行為模式對(duì)戶式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)供熱性能的影響

武群飛 南曉紅 王筠涵

(西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710055)

我國越來越重視能源環(huán)境問題與可持續(xù)發(fā)展，相繼提出“綠水青山就是金山銀山”的理念和三大攻堅(jiān)戰(zhàn)之一的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。針對(duì)傳統(tǒng)的小型分散燃煤鍋爐等效率低、污染大的采暖系統(tǒng)提出了“煤改清潔能源”工程，其中空氣源熱泵以高效、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在一眾“煤改電”設(shè)備中脫穎而出，被迅速推廣使用[1]。2020年9月，我國政府正式提出碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，可以預(yù)見空氣源熱泵的使用將進(jìn)一步增加，前景持續(xù)向好[2]。

地板輻射供暖系統(tǒng)具有節(jié)能、衛(wèi)生條件好和舒適性高等優(yōu)點(diǎn)，供暖所需熱水溫度較低，可與空氣源熱泵很好的結(jié)合，使空氣源熱泵在高效的狀態(tài)下運(yùn)行。目前空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)已得到廣泛使用[3-4]。

對(duì)于使用者來說，相比于集中供熱，戶式空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)更加靈活，使用者可以根據(jù)舒適、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能等因素自行調(diào)節(jié)供水溫度和供暖時(shí)間。使用者設(shè)置的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及控制策略對(duì)系統(tǒng)的供暖效果和能耗有重要影響，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究[5-7]。張寅等[8]分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)減小地板供暖管敷設(shè)間距可以適當(dāng)降低供水溫度，進(jìn)而提高空氣源熱泵的工作效率。吳學(xué)紅等[9]發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度為-12 ℃，供水溫度由25 ℃增至55 ℃時(shí)，系統(tǒng)能耗增加105%，系統(tǒng)能效下降47.6%。張楊杰[10]指出供水溫度越高，管網(wǎng)的傳熱能力越強(qiáng)，輻射地板的散熱量越大，室內(nèi)溫度越高。此外，一些學(xué)者提出的間歇控制策略[11-13]和預(yù)測(cè)控制策略[14]可以在保證室內(nèi)舒適性的前提下降低能耗，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于北方高校隨新校區(qū)建設(shè)而配套的教職工公寓或住宅，普遍存在入住率低、入住人數(shù)少以及不定期等諸多情況，采用戶式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)供熱具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以通過改變供水溫度以及控制分集水器上的閥門來滿足個(gè)性化的供暖需求。因此，研究不同行為模式下的采暖系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)于探究采暖系統(tǒng)的舒適性及節(jié)能性非常必要。

大多數(shù)戶式供暖研究使用測(cè)試室和計(jì)算機(jī)建模，然而實(shí)際系統(tǒng)的性能通常與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或使用計(jì)算機(jī)模型計(jì)算的性能不同，因?yàn)閷?shí)際使用時(shí)環(huán)境條件處于變化之中。本文對(duì)西咸新區(qū)某住宅戶式空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別研究了改變供水溫度和供暖回路數(shù)量后系統(tǒng)的供暖效果和運(yùn)行特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在位于西咸新區(qū)的中國西部科技創(chuàng)新港內(nèi)有2 000余套住宅使用戶式空氣源熱泵二聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行冬季采暖，采暖時(shí)有熱風(fēng)和地暖兩種選擇。本實(shí)驗(yàn)選取其中一套住宅作為測(cè)試對(duì)象，主要針對(duì)地暖系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析。測(cè)試住宅建成于2020年，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)滿足陜西省DBJ 61-65-2011《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]的規(guī)定，面積為167.55 m2，處于其所在高層住宅樓的中部，無人居住且無家具擺放，同一層及上下層相鄰住宅均不采暖。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的熱負(fù)荷計(jì)算方法，規(guī)定供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃，計(jì)算得到熱負(fù)荷為8.3 kW。根據(jù)文獻(xiàn)[17]對(duì)機(jī)組的有效制熱量進(jìn)行修正后選取的空氣源熱泵參數(shù)如表1所示。供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫度為45 ℃/40 ℃，住戶可根據(jù)需要自主運(yùn)行系統(tǒng)為連續(xù)供暖或停止供暖。

