新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖性能實(shí)驗(yàn)

高 峰 王 宇 李艷菊 李勝英 郭春梅

(1 天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院 天津 300384；2 天津住宅科學(xué)研究院有限公司 天津 300000)

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展，提出新的有效措施來(lái)降低建筑中暖通空調(diào)領(lǐng)域的能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]?？諝庠礋岜镁哂懈咝?、節(jié)能、環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)北方，特別是京津冀地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景[2]。但寒冷的北方地區(qū)和高濕寒冷的南方，低溫適應(yīng)性和除霜制約著空氣源熱泵的發(fā)展[3-5]。因此了解空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行狀況，需要大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)支撐，針對(duì)這一問(wèn)題，周超輝等[6]在北京某教學(xué)樓測(cè)試了不同運(yùn)行方案對(duì)熱泵能效和能耗的影響。艾凇卉等[7]在室外溫度為-8 ℃時(shí)開(kāi)展實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明熱泵機(jī)組在測(cè)試期間運(yùn)行穩(wěn)定，平均出水溫度為42.0 ℃，能效比保持在2.8以上。白曉夏等[8]在北京地區(qū)-15.2～-5.1 ℃的室外低溫環(huán)境中進(jìn)行實(shí)測(cè)，當(dāng)溫度低至-15.2 ℃時(shí)，熱泵制熱量衰減幅度高達(dá)55%。肖婧等[9]進(jìn)行了為期3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了熱泵機(jī)組在-16.5～-6 ℃的低溫環(huán)境中的運(yùn)行特性、供熱性能與末端供熱效果。

供暖系統(tǒng)的合理匹配需從源端和末端綜合考慮。低溫輻射供暖末端傳熱溫差小，熱媒水溫度低，冬夏兼用的空氣源熱泵、直燃機(jī)熱泵、太陽(yáng)能空調(diào)等前端設(shè)備，可以提供低溫輻射地板冬季供暖所需要的35～45 ℃的熱媒水。輻射供暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)散熱器相比，在建立相同舒適條件的前提下，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可降低2～3 ℃，從而降低室內(nèi)外空氣對(duì)流熱損失，供暖熱負(fù)荷可減少10%～15%，供暖季耗熱量降低13%～22%[10]。宋春暉[11]提出了兩種輻射側(cè)板末端形式，分別進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)模擬軟件對(duì)各工況下室內(nèi)空氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、PMV以及PPD的分布情況進(jìn)行分析；張俊芳[12]對(duì)本文研究的新型通水地板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定了地板表面的綜合傳熱系數(shù)，并利用數(shù)值模擬的方法分析相同室溫下，不同供水溫度、不同流速對(duì)散熱量的影響。張曉偉等[13]用VB編程模擬出低溫輻射地板采暖系統(tǒng)的水流速在0.01～0.03 m/s范圍內(nèi)為最佳。董浩川等[14]對(duì)新型通水地板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了不同組合優(yōu)化方法及節(jié)能性分析，并利用模擬軟件對(duì)地板的PPD-PMV進(jìn)行了估算。

新型通水地板作為一種低溫輻射供暖末端，主要運(yùn)用硬聚氯乙烯材料，制成可通水式地板條，地板條通過(guò)連接件連成一個(gè)整體，熱水在板內(nèi)流動(dòng)向房間提供熱量。其構(gòu)成如圖1所示，上部為卡扣式可換面層，中間為通水基板，下部分為擠塑保溫板，并由連接管、異型螺母、水連接件等連接。

圖1 通水地板構(gòu)成Fig.1 Composition of radiant floor

新型通水地板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在通水基板下鋪有厚度為3 cm的擠塑聚苯板作為保溫層，具有良好的絕熱性、隔音性。

表1 通水地板結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of radiant floor

目前，新型通水地板的研究主要集中在理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[15-17]，本文對(duì)新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)在我國(guó)熱工分區(qū)中寒冷地區(qū)天津市的實(shí)際運(yùn)行情況開(kāi)展了76 d現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試工況為-10.1～2.1 ℃的低溫工況，重點(diǎn)考察該系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)供暖季實(shí)際運(yùn)行的性能表現(xiàn)。

