熱風型空氣源熱泵與常規(guī)壁掛空調(diào)的實驗對比分析

趙樹男，張世航，李斌

（1.北京工業(yè)大學城市建設(shè)學部，北京 100124； 2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

傳統(tǒng)燃煤取暖導致了嚴重的大氣污染問題，我國政府開始全面整治燃煤小鍋爐?？諝庠礋岜茫╝ir-source heat pump, ASHP）具有無污染、運行可靠性高和高效節(jié)能等優(yōu)點，因此，空氣源熱泵采暖系統(tǒng)成為取代煤加熱裝置的主要方式[1]。

學者針對ASHP系統(tǒng)應(yīng)用于寒冷地區(qū)的供暖性能進行了大量研究。Yan等[2]通過實驗研究了一種閃蒸罐補氣噴焓型ASHP系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的供暖性能良好。晉浩等[3]提出了一種更加穩(wěn)定、可靠和高效運行的太陽能輔助型ASHP系統(tǒng)，該熱泵系統(tǒng)在制熱量和能效方面都得到了有效提高。靳成成等[4]研究了一種小溫差風機盤管與ASHP相結(jié)合的采暖系統(tǒng)，指出該采暖系統(tǒng)具有高效舒適供熱的優(yōu)點。Jenkins等[5]對ASHP系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性分析，指出ASHP系統(tǒng)節(jié)約了更多的能源，在經(jīng)濟性和環(huán)境保護等方面表現(xiàn)出更為明顯的優(yōu)勢。鄧杰等[6]對比分析了單、雙級變頻壓縮低溫空氣源熱泵的制熱性能及供暖效果，指出雙級壓縮低溫空氣源熱泵的制熱性能更高。

針對熱水型空氣源熱泵的制熱性能和熱舒適性的相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟，而關(guān)于熱風型空氣源熱泵（airto-air heat pump, ATAHP）采暖的研究相對較少。ATAHP具有價格低、系統(tǒng)可靠性更高、節(jié)能和熱舒適性等特點，正被越來越多的人們所認識和接受，尤其是在我國北方“煤改電”政策實施的地區(qū)。與此同時，為了兼顧采暖和制冷，部分北方用戶選擇常規(guī)壁掛空調(diào)（wall-mounted air conditioner, WAC）作為室內(nèi)采暖裝置。然而，目前尚缺少對于ATAHP與WAC的制熱性能和熱舒適性的綜合性能對比研究。因此，本文通過搭建供暖系統(tǒng)研究平臺，對ATAHP和WAC的綜合性能進行實驗研究，對比分析了兩種供暖方式的制熱性能及其熱舒適性。

1 實驗方案和測試設(shè)備

1.1 實驗臺搭建

在外環(huán)溫度可調(diào)的大型工況實驗室內(nèi)建造模擬民房，實驗室通過低溫螺桿冷水機組和空氣處理機組所能提供的外環(huán)溫度和濕度范圍分別為（-25～60）℃和（30～100）%。模擬民房與中國嚴寒地區(qū)、北方煤改電民用建筑相符合，其圍護結(jié)構(gòu)符合DB11/891-2012《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》，滿足《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》和《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》等建筑節(jié)能規(guī)范、圖集。實驗室模擬民房建筑平面圖如圖1所示，房間面積為20.03 m2，其中，帶窗戶的兩面墻壁（左側(cè)和上側(cè)墻壁）為外墻，其余兩面墻壁為內(nèi)墻。在實驗室內(nèi)的長、寬和高方向上分別均勻布置8、6和5組懸吊熱電偶，用于測量實驗室內(nèi)的溫度，每個熱電偶的間距均為0.5 m。

圖1 實驗室平面圖

1.2 測試設(shè)備及實驗方案

ATAHP選取1.5匹熱風機，該機型采用雙級壓縮系統(tǒng)，具有上下兩個出風口和左右兩個回風口；WAC選取1.5匹壁掛機，該機型采用單級壓縮系統(tǒng)。ATAHP和WAC室內(nèi)機實物圖如圖2所示。ATAHP布置在房間進門右側(cè)墻壁中間貼近地面處，如圖1中黑色矩形所示；WAC布置在房間進門右側(cè)墻壁中間位置，并且距離地面高度為2.1 m，如圖1中白色矩形所示。機組的運行參數(shù)可通過實驗室測試軟件實時處理和顯示。