表1 空氣源熱泵性能參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of air-source heat pump

住宅內(nèi)地埋管采用濕式埋法，地暖盤管選擇PE-RT管，管外徑為20 mm，管間距由設(shè)備廠家根據(jù)供暖設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到，分別為150 mm(主臥、書房、主衛(wèi)、客衛(wèi))和200 mm(次臥、客臥、客廳、餐廳)等。系統(tǒng)初調(diào)節(jié)已完成，由設(shè)備廠家實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試住宅及溫度測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示，其中客廳采用瓷磚鋪設(shè)，臥室和書房采用地暖專用復(fù)合木地板鋪設(shè)。

a空氣源熱泵室外機(jī)；b空氣源熱泵室內(nèi)機(jī)；c分集水器；d客臥溫度測(cè)點(diǎn)；e客廳溫度測(cè)點(diǎn)；f次臥溫度測(cè)點(diǎn)g主臥溫度測(cè)點(diǎn)；h書房溫度測(cè)點(diǎn)。圖1 住宅及測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig. 1 Layout plan of residence and measuring points

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)采用分體式空氣源熱泵，包括室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)。室內(nèi)機(jī)由套管式換熱器、電加熱器、膨脹水箱、水泵和Y型過濾器等裝置組成，通過套管式換熱器實(shí)現(xiàn)制冷劑與地暖水的熱量交換，制備低溫?zé)崴糜诙静膳?。由于存在室?nèi)機(jī)，整個(gè)水系統(tǒng)均處于室內(nèi)，相比于水系統(tǒng)在室外的整體式空氣源熱泵，可以更好地實(shí)現(xiàn)防凍。

1風(fēng)機(jī)；2翅片式換熱器；3四通換向閥；4壓縮機(jī)；5電子膨脹閥；6套管式換熱器；7電加熱器；8膨脹水箱；9 水泵；10分水器；11集水器；12Y型過濾器。圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 Experimental system

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)A

為考察戶式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)在冬季不同供水溫度時(shí)的供暖特性，綜合考慮房間使用功能、朝向和地板材質(zhì)，于2021年1月11—16日對(duì)客廳、臥室及書房內(nèi)的空氣溫度和地面溫度進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)還測(cè)試了室外溫度、供回水溫度及系統(tǒng)耗電量等參數(shù)，測(cè)試儀器如表2所示。

表2 測(cè)試物理量及測(cè)試儀器性能參數(shù)Tab. 2 Test physical quantity and performance parameters of test instrument

供、回水溫度測(cè)點(diǎn)如圖2中T1和T2所示。室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)方面，考慮到人員的生活習(xí)慣， 客廳在垂直方向上布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為0.6 m(坐姿腹部)和1.1 m(坐姿頭部)；主臥在0.6 m(床上平躺高度)處設(shè)置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)；書房在1.1 m(坐姿頭部)處設(shè)置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)；客廳和書房溫度測(cè)點(diǎn)在水平方向上布置時(shí)考慮到室內(nèi)人員預(yù)期所處的位置，臥室溫度測(cè)點(diǎn)均布置在房間中心，如圖1所示。地面溫度測(cè)點(diǎn)與室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)的水平位置相同，緊貼地板表面。

空氣源熱泵供水溫度可設(shè)定范圍為25～55 ℃，實(shí)驗(yàn)A選取高限55 ℃和較低溫度30 ℃進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)供水溫度不同，可以分為如下階段：

(1)1月11日13∶00至1月14日09∶00，供水溫度設(shè)定為55 ℃；

(2)1月14日09∶00至1月15日19∶00，關(guān)閉機(jī)組，自然降溫；

(3)1月15日19∶00至1月16日09∶00，供水溫度設(shè)定為30 ℃。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)B

