采用變頻熱泵的毛細(xì)管輻射房間的工程測(cè)試

謝依寧 梁珍 于海濤

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2昆山開(kāi)思拓空調(diào)技術(shù)有限公司

0 引言

毛細(xì)管輻射末端是一種高效空調(diào)末端技術(shù)，該系統(tǒng)利用水為媒介，把毛細(xì)管網(wǎng)置于建筑物結(jié)構(gòu)層內(nèi)，通過(guò)建筑構(gòu)件和室內(nèi)空氣之間的溫差向室內(nèi)輻射能量而達(dá)到室內(nèi)制冷采暖的目的。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)噪音，無(wú)風(fēng)感，冷熱均勻[1-2]，同時(shí)避免了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中病菌通過(guò)風(fēng)道的交叉感染。

目前關(guān)于毛細(xì)管輻射系統(tǒng)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(duì)室內(nèi)舒適度進(jìn)行了測(cè)試研究。陳陽(yáng)、劉光等[4]針對(duì)夏季工況進(jìn)行了一系列測(cè)試研究。作者發(fā)現(xiàn)對(duì)于過(guò)渡季節(jié)的研究很少，田盼雨、王浩等[5]雖進(jìn)行了全年的研究，但只針對(duì)熱泵熱力性能，卻未提到末端使用毛細(xì)管網(wǎng)。本文的研究針對(duì)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(fù)荷較小，采用定頻熱泵則啟停頻繁的季節(jié)[6-7]。文章測(cè)試分析了一個(gè)采用變頻熱泵以及置換新風(fēng)系統(tǒng)的毛細(xì)管輻射系統(tǒng)，研究采用變頻特性。

1 測(cè)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(qū),該戶型的總建筑面積為240m2，單層?？照{(diào)面積207m2。外墻體表面太陽(yáng)吸收系數(shù)ρ=0.72，傳熱熱阻R=0.834m2·K/W，熱惰性指標(biāo)D=2.703。選取公寓朝南主臥為測(cè)試房間，尺寸為3760mm（W）×4540mm（L）×2680mm（H）+2140mm（L）×1520mm（W）×2680mm（H）。戶型平面圖見(jiàn)圖1（左下粗邊框區(qū)域?yàn)闇y(cè)試房間）。

圖1 戶型平面圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)概述

該公寓選用一臺(tái)變頻風(fēng)冷熱泵承擔(dān)冬、夏季的全部冷、熱負(fù)荷。冬季機(jī)組可提供35℃的熱水，夏季可提供17℃的冷水。選用新風(fēng)除濕機(jī)為房間提供潔凈的新風(fēng)，并承擔(dān)夏季除濕任務(wù)，保持空調(diào)房間的適宜濕度。房間設(shè)置頂面毛細(xì)管輻射冷暖系統(tǒng)和地面毛細(xì)管冷暖系統(tǒng)，保持房間的舒適溫度。選用德國(guó)進(jìn)口的Clina毛細(xì)管網(wǎng)，型號(hào)為SB20。規(guī)格根據(jù)各房間負(fù)荷和進(jìn)深確定，測(cè)試房間頂板與地面均有布置，側(cè)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(nèi)設(shè)置控制面板，毛細(xì)管上敷設(shè)溫度探頭，溫控器控制毛細(xì)管水路上電磁閥的通斷，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間的獨(dú)立控制。另控制面板通過(guò)對(duì)房間露點(diǎn)溫度的測(cè)量，實(shí)時(shí)比較露點(diǎn)溫度與毛細(xì)管溫度，一旦有結(jié)露危險(xiǎn)，斷開(kāi)毛細(xì)管供水，實(shí)現(xiàn)0結(jié)露的可能。

2 測(cè)試方法與儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

表1為實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備表

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試時(shí)間為2017年4月12日。利用兩臺(tái)黑球溫度計(jì)記錄室內(nèi)空氣溫度。使用紅外線測(cè)溫儀對(duì)地板，頂面以及進(jìn)出水管溫度進(jìn)行測(cè)量。在頂板均分別取9點(diǎn)，地面取11個(gè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，且盡量減小人為測(cè)量誤差。分析毛細(xì)管系統(tǒng)在兩種工況的啟動(dòng)時(shí)間。采用熱線風(fēng)速儀對(duì)距地0.1m對(duì)應(yīng)人體腳踝部位的11個(gè)點(diǎn)，距地0.7m對(duì)應(yīng)坐姿人體的呼吸部位的11個(gè)點(diǎn)，距地1.7m對(duì)應(yīng)站姿人體的頭部的11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度的測(cè)量。

3 數(shù)據(jù)采集及其分析

3.1 變頻熱泵對(duì)房間毛細(xì)管管內(nèi)水溫的影響

4月12日上午十點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，此時(shí)毛細(xì)管水溫設(shè)定在35℃，除濕新風(fēng)機(jī)設(shè)定在18℃，當(dāng)日氣溫11～16℃。地面的11個(gè)測(cè)點(diǎn)和頂板的9個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置如圖2所示：