為了研究外環(huán)溫度對ATAHP與WAC性能和熱舒適性的影響，選擇5組不同的外環(huán)工況進行測試，具體實驗方案如表1所示。實驗室通過調(diào)節(jié)室外側(cè)的低溫螺桿冷水機組和空氣處理機組提供目標外環(huán)溫度和濕度。由于室內(nèi)側(cè)沒有用于調(diào)節(jié)初始室內(nèi)溫度的工況機，因此，在調(diào)節(jié)工況時，首先將外環(huán)溫度穩(wěn)定到目標外環(huán)溫度和濕度，同時墻體外表面溫度接近目標外環(huán)溫度；然后打開測試房間的所有門和窗戶，將外環(huán)中的低溫空氣引入室內(nèi)，結(jié)合房間內(nèi)待測取暖系統(tǒng)，使房間、墻體內(nèi)表面的初始溫度自然達到5 ℃；最后關(guān)閉門窗進行試驗測試。實驗時，ATAHP與WAC的設(shè)定溫度和風檔均分別為20 ℃和超強風檔。每組實驗持續(xù)6 h，在實驗過程中每隔一分鐘記錄一組實驗數(shù)據(jù)，具體測量參數(shù)及其符號如表2所示。本實驗所用的測量裝置及其測量范圍和精度如表3所示。

表1 實驗方案

表2 主要測量參數(shù)

表3 測量裝置范圍和精度

2 結(jié)果與分析

本文通過實驗研究，對比分析了ATAHP和WAC在不同工況下的制熱量、制熱性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）和熱舒適性。在運行工況穩(wěn)定后，機組室內(nèi)側(cè)的進、出風焓值發(fā)生變化，對室內(nèi)產(chǎn)生制熱作用。因此，系統(tǒng)的制熱量可由室內(nèi)側(cè)進、出風的焓值的差來確定。本文通過實驗測量送風參數(shù)、回風參數(shù)以及循環(huán)風量，并利用空氣焓值法來計算ATAHP和WAC的制熱量。ATAHP和WAC的制熱量計算分別如公式（1）和（2）所示：

式中：

Q—制熱量，kW；

V—體積流量，m3/s；

ρ—空氣密度，kg/m3；

Cp—空氣的比熱容，kJ/(kg℃)。

ATAHP和WAC的性能系數(shù)計算公式為

式中：

COP—性能系數(shù)；

Q—制熱量，kW；

W—總功率，kW。

2.1 制熱量

ATAHP與WAC的制熱量對比結(jié)果如圖3所示。實驗結(jié)果表明，隨著外環(huán)溫度的降低，ATAHP和WAC的制熱量均逐漸增加。這是因為外環(huán)溫度越低，房間內(nèi)的熱負荷就越大，需要機組產(chǎn)生更大的制熱量來滿足室內(nèi)熱負荷需求。在實驗工況從7 ℃下降到-15 ℃的過程中，制熱量的增加用于滿足低溫工況下室內(nèi)熱負荷需求的增加，因此，ATAHP與WAC的制熱量增幅基本相同：ATAHP的制熱量從1 550.86 W增至2 198.11 W，增幅為647.26 W；WAC的制熱量從1 345.77 W增至1 996.30 W，增幅為650.53 W。

