北京地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究

胡文舉，張 帥，李德英，張啊文

（1.北京建筑大學(xué) 供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點實驗室，北京 100044；2.天津大學(xué)，天津 300072）

1 前言

與常用的空氣源熱泵分體式熱泵空調(diào)器系統(tǒng)相比，空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)具有溫度分布均勻、人體熱感覺舒適性好等優(yōu)勢［1～4］。但由于空氣源熱泵熱水機組受出水溫度的限制，其末端形式通常采用風(fēng)機盤管或低溫地板輻射供暖［5～9］，而對于使用散熱器作為末端設(shè)備的系統(tǒng)研究相對較少［10，11］，尤其是系統(tǒng)的實際運行效果及經(jīng)濟性與建筑圍護結(jié)構(gòu)、地區(qū)氣候、居住習(xí)慣等諸多因素有關(guān)，系統(tǒng)的普遍適用性尚有待考察驗證。為此，筆者對北京地區(qū)的一幢農(nóng)村住宅進行了為期15天的現(xiàn)場測試，測得了空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)的特性參數(shù)，得到了系統(tǒng)的供熱量、耗電量、室內(nèi)外空氣溫度以及圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度等數(shù)據(jù)，對機組的運行狀況和室內(nèi)的舒適性進行了探索研究，分析了在北京地區(qū)空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)的技術(shù)可行性和適用性。

2 測試對象及供暖系統(tǒng)

2.1 測試對象

測試對象為北京市某農(nóng)村住戶，所處地區(qū)在我國熱工分區(qū)圖上屬于寒冷地區(qū)，供暖期從11月中旬到次年3月中旬，長達120多天。測試對象建筑為平房，占地面積約為172 m2，實際供暖面積為96.8 m2，建筑布局及散熱器布置情況如圖1所示。該建筑為獨立建筑，四周為外墻。該住戶經(jīng)過了北京市新農(nóng)村改造，在測試之前對建筑物進行過外墻加保溫板等保溫措施。圖1中庭院頂部采用玻璃板，既保證采光，還具有一定的保溫作用。本試驗選擇主臥（即臥室3）進行重點研究。該房間有兩面外墻，兩面內(nèi)墻，無外窗。

圖1 建筑布局及散熱器布置

2.2 供暖系統(tǒng)

用戶之前采用的熱源為電鍋爐，熱媒為水；末端散熱設(shè)備為四柱760型鑄鐵散熱器，每組散熱器為16～20片，其中中片高682 mm，足片高760 mm，每片散熱器寬度為143 mm，長度為60 mm，接口間距為600 mm。測試時，將熱源改為空氣源熱泵。機組額定制熱量11.4 kW，額定制熱輸入功率2.81 kW，最大輸入功率4.4 kW，-12 ℃制熱量為6.4 kW，-12℃制熱輸入功率為2.55 kW，機組內(nèi)置一臺循環(huán)水泵，水泵額定流量為2 m3/h，額定揚程為12 m。整個系統(tǒng)根據(jù)回水溫度控制機組啟停。

3 測試方法

3.1 供熱量和電量測量

整個系統(tǒng)制熱量計算式［10］：

式中 Q——機組供熱量，kJ

ρ——熱水密度，kg/m3，由于水溫變化不大，可近似認為水密度不變

cp——熱水的定壓比熱，kJ/（kg·K）

V——熱水流量，m3/h

tg——供水溫度，℃

th——回水溫度，℃

τ——時間，h

根據(jù)式（1），只需測出熱水流量和供回水溫度即可得出瞬時供熱功率；在某一時間段內(nèi)進行熱量累積計算，即可得到該時間段內(nèi)的供熱總量。測試期間，采用P600便攜式超聲波流量計，每天定時測量系統(tǒng)水流量，取其平均值。根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)水流量每天變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。分析可知是由于水泵未采用變頻控制，且水泵不會停止運行。因此水流量變化不明顯。測量水溫時，通過測溫球閥將測溫探頭插入水中直接進行測量，并做好保溫，測供回水溫度。