測(cè)試住宅內(nèi)的客廳、書房和臥室等房間的地暖盤管回路均為獨(dú)立設(shè)置，關(guān)閉客廳對(duì)應(yīng)的盤管回路不會(huì)影響書房和臥室內(nèi)盤管的正常供暖。實(shí)驗(yàn)B主要研究改變供暖回路數(shù)量后的室內(nèi)溫度和耗電量的變化規(guī)律，根據(jù)供暖回路數(shù)量不同，可以分為兩個(gè)階段：

階段Ⅰ：2020年12月17日19∶00至2021年1月1日14∶30，供水溫度為45 ℃，所有地暖盤管回路閥門均打開，即全屋供暖；

階段Ⅱ：2021年1月1日14∶30至2021年1月9日00∶00，供水溫度為45 ℃，關(guān)閉次臥和客臥對(duì)應(yīng)的地暖盤管回路的閥門，即次臥和客臥停止供暖，其他房間正常供暖。

實(shí)驗(yàn)B對(duì)客廳、書房和3個(gè)臥室的空氣溫度以及系統(tǒng)耗電量進(jìn)行了測(cè)試，空氣溫度測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示，每個(gè)房間一個(gè)測(cè)點(diǎn)，高度為1.1 m，測(cè)試儀器與實(shí)驗(yàn)A相同。

為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)使用的所有溫度自記儀置于房間內(nèi)同一位置，一段時(shí)間后，判斷各溫度測(cè)試儀器的讀數(shù)誤差是否在±0.5 ℃內(nèi)，若是，則認(rèn)為溫度自記儀符合實(shí)驗(yàn)要求。結(jié)果表明，各溫度自記儀的讀數(shù)誤差能保證在±0.4 ℃內(nèi)，可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1.4 熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)?shù)匕鍦囟冗^暖或過冷時(shí)，人們由于足部的熱感可能感覺不舒服，對(duì)于穿著較薄室內(nèi)鞋的人而言，影響舒適的因素主要來自地面溫度而不是地板覆蓋材料[18]?；趯?duì)站立或靜坐人們的研究，提出地板表面溫度局部不滿意率，可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：PD為地板表面溫度局部不滿意率，%；tf為地板表面溫度，℃。該式不適用于長時(shí)間使用電加熱地板的人。

文獻(xiàn)[18]將建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)共3個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)PD<15%、15%≤PD<20%和PD≥20%。

2 實(shí)驗(yàn)A結(jié)果及討論

2.1 階段(1)供暖效果

階段(1)測(cè)試期間，室外溫度為-7.2～16.5 ℃，平均氣溫為2.2 ℃；相對(duì)濕度為24.3%～88.9%，平均相對(duì)濕度為59.7%。設(shè)定供水溫度為55 ℃，測(cè)得的室內(nèi)空氣溫度和地面溫度分別如圖3和圖4所示。可以看出在客廳高度方向上，地面溫度最高，1.1 m處空氣溫度最低，坐下時(shí)腳暖頭涼且溫差始終未超過1.5 ℃，符合人體熱舒適要求。以客廳0.6 m和1.1 m處空氣溫度的平均值來代表客廳空氣溫度，達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，客廳、主臥和書房空氣溫度分別約為26、22、21.5 ℃，客廳和主臥地面溫度分別約為33 ℃和28.5 ℃。

圖3 階段(1)室內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間的變化Fig. 3 Variation of indoor air temperature with time in stage (1)

圖4 階段(1)地面溫度及PD隨時(shí)間的變化Fig. 4 Variation of ground temperature and PD with time in stage (1)

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》[16]規(guī)定，人員長期逗留區(qū)域室內(nèi)空氣溫度應(yīng)取18～24 ℃；人員經(jīng)常停留的地面宜采用的溫度為25～27 ℃。可知達(dá)到較為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，客廳空氣溫度和地面溫度均已超過了規(guī)范推薦的范圍，不利于節(jié)能。