1 工程概況及測(cè)試方案

1.1 測(cè)試工程

測(cè)試工程位于天津市西青區(qū)某住區(qū)管理機(jī)構(gòu)用房，層高2.75 m，供暖面積48.72 m2。圖2所示為測(cè)試工程的建筑平面圖，室內(nèi)(陰影部分)鋪設(shè)新型通水地板作為供暖末端。

圖2 建筑平面Fig.2 Building plan

1.2 供暖系統(tǒng)及運(yùn)行測(cè)試方案

測(cè)試工程應(yīng)用的空氣源熱泵機(jī)組規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表2 空氣源熱泵機(jī)組參數(shù)Tab.2 Performance parameters of air-source heat pump

圖3所示為測(cè)試方案流程。在熱泵供、回水管路設(shè)有熱電阻溫度傳感器測(cè)量供、回水溫度；利用液體渦輪流量計(jì)測(cè)量地板循環(huán)水流量；利用功率計(jì)量?jī)x測(cè)量熱泵機(jī)組的電壓、電流，通過(guò)無(wú)紙記錄儀存儲(chǔ)以上測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)溫濕度自記儀測(cè)量室內(nèi)外溫濕度，通過(guò)電腦軟件輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 測(cè)試方案流程Fig.3 Schematic of test process

主要測(cè)量設(shè)備參數(shù)及采樣周期如表3所示。

表3 主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)Tab.3 Parameters of main test equipments

熱泵機(jī)組瞬時(shí)制熱量：

Qh=cvr(tsupply-treturn)

(1)

地板單位面積散熱量：

(2)

熱泵機(jī)組瞬時(shí)功率：

Eh=UI

(3)

熱泵機(jī)組運(yùn)行能效系數(shù)：

(4)

式中：Qh為機(jī)組瞬時(shí)制熱量，kW；c為機(jī)組循環(huán)水的比熱容，c=4.2 kJ/(kg·℃)；vr為機(jī)組循環(huán)水體積流量，m3/h，tsupply為機(jī)組供水溫度，℃；treturn為機(jī)組回水溫度，℃；q為新型通水地板單位面積散熱量，W/m2；F為鋪設(shè)通水地板面積，m2；Eh為熱泵機(jī)組瞬時(shí)耗電功率，kW；U為機(jī)組工作電壓，V；I為機(jī)組工作電流，A；COP為機(jī)組能效系數(shù)。

測(cè)試過(guò)程中相關(guān)測(cè)量參數(shù)的誤差分析如下：

1)水溫測(cè)量引起的誤差：

熱電阻的測(cè)溫精度±0.2 ℃，測(cè)試過(guò)程中供水溫度tsupply與回水溫度treturn之差最大為15 ℃，ZX8100彩色無(wú)紙記錄儀的測(cè)溫精度為±0.28 ℃。

(5)

2)空氣溫度測(cè)量引起的誤差：

(6)

式中：t為空氣溫度，℃。

3)時(shí)間測(cè)量引起的誤差：

采集器最大時(shí)間間隔60 s；系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間最短取24 h。

(7)

4)功率測(cè)量引起的誤差：

(8)

5)系統(tǒng)制熱量誤差：

(9)

6)系統(tǒng)瞬時(shí)能效系數(shù)COP計(jì)算誤差：

(10)

綜上計(jì)算得到系統(tǒng)性能誤差約為3.8%。

1.3 供暖效果測(cè)試方案

測(cè)試室內(nèi)溫濕度要考慮人員在不同平面區(qū)域、高度時(shí)溫濕度感知的差異。根據(jù)JGJ/T 347—2014 《建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]對(duì)于四邊形平面房間溫濕度測(cè)點(diǎn)布置的規(guī)定，當(dāng)房間面積小于16 m2時(shí)，應(yīng)在房間平面對(duì)角線交點(diǎn)處布點(diǎn)；房間面積為16～30 m2時(shí)，取房間平面最長(zhǎng)的對(duì)角線作為布點(diǎn)定位線，應(yīng)在其3等分點(diǎn)處布點(diǎn)。具體要求如表4所示。