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

設(shè)備啟動(dòng)開(kāi)始對(duì)這11個(gè)點(diǎn)和熱泵出水溫度每隔15 min測(cè)量一次，當(dāng)水溫上升速度開(kāi)始變得緩慢，測(cè)量的間隔時(shí)間更改為30 min。整個(gè)測(cè)量時(shí)間從早晨10:00持續(xù)到下午16:00。表3和表4是在不同時(shí)間下熱泵供水溫度以及地板、頂板表面測(cè)點(diǎn)溫度變化圖。

圖3 地面測(cè)點(diǎn)溫度變化圖

圖4 頂板測(cè)點(diǎn)溫度變化圖

從圖3～4可以看到設(shè)備啟動(dòng)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(shí)間的推移溫度繼續(xù)緩緩上升，直到經(jīng)過(guò)了大約3h水溫達(dá)到35℃并趨于穩(wěn)定，且不再出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。變頻熱泵剛啟動(dòng)時(shí)，采用低頻啟動(dòng)，然后很快在低頻狀態(tài)轉(zhuǎn)入高頻狀態(tài)，一段時(shí)間后即可達(dá)到設(shè)定供水溫度，之后，壓縮機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間處于低頻工作范圍內(nèi)，機(jī)組的功率降到最小以保持室溫。而鋪滿毛細(xì)管網(wǎng)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(wěn)定不變。正是因?yàn)樽冾l熱泵壓縮機(jī)的性能可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低能耗并保持穩(wěn)定的溫度這一特點(diǎn)使其更加適用于向毛細(xì)管網(wǎng)末端供水。

3.2 變頻熱泵對(duì)室內(nèi)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(duì)應(yīng)人體腳踝部位的11個(gè)點(diǎn)，距地0.7m對(duì)應(yīng)坐姿人體的呼吸部位的11個(gè)點(diǎn)，距地1.7m對(duì)應(yīng)站姿人體的頭部的11個(gè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定時(shí)的測(cè)量值匯總在圖5中。

圖8 距地三個(gè)高度的溫度分布

待變頻熱泵水溫達(dá)到設(shè)定值35℃后，室內(nèi)溫度也開(kāi)始基本穩(wěn)定不變，始終保持在22℃左右，且波動(dòng)較小，滿足室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度20±2℃。同時(shí)，由于測(cè)試房間的頂板和地面都滿鋪了毛細(xì)管網(wǎng)，因此不存在“上熱下冷”的情況，豎直方向上的溫差都沒(méi)有超過(guò)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(xiàng)目的冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃，由于毛細(xì)管系統(tǒng)強(qiáng)化了室內(nèi)的輻射換熱后，室內(nèi)的實(shí)際溫度——特別是人的呼吸區(qū)空氣溫度始終保持在22℃左右。這就為降低設(shè)計(jì)溫度、減少熱負(fù)荷、節(jié)約能源提供了空間。變頻熱泵在不停止壓縮機(jī)工作狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水溫，從而創(chuàng)造出溫度變化不大的舒適環(huán)境。

4 結(jié)論

1）相較于無(wú)法調(diào)整頻率而在啟動(dòng)-停止操作中運(yùn)行，從而水溫不斷上下變化的定頻熱泵來(lái)說(shuō)，可根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率從而得到穩(wěn)定水溫的變頻壓縮機(jī)更加適用于毛細(xì)管末端。

2）冬季供回水溫度設(shè)置為35℃/32℃時(shí)，變頻熱泵提供的穩(wěn)定水溫使得毛細(xì)管系統(tǒng)可以維持室內(nèi)較高的舒適度。室內(nèi)溫度始終保持在22℃左右，且波動(dòng)很小。

3）本次測(cè)試中使用的這臺(tái)變頻風(fēng)冷熱泵屬于輻射新風(fēng)一體機(jī)，雖然集成度相對(duì)市面上其他機(jī)器來(lái)說(shuō)很高。但由于各方面技術(shù)不太成熟的原因，噪音測(cè)試的結(jié)果不太理想。尤其是靠近放置機(jī)組的臥室會(huì)受到一定的影響。

4）在測(cè)試過(guò)程中確實(shí)發(fā)現(xiàn)為處理房間負(fù)荷而不斷上升的水溫溫度變化較慢，前后將近用了3h達(dá)到至設(shè)定溫度。另外室外溫度并不低，屬于過(guò)渡季節(jié)的制熱工況。筆者考慮到可能會(huì)出現(xiàn)冬季工況時(shí)室外氣溫極低的影響可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)組響應(yīng)速度更加慢，水溫升地更慢的情況。因此這臺(tái)熱泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)偏慢。