(jī)還能充分利用地板輻射供暖圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的優(yōu)勢(shì)，即白天圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以將系統(tǒng)供熱量和太陽(yáng)照射所吸收熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，夜間溫度下降較快時(shí)釋放到室內(nèi)，大大減緩室溫下降的速度.文中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即為此運(yùn)行方式下測(cè)得，最終模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證模擬結(jié)果真實(shí)性.

3.2.3 電價(jià)移峰填谷運(yùn)行 該運(yùn)行方式是在電價(jià)谷值時(shí)開啟系統(tǒng)進(jìn)行制熱供暖.峰谷分時(shí)電價(jià)的時(shí)段：8：00至22：00為峰電時(shí)段，其余時(shí)間為谷電時(shí)段.峰值電價(jià)比谷值電價(jià)高，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間均在谷值電價(jià)時(shí)，耗電費(fèi)用將大大減少.但必須考慮的是，在寒冷地區(qū)冬季夜間溫度較低，空氣源熱泵系統(tǒng)在此時(shí)段運(yùn)行的性能系數(shù)較低，且易出現(xiàn)停機(jī)除霜，影響供暖效果，而長(zhǎng)期出現(xiàn)停機(jī)除霜，會(huì)對(duì)機(jī)組性能產(chǎn)生破壞性影響.

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間為2014年1月13日16：00，結(jié)束時(shí)間為2014年1月27日15：00.實(shí)驗(yàn)開始前系統(tǒng)已運(yùn)行超過(guò)24h，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱，以保證實(shí)驗(yàn)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(jié)果

模擬試驗(yàn)期間，三種運(yùn)行方式的室溫和耗電量的模擬結(jié)果，如圖3所示.

圖3 不同運(yùn)行方式下室內(nèi)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(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)M三種不同運(yùn)行方式，其中全天連續(xù)運(yùn)行是目前普遍的運(yùn)行方式，節(jié)能性較差，而電價(jià)移峰填谷運(yùn)行則不利于設(shè)備自身性能的保護(hù).因此，這兩種運(yùn)行方式并未進(jìn)行實(shí)測(cè)，只是模擬與白天運(yùn)行夜間停機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行對(duì)比分析.

4.1 耗電量分析

根據(jù)圖2和圖3（b）可知：白天運(yùn)行夜間停機(jī)的耗電量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍基本一致，平均偏差為3kW·h，相對(duì)偏差約為9%.雖然存在一定誤差，但通過(guò)誤差分析進(jìn)行修正后模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性.產(chǎn)生偏差的主要原因：1）實(shí)際室外溫度與軟件中設(shè)定的室外氣象參數(shù)不可能完全相同；2）實(shí)測(cè)過(guò)程中，屋內(nèi)人員、設(shè)備增加，人體和設(shè)備散熱量變大；3）實(shí)驗(yàn)期間住戶仍每天開灶做飯也會(huì)產(chǎn)生熱量.

由上述對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的比較分析可知：耗電量模擬數(shù)據(jù)的修正系數(shù)為0.91，修正后模擬數(shù)據(jù)可較好的反正真實(shí)情況.

將圖3（b）與圖3（a）比較可知：全天連續(xù)運(yùn)行的日平均耗電量是白天運(yùn)行夜間停機(jī)的2.4倍.夜間室外溫度急劇下降，系統(tǒng)在夜間運(yùn)行時(shí)不僅制冷效率（coefficient of performance，COP）很低，耗電量大，而且易出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，不僅不能供暖，還需消耗大量電能除霜.另外，全天連續(xù)運(yùn)行并未利用地板輻射供暖系統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的優(yōu)點(diǎn)，因此節(jié)能性較差.

將圖3（b）與圖3（c）比較可知：電價(jià)移峰填谷運(yùn)行的日平均耗電量是白天運(yùn)行夜間停機(jī)的1.2倍.雖然這兩種運(yùn)行方式的耗電量相差并不大，但電價(jià)移峰填谷運(yùn)行使得系統(tǒng)需在溫度很低的夜間運(yùn)行.此時(shí)，機(jī)組不僅COP值很低，有結(jié)霜的問(wèn)題，而且長(zhǎng)期在低COP值運(yùn)行對(duì)機(jī)組自身性能維護(hù)也是很不利的.

4.2 逐時(shí)室溫分析

三種運(yùn)行方式的室溫實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比結(jié)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(jìn)行，可代表實(shí)驗(yàn)期間的模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一般規(guī)律.

由圖4（a）可知：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式為全天連續(xù)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度較平穩(wěn)，夜間溫度稍有下降，最低溫度在凌晨5點(diǎn)出現(xiàn)，為18.6 ℃，能很好滿足用戶的舒適性.

圖4 不同運(yùn)行方式下內(nèi)逐時(shí)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(shì)基本相同，實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果基本吻合，實(shí)測(cè)平均室溫為18.2 ℃，而溫度的模擬結(jié)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(tǒng)在開機(jī)期間，其室內(nèi)溫度保持在17～21.5 ℃之間，溫度基本在室溫要求范圍內(nèi)，變化平緩，關(guān)機(jī)后室溫下降；但由于地板輻射供暖系統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(tǒng)根據(jù)電價(jià)的不同移峰填谷運(yùn)行時(shí)，由于夜間開機(jī)溫度在18～20 ℃之間，保證了室內(nèi)溫度的舒適性；白天室內(nèi)溫度大約在17.5～19.5℃之間，溫度基本滿足室內(nèi)18 ℃的要求.

4.3 逐時(shí)耗電量分析

三種運(yùn)行方式的的逐時(shí)耗電量實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比，如圖5所示.由圖5（a）可知：此運(yùn)行方式的耗電量很大，24h耗電量為89.3kW·h，節(jié)能效果不佳.

由圖5（b）可知：在開機(jī)期間實(shí)測(cè)與模擬的每小時(shí)耗電量大致趨勢(shì)相同，夜間停機(jī)時(shí)由于系統(tǒng)仍與電源連接，所以有微小的耗電.此圖亦可以證明模擬結(jié)果的可用性.此24h的實(shí)測(cè)耗電量為35.66kW·h，模擬結(jié)果為35.8kW·h.

圖5 不同運(yùn)行方式下內(nèi)逐時(shí)耗電量Fig.5 System power consumption per hour under different operation modes

由圖5（c）可知：此運(yùn)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(yùn)行夜間停機(jī)運(yùn)行方式，遠(yuǎn)低于全天連續(xù)運(yùn)行方式，因此節(jié)能效果不錯(cuò).

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用DeST－h(huán)軟件，對(duì)位于山西省中南部的某被測(cè)建筑建立模型，繪制建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和室外氣象參數(shù)；然后，對(duì)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，所得模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取得較好的一致性.

由模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果分析可知：三種運(yùn)行方式中，白天運(yùn)行夜間關(guān)機(jī)的運(yùn)行方式同時(shí)兼顧舒適性和經(jīng)濟(jì)性（運(yùn)行費(fèi)用低）.此運(yùn)行方式充分利用了空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能，夜間關(guān)機(jī)狀態(tài)下仍能基本保證室內(nèi)溫度不低于16.5 ℃，在節(jié)能的同時(shí)兼顧用戶的舒適性.該運(yùn)行方式規(guī)避了傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)因除霜而造成的高能耗、低舒適性的問(wèn)題，既保證了系統(tǒng)的高性能系數(shù)，又減少了機(jī)組因結(jié)霜而損壞的概率.

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