變頻空氣源熱泵地暖系統(tǒng)蓄熱過程的實驗研究

望怡 張小松 夏燚

1 東南大學能源與環(huán)境學院

2 南京師范大學能源與機械工程學院

0 引言

以空氣源熱泵為熱源，地暖為末端的供暖系統(tǒng)因其熱舒適性好、能效比高、節(jié)能環(huán)保等特點得到了廣泛應用[1-6]。但定頻熱泵機組由于制熱量不可調(diào)節(jié)，當機組的制熱量大、需求的供熱量小時，會導致壓縮機頻繁啟停，使得供水溫度變化引起地面溫度的波動，降低了熱舒適性[7]。常規(guī)的地暖系統(tǒng)管間距較大，與地面總接觸面小，傳熱的效率低，因此蓄熱層地表溫升會比較慢[8]。

針對常規(guī)地暖系統(tǒng)蓄熱層溫升慢和定頻熱泵機組頻繁啟停導致熱舒適性較差的問題，本文搭建了變頻空氣源熱泵機組驅(qū)動的薄型地暖系統(tǒng)進行實際測試，探究在蓄熱過程中地面溫升速度，變頻空氣源熱泵機組供熱能力和地暖混凝土層吸熱能力之間的關(guān)系，研究變頻空氣源熱泵機組與地面輻射供暖系統(tǒng)的匹配性。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 測試系統(tǒng)介紹

低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)如圖1 所示[9]。地面輻射供暖系統(tǒng)由：熱源、地面盤管系統(tǒng)，分集水器，供回水干管和溫控等系統(tǒng)構(gòu)成[10]。熱源提供 35～50 ℃溫度范圍內(nèi)的低溫熱水[11]，由干管送到分水器，再由分水器輸送到各個房間的地面盤管系統(tǒng)。熱水在地面盤管內(nèi)循環(huán)流動，將地面加熱至 30 ℃左右，通過熱輻射和空氣熱對流向房間輸送熱量，室內(nèi)的溫度可達到 20 ℃以上。

圖1 低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)的熱源設備為變頻空氣源熱泵機組，末端使用的是薄型地暖系統(tǒng)：地暖管是內(nèi)外徑分別為7 mm/10 mm 的耐熱聚乙烯管（Pex），盤管間距為5 cm，絕熱層采用厚度為 1.5 cm 的保溫板模塊，混凝土找平蓄熱層厚度 1.5 cm，地面瓷磚厚度1 cm。在分水器、集水器的供回水管路上和地面分別設置了溫度傳感器，溫度傳感器采用 NTC10K 熱敏電阻，精度為1%。供水溫度，回水溫度和地表溫度的數(shù)據(jù)通過安捷倫（34970A）數(shù)據(jù)采集儀每 1 分鐘采集1 次，實驗數(shù)據(jù)采集的設備如圖2 所示。

圖2 實驗數(shù)據(jù)采集設備

1.2 測試方案

本實驗主要研究的是熱水在地暖盤管內(nèi)循環(huán)流動的過程：供水經(jīng)熱泵機組加熱升溫后通過分水器進入地暖盤管，通過與混凝土層的換熱，將熱量傳遞到地表，地面溫度升高，此時水溫度降低，降溫后的水通過集水器被送入熱泵機組繼續(xù)被加熱升溫，然后進行下一循環(huán)。

在本實驗中熱泵機組設置的供水溫度為45 ℃，實驗開始階段，供水，回水和地面三者溫度維持在同一水平，均為17 ℃。溫度數(shù)據(jù)每間隔1 分鐘采集1 次。本實驗研究的是變頻空氣源熱泵薄型地暖系統(tǒng)的蓄熱過程，因此實驗周期為從熱泵機組開機到地面溫度趨于穩(wěn)定的全過程。

2 實驗結(jié)果與分析

圖3 給出了變頻空氣源熱泵薄型地暖系統(tǒng)的蓄熱過程中，供水溫度，回水溫度和地面溫度隨時間的變化曲線。

圖3 供水、回水、地面溫度變化曲線

從圖3 中可以看出，當系統(tǒng)開啟后，供水溫度大約在40 分鐘內(nèi)由17 ℃逐漸升高并穩(wěn)定在 45 ℃左右，升溫速度較快。這是由于系統(tǒng)在剛開始運行時，初始供水溫度較低，變頻壓縮機以高頻率快速運行，讓熱泵機組的制熱能力達到最大，使供水溫度能在最短的時間內(nèi)升上去。當供水溫度快達到45 ℃時，壓縮機運行頻率能隨之降低，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，維持維持供水水溫穩(wěn)定在45 ℃而不用壓縮機停機來實現(xiàn)制熱量調(diào)節(jié)，減少了熱泵機組的啟停次數(shù)及溫度波動。曲線變化趨勢表明變頻空氣源熱泵機組具有良好的供水溫度調(diào)節(jié)性，能夠保持45 ℃的持續(xù)供水。