為了準(zhǔn)確得到機組耗電量情況，為機組單獨配置電表測量耗電量。采用W400型智能電量測量儀，精度一級，每10 min測量一次整個供暖系統(tǒng)的耗電量。

3.2 溫度測量

采用溫度自記儀測量室內(nèi)外溫度，自記儀精度為±0.3℃。測量室外溫度時，將自記儀懸掛在遠離建筑物的位置，以免受到建筑物散熱影響，破壞測量準(zhǔn)確性，并且要避免太陽直射。室內(nèi)溫度測點設(shè)置在距離地面1.4 m處，遠離散熱器以及其他熱源，同時也要避免太陽直射。除了在每個房間設(shè)置溫度測點外，在選定的測試房間（臥室3）內(nèi)，分別在距地面高度0.1，1.1，1.7 m的地方布置溫度測點進行測量［8］，以便得到整個房間內(nèi)溫度分布情況。

除了測量室內(nèi)外溫度以外，也對散熱器表面溫度進行了測量。根據(jù)文獻［7］，將散熱器表面分成6部分，測量每部分中心位置溫度，取其平均值。測量時，采用的是TY280型非接觸式紅外線測溫儀，測溫范圍為-50～380℃，精度為±5%。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 室內(nèi)溫度分布

圖2為測試期間各個房間日平均溫度變化情況。從圖可以看出，測試期間室外日平均溫度處于波動狀態(tài)，且室外溫度都在5℃以下，有時甚至在-5℃左右，但是室內(nèi)溫度基本保持恒定，最低室內(nèi)溫度還保持在15℃以上，有的房間可以達到19℃，這對于農(nóng)村住戶來說已經(jīng)滿足供暖要求。

圖2 室內(nèi)日平均溫度的變化情況

圖3為測試期間最冷日（1月27日）各個房間溫度變化情況（間隔40 min）。從圖可以看出，室外氣溫波動很大，晝夜溫差明顯，且室外溫度大部分時間都在-5℃以下，最高氣溫也不超過7℃，但室內(nèi)各個房間氣溫仍然保持恒定，保持在15℃以上，有的房間保持在18～20℃，這和整個測試期間的日平均溫度測試結(jié)果吻合。從測試結(jié)果看，采用空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)后，在室外溫度波動較大情況下，整個測試期的室內(nèi)日平均溫度和最冷日時室內(nèi)逐時溫度都能保持穩(wěn)定，滿足住戶供暖需求，為住戶創(chuàng)造了一個舒適的居住環(huán)境。

圖3 最冷日各房間的溫度變化

如前文所述，在選定的房間內(nèi)分別在距地面高度0.1，1.1，1.7 m的地方布置溫度測點進行測量［10］，其溫度變化如圖4所示。從圖同樣可以看出，同樣在室外溫度波動較大情況下，不同高度的室內(nèi)溫度仍然可以保持一個穩(wěn)定狀態(tài)，不會出現(xiàn)波動，室內(nèi)不同豎直高度的溫度受到室外溫度影響很??；從圖中還可以看出，1.7m處的溫度和0.1 m處的溫度溫差為2.7℃，滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“人體頭部和腳部溫差小于3℃”的要求［12］，基本滿足室內(nèi)人員舒適度需求。

圖4 室內(nèi)溫度在不同高度的分布

4.2 供熱系統(tǒng)性能

4.2.1 供回水溫度

采用便攜式超聲波流量計對用戶供回水流量進行測量，根據(jù)測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)供回水流量不會發(fā)生明顯變化，基本處于2.2 m3/h，循環(huán)水泵性能穩(wěn)定；利用測溫儀器測量水溫變化（如圖5），從圖5可以看出，雖然外界氣溫有波動，但是供回水溫度變化較小，供回水溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明機組運行狀態(tài)穩(wěn)定，基本不會受到室外氣溫的影響；出水溫度一般維持在40℃以下，有效降低了熱泵冷凝溫度，降低了壓縮機壓比，提高壓縮機性能；從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，供回水溫差很小，供回水最大溫差不超過4℃，有時僅為1.5℃左右。分析可知，這是由于系統(tǒng)流量過大而引起的。水泵耗功功率與流量成三次方的正比關(guān)系，系統(tǒng)供回水溫差過小，水流量大，增加了輸配系統(tǒng)的能耗，后期循環(huán)水泵的選取應(yīng)該重新進行考慮。