圖3 不同工況下的ATAHP與WAC的制熱量對比

同時，由圖3可知，ATAHP在各個工況下的制熱量都要遠高于WAC，平均高11.49 %，兩者的制熱量差值最大可達15.24 %，約215 W左右。該現(xiàn)象的主要原因如下：一方面，當機組出風溫度高、密度小，出風將會上浮并聚集在房間上部，WAC的安裝高度遠高于ATAHP，導致同樣工況下WAC用于系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的監(jiān)控溫度高于ATAHP的監(jiān)控溫度，影響WAC的制熱量輸出；另一方面，隨著外環(huán)溫度降低，空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力將會降低，進而導致吸氣密度減小、冷媒循環(huán)量減少，而雙級壓縮技術(shù)降低了每一級的壓差，減少了壓縮腔內(nèi)部泄漏，由低壓級壓縮腔排出的制冷劑在內(nèi)置中間腔與補氣混合后經(jīng)高壓級壓縮腔壓縮后排出，提高了冷媒循環(huán)量，從而實現(xiàn)了ATAHP在低溫外環(huán)溫度下制熱量的提升。綜上，由于ATAHP的雙級壓縮系統(tǒng)和針對制熱工況設(shè)計的結(jié)構(gòu)，使得ATAHP的制熱量在較低的外環(huán)溫度工況下具有較大優(yōu)勢。

2.2 制熱性能系數(shù)

ATAHP與WAC的COP對比結(jié)果如圖4所示。隨著外環(huán)溫度的降低，ATAHP和WAC的COP值均逐漸降低，規(guī)律與制熱量相反。這是因為當外環(huán)溫度降低時，ATAHP和WAC的壓縮機做功增加，吸氣比容增大，制冷劑質(zhì)量流量降低，最終導致系統(tǒng)性能系數(shù)降低。

圖4 不同工況下的ATAHP與WAC的COP對比

從圖中還可以發(fā)現(xiàn)：在各個工況下，ATAHP的COP均高于WAC，平均高6.23 %；隨著外環(huán)溫度的降低，WAC表現(xiàn)出明顯的COP值衰減，ATAHP和WAC的COP差值越來越大，最大可達0.24。對于采用單級壓縮系統(tǒng)的WAC，隨著外環(huán)溫度降低，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力也將降低，導致吸氣密度減小、冷媒循環(huán)量減少，系統(tǒng)的制熱量將會快速衰減；同時，蒸發(fā)壓力的降低使得冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的溫差增大，系統(tǒng)的壓比隨之上升，導致壓縮機的容積效率降低，COP也會大幅下降。ATAHP采用雙級壓縮機，其系統(tǒng)示意圖如圖5所示，雙級壓縮機通過在單壓縮機上雙氣缸串聯(lián)實現(xiàn)兩級壓縮，制冷劑由低壓級壓縮腔排出，在內(nèi)置中間腔與補氣混合，再經(jīng)高壓級壓縮腔壓縮后排出[7]。壓縮機雙級壓縮運行，減小了每一級的壓差，降低了壓縮腔內(nèi)部泄漏，提高了壓縮機的容積效率，從而實現(xiàn)ATAHP在低溫外環(huán)溫度下制熱量和能效的提升[8,9]。根據(jù)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理，雙級壓縮系統(tǒng)壓焓圖如圖2所示，系統(tǒng)的COP可以表示為[10]。

圖5 雙級壓縮示意圖

式中：

Q—制熱量，kW；

W—總功率，kW；

mh、ml—高、低壓級的質(zhì)量流量，kg/s；

h1、h2、h3、h4和h6—各狀態(tài)點的焓值，kJ/kg。

外環(huán)溫度主要影響熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，由壓焓圖（圖6）分析可知，在冷凝溫度tc保持不變，當蒸發(fā)溫度te降低時，單位制冷量略微降低，單位壓縮功增大，吸氣比容增大，制冷劑質(zhì)量流量降低，最終導致系統(tǒng)性能系數(shù)降低。

圖6 雙級壓縮壓焓圖

2.3 熱舒適性

2.3.1 平均溫度與溫度偏差

室內(nèi)平均溫度隨外環(huán)溫度的變化規(guī)律如圖7所示，相應(yīng)的溫度偏差如圖8所示。溫度偏差為熱穩(wěn)定狀態(tài)時房間內(nèi)溫度平均值與空調(diào)設(shè)定溫度的差值，可表示為：