表4 空氣干球溫度和相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)布置方法及表征意義Tab.4 Measurement point arrangement method and characterization significance of air dry bulb temperature and relative humidity

測(cè)試位置處用RR002單項(xiàng)溫度記錄儀記錄地板輻射表面溫度，依托鋁型材測(cè)桿，在測(cè)試位置離地板10、60、110、170 cm高度處分別垂直放置溫濕度自記儀記錄室內(nèi)溫濕度，如圖4所示。通過(guò)該測(cè)點(diǎn)布置方法，測(cè)得的溫度分布更加貼近人體真實(shí)感受。圖中3個(gè)測(cè)試位置的測(cè)點(diǎn)布置情況均與測(cè)試位置1相同，地板表面溫度、0.1 m處空氣溫度、0.6 m處空氣溫度、1.1 m處空氣溫度以及1.7 m處空氣溫度分別用ts、t0.1、t0.6、t1.1、t1.7表示，根據(jù)JGJ/T 347—2014《建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]的規(guī)定，t1.1表示室內(nèi)工作區(qū)域溫度。

圖4 測(cè)試位置布置Fig.4 Layout of test location

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)整體運(yùn)行性能

2019年12月—2020年2月在天津市進(jìn)行了為期76 d的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。如圖5所示，2019年12月30日-2020年1月1日(本文圖中日期標(biāo)記為年/月/日)，室外溫度最高為2.1 ℃，最低為-10.1 ℃，該3天為測(cè)試期內(nèi)集中出現(xiàn)的最冷測(cè)試日。

圖5 測(cè)試期內(nèi)部分室外溫度變化Fig.5 Changes of outdoor temperature during the test period

根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[19]的要求，局部舒適度評(píng)價(jià)應(yīng)考慮冷吹風(fēng)感、垂直空氣溫度差和地板表面溫度。由于輻射供暖風(fēng)速小于0.2 m/s，無(wú)需考慮冷吹風(fēng)感。按式(11)～式(12)計(jì)算垂直空氣溫度差局部不滿意率和地板表面溫度局部不滿意率：

LPD1=100-94e(-1.387 +0.118 ts-0.0025ts2)

(11)

(12)

式中：LPD1為地板表面溫度局部不滿意率，%；LPD2為垂直空氣溫度差局部不滿意率，%；Δt為頭部和腳踝之間的垂直溫差，℃；ts為地板表面溫度，℃。式(12)僅適用于頭部與足踝部垂直溫差小于8 ℃時(shí)。

根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中》[19]的規(guī)定，將建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境細(xì)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)3個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng) 90%以上人群滿意的環(huán)境，75%～90%人群滿意的環(huán)境，75%以下人群滿意的環(huán)境。圖6所示為測(cè)試期內(nèi)局部不滿意率指標(biāo)情況。測(cè)試位置3受圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響，出現(xiàn)LPD2處于Ⅱ級(jí)指標(biāo)的情況，但整體上，超過(guò)90%測(cè)試日中各位置的LPD1、LPD2處于Ⅰ級(jí)指標(biāo)，其余全部處于Ⅱ級(jí)指標(biāo)內(nèi)，室內(nèi)整體舒適度較高。

圖6 測(cè)試期室內(nèi)局部不滿意率Fig.6 Local dissatisfaction rate of indoor locations during the test period

圖7所示為測(cè)試期76 d機(jī)組的日平均制熱量、日平均功率以及日平均COP情況。機(jī)組的日平均制熱量變化范圍是1.5～6.9 kW，平均值4.2 kW；日平均功率變化范圍是0.6～3.2 kW，平均值1.6 kW；日平均能耗量0.79 kW·h/m2。機(jī)組日平均能效系數(shù)COP變化范圍是1.43～3.54，平均值為2.31。

圖7 測(cè)試期機(jī)組日平均制熱量、功率及COPFig.7 Daily average heating capacity,power and COP of unit during the test period