根據(jù)式(1)計(jì)算地板表面溫度局部不滿意率，結(jié)果如圖4所示。初始地面溫度較低，PD較高，機(jī)組開機(jī)后，客廳PD和主臥PD均迅速下降，5 h后PD降至20%以內(nèi)。隨著供暖的進(jìn)行，主臥PD始終可以保持在15%以內(nèi)，舒適性較好；而客廳由于地面溫度過高，反而導(dǎo)致PD越來越高，并在1月13日上午回到20%以上，室內(nèi)熱濕環(huán)境處于Ⅲ級(jí)，舒適度較低。實(shí)際1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外氣溫較低，平均氣溫為-2.3 ℃，但PD仍然可以保持在20%以上。可知過高的供水溫度會(huì)造成局部熱不適，表明用戶雖然可以自行設(shè)定供水溫度，但不宜設(shè)置過高。

2.2 不同供水溫度供暖效果的對(duì)比

選取室外溫度相近的兩個(gè)夜間進(jìn)行不同供水溫度下供暖效果的對(duì)比。1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外溫度為-6.4～5 ℃，平均值為-2.3 ℃，供水溫度為55 ℃；1月15日19∶00至1月16日09∶00，室外溫度為-7.2～3.8 ℃，平均值為-1.83 ℃，供水溫度為30 ℃。

圖5和圖6所示分別為兩種供水溫度下不同房間的室內(nèi)溫度和地面溫度。供水溫度為55 ℃時(shí)，客廳室溫與主臥室溫平均差值在3.5 ℃以上，與書房室溫平均差值在4 ℃以上；供水溫度為30 ℃時(shí)，客廳室溫與主臥室溫平均差值在1 ℃以下，與書房室溫平均差值在1.5 ℃以下?？芍煌块g室內(nèi)溫度的差值會(huì)隨供水溫度的升高而增大，而過大的溫差會(huì)使人員從高溫房間進(jìn)入低溫房間時(shí)感到寒冷與不適，因此供水溫度不宜設(shè)置過高。

圖5 不同供水溫度下室內(nèi)空氣溫度對(duì)比Fig. 5 Comparison of indoor air temperature under different water supply temperatures

圖6 不同供水溫度下地面溫度對(duì)比Fig. 6 Comparison of ground temperature under different water supply temperatures

2.3 不同供水溫度耗電量的對(duì)比

1月13日19∶00至1月14日09∶00和1月15日19∶00至1月16日09∶00這兩段時(shí)間室外溫度相近，熱負(fù)荷相似，耗電量具有可比性，具體耗電量如表3。可知采用55 ℃供水溫度比采用30 ℃供水溫度耗電量增加191%，可知相同的設(shè)備供水溫度越高，向室內(nèi)釋放熱量越多，耗電量也越大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，采用55 ℃供水溫度進(jìn)行供暖時(shí)，電加熱一直保持開啟狀態(tài)(不包括除霜期間)，這也是耗電量更高的原因之一。因此考慮節(jié)能方面，應(yīng)在滿足人體熱舒適性的前提下選擇較低的供水溫度，減少機(jī)組在運(yùn)行過程中的耗電量。

表3 不同供水溫度下的耗電量Tab. 3 Power consumption under different water supply temperatures

3 實(shí)驗(yàn)B結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)B供水溫度為45 ℃，2020年12月17日19∶00開機(jī)，運(yùn)行至2021年1月9日00∶00關(guān)機(jī)，共533 h。實(shí)驗(yàn)B測(cè)試期間，室外溫度為-11.9～11.3 ℃，平均氣溫為-1.7 ℃；相對(duì)濕度為23.3%～93.5%，平均相對(duì)濕度為61.2%。

3.1 改變供暖回路數(shù)量對(duì)室溫的影響

由圖1可知，主臥與次臥相鄰而與客臥相距較遠(yuǎn)，客廳與次臥和客臥均相鄰且處于兩個(gè)房間之間，書房與次臥和客臥均不相鄰?？梢灶A(yù)見，當(dāng)次臥和客臥不再進(jìn)行供暖時(shí)，與這兩個(gè)房間相鄰的房間室溫必然會(huì)受到影響。因此根據(jù)房間的相鄰關(guān)系選取主臥、次臥、客廳和書房作為代表性房間，對(duì)這些房間室溫的變化進(jìn)行分析，各房間空氣溫度在整個(gè)測(cè)試期間的變化如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)B室內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間的變化Fig. 7 Variation of indoor air temperature with time in test B