圖7 不同工況下的ATAHP與WAC的室內(nèi)平均溫度對比

圖8 不同工況下的ATAHP與WAC的室內(nèi)平均溫度偏差對比

圖9 不同工況下的ATAHP與WAC的溫度均勻度對比

圖10 不同工況下的ATAHP與WAC的垂直溫差對比

式中：

Tdev—溫度偏差，℃；

Tavg—室內(nèi)平均溫度，℃；

Tset—空調(diào)設(shè)定溫度，℃。

隨著外環(huán)溫度的降低，室內(nèi)平均溫度逐漸降低，溫度偏差也逐漸變?yōu)樨撝?，且絕對值也隨之增大。在外環(huán)溫度較高的情況下，機組回風溫度達到20 ℃左右時，ATAHP和WAC都會出現(xiàn)降頻或者停機的現(xiàn)象，房間平均溫度維持在20 ℃附近。此時，溫度偏差有正有負，這是因為空調(diào)系統(tǒng)在制熱模式時有補償溫度-ΔT1和+ΔT2，系統(tǒng)通過壓縮機頻率變化，保持用于系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的監(jiān)控溫度始終處于Tset-ΔT1和Tset+ΔT2之間。在外環(huán)溫度較低時，系統(tǒng)制熱能力衰減，房間平均溫度降低。此時，ATAHP和WAC的溫度偏差均為負值，系統(tǒng)基本處于不降頻的全功率運行。當外環(huán)溫度低于0 ℃時，WAC已經(jīng)無法滿足20 ℃的設(shè)定溫度需求。

ATAHP在各外環(huán)工況下形成的室內(nèi)平均溫度均高于WAC，而且兩者的差值隨著外環(huán)溫度的降低而增大。該現(xiàn)象表明ATAHP在實現(xiàn)房間全局制熱舒適性上更具優(yōu)勢。這主要是因為ATAHP用于系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的房間溫度監(jiān)控點位置高于WAC，ATAHP的監(jiān)控點溫度低于室內(nèi)平均溫度，ATAHP的計算制熱量大于需求制熱量，WAC與之相反；ATAHP具有雙級壓縮系統(tǒng)，在各工況條件下的能夠?qū)嶋H輸出的制熱量要高于WAC，而WAC在外環(huán)溫度較低時有更加明顯的制熱量衰減。

2.3.2 溫度均勻度

相對于制冷工況而言，溫度均勻度與垂直溫差一直是制熱工況的重點研究問題。溫度均勻度是熱穩(wěn)定狀態(tài)時不同測點溫度的差異狀況，其計算公式如下：

式中：

Te—溫度均勻度，℃；

Ti—檢測點i的溫度，℃；

m—溫度檢測點總數(shù)。

ATAHP和WAC房間溫度均勻度如下圖所示，ATAHP的溫度均勻度在2 ℃左右，WAC的溫度均勻度在3 ℃左右。無論是ATAHP的上出風方式還是WAC的下出風方式，最終熱空氣均會在密度差的驅(qū)動下上浮至房間上部，且無論如何吹風，均不能完全改善這種溫度分布，導致ATAHP和WAC的制熱溫度均勻度整體略差。ATAHP的溫度均勻度略優(yōu)于WAC，這是因為相較于WAC上出風的出風方式，ATAHP下出風的出風方式能讓熱風先通過房間下部空間再上浮至房間上部，可有效改善溫度均勻度。

WAC在外環(huán)為7和0 ℃時，ATAHP在外環(huán)為7、0和-5 ℃時，溫度均勻度較好，且基本保持不變。這是因為在這些外環(huán)溫度下，系統(tǒng)的能力能夠滿足負荷需求，系統(tǒng)基本會達到停機溫度點，當停機后系統(tǒng)不制熱只吹風，能夠有效改善溫度均勻度。在低外環(huán)溫度下，隨著外環(huán)溫度的降低，房間熱負荷逐漸增大，ATAHP和WAC需要長期不間斷運行才能滿足制熱需求。此時房間上部充滿熱空氣的地方溫度變化較小，但是隨著外環(huán)溫度降低，其他區(qū)域與外環(huán)的換熱溫差增大，換熱強度增加，其他區(qū)域的空氣溫度也逐漸降低。因此，房間整體溫度均勻度隨著外環(huán)溫度的降低而變差，WAC從2.9 ℃變?yōu)?.4 ℃，ATAHP從1.6 ℃變?yōu)?.2 ℃，增幅均約0.5 ℃。