圖8 單位面積散熱量隨的變化Fig.8 Variation of heat dissipation per change

2.2 最冷測(cè)試日供暖效果

2019年12月30日0時(shí)至2020年1月2日0時(shí)3 d內(nèi)，室外環(huán)境溫度最低值為-10.1 ℃，最高值為2.1 ℃，平均值為-4.2 ℃；室外空氣相對(duì)濕度平均值為33%，變化范圍為16%～58%。該連續(xù)低溫工況的溫濕度變化如圖9所示。傳統(tǒng)空氣源熱泵在室外空氣溫度高于-3 ℃時(shí)，均可安全可靠運(yùn)行[20]，而這一期間低于-3 ℃的工況時(shí)間占比達(dá)到了80%，因此重點(diǎn)分析最冷測(cè)試日系統(tǒng)的性能，考察系統(tǒng)在最不利室外氣象條件下的性能表現(xiàn)。

圖9 最冷測(cè)試日室外溫濕度參數(shù)變化Fig.9 Variation of outdoor temperature and humidity parameters in the coldest test days

根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]的規(guī)定，冬季室內(nèi)舒適性溫度參數(shù)為18～22 ℃，采取地板輻射供暖時(shí)室內(nèi)溫度范圍比規(guī)范中設(shè)定值略低，為16～20 ℃。最冷測(cè)試日，室外溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃，室內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)環(huán)境溫度始終不低于16.4 ℃，室內(nèi)工作區(qū)域溫度t1.1平均值為21.4 ℃，在室外溫度為-10 ℃時(shí)，測(cè)試位置3(帶外窗房間)的t1.1出現(xiàn)10 min瞬時(shí)溫度為17.9 ℃的情況，除此之外的全部時(shí)刻，各測(cè)試位置的工作區(qū)域瞬時(shí)溫度均大于18 ℃。如圖10所示，計(jì)算3個(gè)測(cè)試位置同一高度所有瞬時(shí)溫度的平均值分析垂直空間溫度分布，隨著高度增加，室內(nèi)平均溫度不斷降低，地板表面平均溫度變化范圍為26.1～31.2 ℃，最高處平均溫度變化范圍為18.0～22.1 ℃，室內(nèi)不同高度溫度差異較小，供熱效果良好。

圖10 垂直空間溫度分布Fig.10 Temperature distribution in vertical space

根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算最冷測(cè)試日室內(nèi)各測(cè)試位置局部不滿意率，結(jié)果如表5所示。經(jīng)計(jì)算可得，最冷測(cè)試日室外溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃時(shí)，室內(nèi)LPD1、LPD2全部處于Ⅰ、Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意度較高。

表5 最冷測(cè)試日室內(nèi)各位置局部不滿意率Tab.5 Local dissatisfaction rate of indoor locations in the coldest test days

2.3 最冷測(cè)試日運(yùn)行性能

在滿足供暖需求的前提下分析系統(tǒng)在最冷測(cè)試日的運(yùn)行特點(diǎn)。圖11所示為最冷測(cè)試日不同環(huán)境溫度下機(jī)組瞬時(shí)制熱量、瞬時(shí)功率以及瞬時(shí)COP的變化情況。隨環(huán)境溫度上升，3者均呈上升趨勢(shì)；瞬時(shí)功率變化范圍為2.9～3.3 kW，平均值為3.2 kW；瞬時(shí)制熱量變化范圍為6.1～10.9 kW，平均值7.7 kW。瞬時(shí)COP變化范圍為1.91～3.49，平均值為2.41。

圖11 最冷測(cè)試日瞬時(shí)制熱量、瞬時(shí)功率及瞬時(shí)COP 隨環(huán)境溫度的變化Fig.11 Variation of instantaneous heating capacity,instantaneous power and instantaneous COP with ambient temperature on the coldest test day

如圖12所示，測(cè)試周期內(nèi)系統(tǒng)瞬時(shí)能效系數(shù)COP出現(xiàn)過(guò)低于GB 29541—2013《熱泵熱水機(jī)(器)能效限定值及能效等級(jí)》[22]中規(guī)定的能效限定值，可通過(guò)配置高制熱能力熱泵或與壁掛爐等多種能源聯(lián)用，改善冬季最不利工況下的制熱性能、提高用戶用熱體驗(yàn)。3個(gè)測(cè)試位置的t1.1平均值為21.4 ℃，高于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]中規(guī)定的最小值18 ℃。