由圖7可知，階段Ⅰ機(jī)組開機(jī)后，室內(nèi)溫度迅速上升，經(jīng)過100 h，所有房間室溫均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)室外溫度的變化對(duì)室內(nèi)溫度影響較小。至階段Ⅱ時(shí)，由于次臥停止供暖，空氣溫度迅速下降，最終維持在約14 ℃且波動(dòng)較小，與階段Ⅰ次臥室溫的穩(wěn)定值相比，下降約8.5 ℃。主臥、客廳和書房室溫同樣存在不同程度的降幅，以階段Ⅱ開始時(shí)刻為中心，前7 d與后7 d室外氣溫相近，分別計(jì)算前7 d和后7 d各房間室溫的平均值來代表兩個(gè)階段各房間室溫的平均值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，室溫降幅由大到小依次為：客廳>主臥>書房，這是由于各房間的位置關(guān)系導(dǎo)致。從數(shù)值來看，主臥和書房室溫分別降低了1.4 ℃和0.5 ℃，對(duì)于地暖供熱而言這是可以接受的；客廳室溫降低了2.9 ℃，溫降較大，會(huì)對(duì)室內(nèi)熱舒適性產(chǎn)生不利影響。由此可知，用戶在減少室內(nèi)供暖房間數(shù)量時(shí)，應(yīng)考慮到各房間的位置關(guān)系，避免正常供暖的房間有兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰室停止供暖。

表4 階段Ⅰ與階段Ⅱ各房間平均室溫Tab. 4 Average room temperature of each room in stage Ⅰ and stage Ⅱ

3.2 改變供暖回路數(shù)量對(duì)耗電量的影響

實(shí)驗(yàn)期間的日耗電量如圖8所示，在階段Ⅰ剛開始供暖時(shí)，日耗電量較高，最高達(dá)到140 kW·h，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，保持在約75 kW·h。至階段Ⅱ時(shí)，由于關(guān)閉了兩路地暖盤管，向室內(nèi)的供熱量減少，機(jī)組耗電量也有所降低。以階段Ⅱ開始時(shí)刻為中心，不包括1月1日當(dāng)日，分別計(jì)算前7 d和后7 d機(jī)組日耗電量的平均值來代表兩個(gè)階段日耗電量的平均值，計(jì)算得到階段Ⅰ和階段Ⅱ的平均日耗電量分別為76.1 kW·h和 61.9 kW·h。說明關(guān)閉兩路地暖盤管后，耗電量減少18.7%，節(jié)能效果顯著，對(duì)于戶式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)，可以采用減少供暖回路的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

圖8 實(shí)驗(yàn)B日耗電量隨時(shí)間的變化Fig. 8 Variation of daily power consumption with time in test B

4 結(jié)論

本文針對(duì)不同的供暖行為模式對(duì)戶式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)節(jié)能與舒適性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1)設(shè)定過高的供水溫度不僅不利于節(jié)能而且會(huì)由于高溫造成過熱不舒適。室外平均溫度為-2.3 ℃，按照機(jī)組最高供水溫度55 ℃運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高，地板表面溫度局部不滿意率超過20%，耗電量相對(duì)于供水溫度為30 ℃時(shí)增加了191%。

2)隨著供水溫度的提高，戶內(nèi)各房間的溫差變大，過大的溫差會(huì)使人員從高溫房間進(jìn)入低溫房間時(shí)感到寒冷與不適，因此供水溫度不宜設(shè)置過高。

3)按需減少供暖回路數(shù)量的行為模式對(duì)正常供暖房間室溫的影響程度與各房間的位置關(guān)系相關(guān)，應(yīng)避免正常供暖的房間有兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰室停止供暖。室外平均溫度為-1.7 ℃，次臥和客臥停止供暖后，主臥、客廳和書房室溫比全屋供暖時(shí)分別降低1.4、2.9、0.5 ℃。

4)按需減少供暖回路的數(shù)量可以顯著降低系統(tǒng)耗電量。次臥和客臥停止供暖后，系統(tǒng)耗電量降低了18.7%。合理減少供暖回路數(shù)量，可以在保證室內(nèi)熱舒適性的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。