圖5 系統(tǒng)供回水溫度

4.2.2 系統(tǒng)供熱量和COP

圖6為系統(tǒng)供熱量和COP隨室外溫度變化關(guān)系，其中COP是指系統(tǒng)供熱量與整個系統(tǒng)耗電量（包含機組和循環(huán)水泵耗電量）的比值。從圖中可以看出，在測試期間，室外氣溫不斷變化，呈現(xiàn)起伏波動狀態(tài)，但是機組供熱量一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，平均每小時供熱量維持在4.2～4.5 kW/h，且不會呈現(xiàn)隨室外氣溫波動的情況。從圖中還可以看出，即使室外氣溫不斷變化且較低，甚至大部分時間都處于0℃以下時，供熱系統(tǒng)COP仍保持2.5以上，系統(tǒng)COP平均值在2.75左右；在室外氣溫高時，COP也會上升至約3.2，表現(xiàn)出良好性能。分析其原因可知：雖然空氣源熱泵的性能理論上受室外氣溫影響較大，但是本系統(tǒng)采取控制回水溫度來控制機組的啟停，且水泵不間斷運行，持續(xù)向房間提供熱水，保證了室內(nèi)環(huán)境舒適性和機組穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)供熱量、COP與室外溫度關(guān)系

4.2.3 散熱器表面溫度與室內(nèi)溫度

散熱器主要的換熱方式為對流換熱和輻射換熱，而對于低溫供暖系統(tǒng)，散熱器表面溫度是研究散熱器表面?zhèn)鳠釞C理的重要參數(shù)，選定臥室3，針對測試期間散熱器表面溫度與室內(nèi)溫度進行了測試，如圖7。傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的供回水溫度較高，一般為95℃/70℃或者85℃/60℃，最低的也要70℃/50℃，散熱器表面溫度比較高，最低也要在50℃左右，散熱器表面溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度相差較大，室內(nèi)末端換熱溫差大，大量損發(fā)生在室內(nèi)末端。采用空氣源熱泵進行低溫供暖時，末端散熱器表面溫度一直處于35℃左右，室內(nèi)溫度保持在18℃左右，散熱器表面與室內(nèi)溫差僅為17℃左右，遠遠小于傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的溫差，減少了末端 損失；且這種低溫散熱器供暖的方式，輻射換熱在整個熱量交換中占據(jù)了更大的比重，使室內(nèi)溫度更加均勻，提高了室內(nèi)舒適性。

圖7 散熱器表面溫度與室內(nèi)溫度的關(guān)系

5 結(jié)語

針對北京農(nóng)村地區(qū)空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)進行測試研究，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，即使室外溫度波動較大，系統(tǒng)供熱量仍能保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而且系統(tǒng)COP也不會出現(xiàn)較大波動，一直維持在2.5以上，平均值保持在2.75；散熱器與室內(nèi)溫度相差較小，傳熱過程中可以減少 損失，提高室內(nèi)舒適性；房間溫度恒定，基本保持15℃以上，能滿足住戶需求；室內(nèi)溫度分布均勻，不同高度處的溫度相差不大，不會產(chǎn)生明顯不舒適感。但是對于該系統(tǒng)而言，系統(tǒng)供回水流量過大，供回水溫差相差較小，這就必然導(dǎo)致水泵耗電過大，因此進一步優(yōu)化系統(tǒng)中熱泵機組和循環(huán)水泵的控制是下一步工作的方向。

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