圖12 瞬時(shí)COP、供水溫度、室外溫度、工作區(qū)域溫度隨時(shí)間變化Fig.12 Variation of instantaneous COP,water supply temperature,outdoor temperature and working area temperature with time

如圖13所示，COP隨供水溫度和室外溫度之差(tsupply-tw)的增大而減小。當(dāng)供水溫度和室外溫度之差集中在36.5～45.2 ℃時(shí)，機(jī)組瞬時(shí)COP集中在2.01～3.49。

圖13 供水與室外溫度之差對(duì)瞬時(shí)COP的影響Fig.13 Influence of difference between water supply and outdoor temperature on instantaneous COP

圖14所示為供水溫度對(duì)機(jī)組性能的影響。在實(shí)際工況中篩選室外溫度和室內(nèi)辦公區(qū)域溫度基本相同的工況，分析COP、能耗(功率)隨供水溫度變化的規(guī)律。以室外溫度(0±0.2)℃，室內(nèi)工作區(qū)域溫度(22.5±0.2)℃的工況為例，若供水溫度從38.5 ℃降至約36 ℃，瞬時(shí)COP呈上升趨勢(shì)；能耗由3.17 kW降至3.07 kW，節(jié)能3.3%。相同室外溫度下，在保證室內(nèi)供暖達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低供水溫度，可降低機(jī)組能耗，使系統(tǒng)更節(jié)能。

圖14 供水溫度對(duì)機(jī)組性能影響Fig.14 Influence of water supply temperature on unit performance

圖15所示為供回水平均溫度與室外溫度之差和熱泵瞬時(shí)COP的關(guān)系。室外環(huán)境溫度與水箱溫度分別影響熱泵機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的換熱情況，以供回水平均溫度代表水箱溫度，分析供回水平均溫度ta與室外溫度tw之差變化同熱泵運(yùn)行能效系數(shù)COP的關(guān)系。熱泵瞬時(shí)COP隨供回水平均溫度與環(huán)境溫度之差的增大而減小，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫差范圍集中在34～43 ℃，此時(shí)機(jī)組瞬時(shí)COP集中在1.92～3.19。

圖15 瞬時(shí)COP隨(ta-tw)的變化Fig.15 The variation of instantaneous COP with (ta-tw)

3 結(jié)論

本文對(duì)新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)在天津市進(jìn)行了76 d現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際供暖效果及運(yùn)行性能進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

2)最冷測(cè)試日時(shí)，室內(nèi)工作區(qū)域瞬時(shí)溫度t1.1的平均值為21.4 ℃。在室外溫度為-10 ℃時(shí)，室內(nèi)工作區(qū)域共出現(xiàn)10 min瞬時(shí)溫度為17.9 ℃的情況，除此之外的全部時(shí)間室內(nèi)工作區(qū)域瞬時(shí)溫度均大于18 ℃。計(jì)算用戶局部不滿意率，室內(nèi)LPD1、LPD2全部處于Ⅰ、Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意度較高，不會(huì)出現(xiàn)忽冷忽熱的不適感。新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)運(yùn)行時(shí)，可以滿足冬季供暖需求。

3)最冷測(cè)試日時(shí)，環(huán)境溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃，相對(duì)濕度變化范圍為16%～58%。此時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)制熱量變化范圍為6.1～10.9 kW，瞬時(shí)功率變化范圍為2.9～3.3 kW，瞬時(shí)COP變化范圍為1.91～3.49。以室外溫度0 ℃，室內(nèi)工作區(qū)域溫度22.5 ℃時(shí)工況為例，若供水溫度從38.5 ℃降至36 ℃，系統(tǒng)的實(shí)際供暖溫度仍高于規(guī)范中的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，但能耗由3.17 kW降至3.07 kW，節(jié)能3.3%，瞬時(shí)COP也呈上升趨勢(shì)。因此，在滿足室內(nèi)供暖溫度和熱舒適性的前提下，根據(jù)用熱端負(fù)荷需求情況調(diào)控供暖負(fù)荷，是使系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能的可行研究方向。