2.3.3 垂直溫差

研究表明，當房間內(nèi)垂直溫差小于2.0 ℃時，室內(nèi)的熱舒適性好。垂直溫差是指熱穩(wěn)定狀態(tài)時人員坐姿狀態(tài)下的頭部高度（1.1 m）和腳部高度（0.1 m）位置的溫度差值。ATAHP和WAC的垂直溫差如下圖所示。ATAHP的垂直溫差基本不高于2.0 ℃，而WAC的垂直溫差均高于3.6 ℃。ATAHP下出風的送風方式能夠為人體腳部提供更高的溫度，從而降低了人體頭部高度和腳部高度的溫差，有利于為人體提供更好的室內(nèi)熱環(huán)境，提高供暖房間的熱舒適性。

對比ATAHP與WAC房間的人體頭部高度和腳部高度平均溫度，如圖11所示。由于房間設(shè)定溫度是20 ℃，且WAC用于系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的房間溫度監(jiān)控點位于房間上部，因此，WAC的頭部高度平均溫度基本維持在（20±1）℃。而由于熱空氣的上浮作用，腳部高度的空氣溫度較低；且隨著外環(huán)溫度的降低，腳部高度空氣與外環(huán)換熱溫差增大，腳部空氣溫度降低。所以，腳部高度溫度隨著外環(huán)溫度降低而大幅下降，降幅達到4.5 ℃。綜上，WAC系統(tǒng)的垂直溫差呈現(xiàn)為在高外環(huán)溫度時保持不變、在低外環(huán)溫度時隨外環(huán)降低而升高的整體趨勢。ATAHP用于系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的房間溫度監(jiān)控點位于房間下部，因此，腳部高度平均溫度基本維持在（20±1）℃。隨著外環(huán)溫度降低，ATAHP系統(tǒng)中房間上部的空氣與外環(huán)的溫差逐漸增大，房間上部的空氣溫度下降。這樣反而有利于ATAHP的垂直溫差，使得ATAHP的垂直溫差從2.1 ℃降至1.3 ℃。

由于ATAHP采用雙級壓縮制冷，在各外環(huán)工況下具有較高的制熱輸出量，且ATAHP具有下出風的出風方式，使得ATAHP系統(tǒng)的腳部高度平均溫度較為穩(wěn)定，略隨外環(huán)溫度降低而降低。而WAC系統(tǒng)的腳部溫度隨著外環(huán)溫度而大幅降低，最低可達14.0 ℃。而相對于頭部溫度而言，較高的腳部溫度更能給人暖和、舒適的感覺[10]。因此，ATAHP較高的腳部溫度能有效提升采暖舒適性。

3 結(jié)論

本文對ATAHP與WAC進行實驗對比分析，結(jié)果顯示，ATAHP具有更強的制熱性能，且專為制熱設(shè)計的結(jié)構(gòu)也帶來了更好的制熱舒適性。研究的具體結(jié)論如下：

1）在實驗工況從7 ℃下降到-15 ℃的過程中，ATAHP與WAC的制熱量增幅基本相同，然而ATAHP在各個工況下的制熱量都要遠高于WAC，平均比WAC要高11.49 %。

2）在各個工況下，ATAHP的COP高于WAC，平均高出6.23 %；隨著外環(huán)溫度的降低，WAC表現(xiàn)出明顯的COP值衰減，兩者的COP差值越來越大，最大可達0.24。

3）在各外環(huán)工況下，ATAHP的室內(nèi)平均溫度高于WAC，兩者差值隨著外環(huán)溫度的降低而增大；當外環(huán)溫度低于0 ℃時，WAC已經(jīng)無法滿足20 ℃的設(shè)定溫度需求。

4）由于ATAHP采用雙級壓縮系統(tǒng)和專用于制熱的下出風方式，ATAHP的溫度均勻度優(yōu)于WAC，溫度均勻度始終小于2.2 ℃；ATAHP具有小于2.0 ℃的垂直溫差和接近設(shè)定溫度的腳部高度溫度，有利于提供讓人感覺更暖和的室內(nèi)熱環(huán)境，提高供暖房間的熱舒適性。