從圖3 中可以看出，在系統(tǒng)運行中，回水溫度大約在120 分鐘內(nèi)17 ℃逐漸升高并穩(wěn)定在42 ℃左右。這是因為在系統(tǒng)運行的初始階段，混凝土溫度較低，與供回水平均水溫的差值較大，其吸熱能力強，導致回水溫度降低。當混凝土層溫度升高后，與供回水平均水溫的差值逐漸減小，吸熱能力降低，回水溫度逐漸升高。當混凝土層溫度逐漸升溫達到穩(wěn)定值后，吸熱能力不變，因此回水溫度趨于穩(wěn)定?；厮疁囟鹊姆€(wěn)定滯后于供水溫度的穩(wěn)定，大約滯后80 分鐘。

《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程 JGJ142-2004》規(guī)定，在人員短期或經(jīng)常停留區(qū)，地面的表面平均溫度的適宜范圍為 24～30 ℃[12]。根據(jù)楊巧霞[13]做的關(guān)于低溫熱水輻射供暖末端性能實驗的研究數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在供水溫度設定為45 ℃時，常規(guī)地面輻射供暖的地面溫度由15 ℃升溫至19 ℃大約耗時330 分鐘。通過本實驗的地面溫度曲線可以看出，當采用薄型地暖系統(tǒng)時，經(jīng)過60 分鐘的加熱，地面溫度就從 17 ℃上升到規(guī)范要求的適宜溫度25 ℃。經(jīng)過120 分鐘，地面溫度便達到了30 ℃，升溫速度遠遠大于常規(guī)地暖的地面升溫速度。

圖4 是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，供回水平均溫度以及供回水溫差，地面與供回水平均水溫的溫差隨時間的變化曲線。

圖4 供回水溫差，平均溫度以及與地面溫差的變化曲線

通過供回水溫差曲線可以看出供回水的溫差是先增大后降低，在 120 分鐘后基本維持在 3.5 ℃左右。這是因為在系統(tǒng)運行的初始階段，變頻機組滿負荷運轉(zhuǎn)，供水溫度不斷地升高，但由于混凝土蓄熱層溫度低吸熱能力強，回水溫度低，因此供回水溫差逐漸增大。當供水溫度達到穩(wěn)定值45 ℃后，混土蓄熱層的溫度也逐步上升，吸熱能力下降回水溫度逐漸升高，供回水溫差開始降低。當回水溫度趨于穩(wěn)定后，供回水溫差也趨于穩(wěn)定。通過曲線可以看出供回水溫差的最大值為11.4 ℃，最小值為 3.5 ℃，這說明變頻空氣源熱泵機組具有良好的調(diào)節(jié)性能，在系統(tǒng)由起始到穩(wěn)定階段的運行中，壓縮機的功率由初始階段的 100%降低為30.7%。

地面溫度與供回水平均溫度的溫差曲線是先上升后降低，最后基本維持在12 ℃左右。這是因為混凝土的比熱容很大，約為970 kJ/(kg·K)，因此初期混凝土蓄熱層的升溫速度較慢，混凝土蓄熱層溫度與供回水平均水溫的差值較大，具有較好的蓄熱性能。后期隨著混凝土蓄熱層溫度上升，它與供回水平均水溫的差值變小，蓄熱性能下降，最后趨于平衡和穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）地暖管內(nèi)外徑7 mm/10 mm、管間距5 cm、混凝土找平層1.5 cm、地磚厚度1 cm 的薄型地暖系統(tǒng)因為管間距小，混凝土蓄熱層薄，地面溫度上升溫快，在45 ℃供水條件下，經(jīng)過 1 小時的加熱，地面溫度就從17 ℃上升到25 ℃，經(jīng)過2 小時地面溫度便達到30 ℃，升溫速度遠遠大于常規(guī)地暖的地表升溫速度。

2）混凝土蓄熱層蓄熱規(guī)律：供暖初期由于自身溫度低其蓄熱能力大，要求熱源設備有較大的供熱能力，后期隨著自身溫度的上升其蓄熱能力變小，對熱源設備供熱能力要求變低，如果熱源設備沒有良好的調(diào)節(jié)性能，會出現(xiàn)頻繁啟停影響穩(wěn)定性。

3）通過分析變頻機組的供水溫度、回水溫度、供回水溫差，發(fā)現(xiàn)變頻機組能夠很好的適應混凝土蓄熱層的蓄熱規(guī)律，剛開機時滿負荷供熱，供水溫度到達設定的 45 ℃時，隨著混凝土蓄熱能力的下降，回水溫度上升，機組通過降低壓縮機頻率，減少供熱量維持供水溫度穩(wěn)定。供回水溫差從11.4 ℃降低到3.5 ℃，供熱量從100%降低到30.7%。