某地区空气源热泵地板采暖系统应用研究

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摘要：空气源热泵作为冷热源的系统既解决了夏季空调的需要，又可在冬季提供舒适的温水地板采暖。本实验 研究 以上海地区的一栋独立别墅住宅为对象，经过采暖期中一个月的实测，系统地测得了空气源热泵地板采暖的特性参数和运行能耗数据，把握了空气源热泵地板采暖的运行 规律 。本文基于实测数据，对上海地区将空气源热泵用于地板采暖系统进行技术 经济 性 分析 。 关键词：地板辐射采暖 冷热源 风冷热泵 1 引言我国上海地区地处夏热冬冷地区，日平均气温低于5℃的天数将近60天。不设采暖空调时，冬季室内温度低于热环境卫生学下限标准， 影响 工作﹑生活和健康。由于该地区经济的 发展 和生活水平的提高，不但在夏季采用空调制冷已经相当普遍，而且对冬季的采暖需求也日趋增强。空气源热泵夏季可制冷，冬季可提供低温热水。但冬季的低温热水在传统的空气-水空调系统中难以发挥出令人满意的采暖效果，而低温热水（一般在40-45℃左右） 理论 上却恰好满足地板辐射采暖系统的需要，从而有可能使能源得到梯级利用，提高能源的利用效率。同时将夏季供冷和冬季供热系统进行了合理整合。这样的系统形式虽然已经在北方地区得到 应用 ，但对于在不同地区的适用性尚有待研究。对地板辐射采暖的研究在最近几年得到展开，从传热模型的建立到实验室测定，也有一些地区的实际住宅的实测报告。大多数研究重点在对系统传热特性的研究上。然而系统的实际运行效果及运行经济性与热源方式，建筑围护结构，地区气候，居住习惯等诸多因素有关，系统的适用性尚有待进一步的考察验证。为此，笔者于2003年冬季对上海地区的一幢独立别墅住宅进行采暖期间的现场测试，系统地测得了空气源热泵用于地板采暖系统的特性参数，分析了在上海地区将空气源热泵用于地板采暖系统的技术及经济的可行性。2 实验概要测试对象的住宅为上海地区的一幢三层别墅，建筑面积约280 m²，地板采暖面积为164m²（总敷设率约为59%，对象房间敷设率接近100%）,地面装饰材料为实木复合地板。墙体为厚240mm的空心砖墙（未做保温），窗户为铝合金中空双层玻璃窗。地板采暖采用湿式施工（混凝土预埋管），埋管采用PEX管，管径规格为12/16mm（内径/外径），双回型布置，管间距150mm。本实验重点考察了位于住宅中位于二层的一间卧室，房间约14 m²，有南北东三面外墙，一面内墙，南，北面各有一扇外窗。如图1，图2示。系统采用空气源热泵作为冷热源，夏季空调（水-空气式）和冬季供暖（辐射地板采暖）整合为一个系统（图3）。本实验对地板，室内温度，室外温度，维护结构内表面温度，供回水温度，水流量，机组耗电量进行了测试，所有数据能实时观察和自动记录。

  图1 测试对象房间埋管及测点布置平面图   Fig.1 Plane figure of heating pipe and test point    图2 测试对象房间断面图   Fig.2 Sectional drawing of room and test point3.1 空气源热泵地板采暖系统的热泵主机特性空气源热泵冬季制热供水温度低，不足以满足传统的热风系统热交换的需要，一些产品则只好添置电加热器助力。显然这不符合节能高效原则。图2 目前 国内常见的温水循环式地板辐射采暖系统热源以壁挂式热水锅炉为主，在北方采用城市热网集中供暖的地方可通过板式水-水换热器换热降温后提供采暖温水，但这些都是属于高品位热源的利用，而空气源热泵在冬季制热工况下的供水温度正好吻合地板辐射采暖的条件。把握空气源热泵的温水循环及传热特性对于空气源热泵地板采暖系统的应用非常重要。   图3 风冷热泵空调/地板采暖系统示意图    Fig.3 Schematic drawing of floor heating system with air source heat pump泵地板采暖的供回水温度变化特性，测试时室外气温约为0.3℃，热泵开机后，系统供回水温度逐渐升高，经过4.5小时，供水温度达到45℃，回水温度达到35℃。开机后供回水温差很快达到9.3℃，并稳定下来呈周期性的变化。实验测得该热泵机组的除霜间隔时间为45分钟，除霜时间很短，约为2～3分钟。除霜时，四通阀换向，进入制冷工况，室外风机停转，压缩机排气直接进入翅片管换热器，除去翅片表面的霜，供水温度迅速降低（图中供水温度瞬间低于回水温度是由于除霜反向运行所致）。虽然除霜时供水温度明显降低，但室温及地板表面温度下降幅度小，表明除霜期间对地板采暖效果影响不大，主要是因为除霜时间短，而温水式地板采暖的热容性较大。图4 热泵系统供回水温度特性   Fig.4 Performance of water system of air source heat pump   图5 燃气炉热源系统供回水温度特性   Fig.5 Performance of water system of gas furnace 笔者对燃气炉热源方式的供水情况也进行了对比考察，结果是：燃气炉供水温度迅速达到设定值，回水温度逐渐上升，供回水温差有一个先增加再减小的过程（图中供回水温差较大是由于采用了不同于传统埋管方式的板状散热结构的地板采暖系统，该系统的实验 内容 另撰文介绍）。风冷热泵供水温度渐近上升的特征在一定程度上影响了地板的快速预热能力及供暖能力。空气源热泵需要采取除霜控制来保证系统在湿冷的气候条件下正常运行，一般说来，当室外的相对湿度大于50％时，气温在-1～7℃左右最容易结霜[1]。笔者通过测试发现，空气源热泵机组随室外温度的变化，出现了三种工况并影响供水模式：① 发生除霜的连续运行当室外温度较低，低于5.5℃左右时，机组按这种方式运行，除霜周期为45分钟，除霜时间为2～3分钟，虽然除霜时间很短，但除霜还比较干净。室外温度较高时，除霜周期变长，除霜周期为45～60分钟。② 无除霜连续运行随着室外温度的升高（5.5℃～7.5℃），室外盘管的温度一直高于除霜设定的下限值，此时热泵机组不需要除霜，机组连续运行。③ 过热保护间歇运行   图6 空气源热泵的三种供水模式   Fig.6 Three supplying water models of air source heat pump   图7 室内环境条件（室外7.3℃,运行8小时后）   Fig.7 Indoor environment of floor heating system 当室外温度继续升高到7.5℃左右时，供水温度达到50℃左右，出于对机组的保护，主机会自动停机，循环水泵仍工作，等供水温度下降达到40℃左右以后，主机又开始工作，如此间歇运行，间歇周期不定，随室外温度升高，周期变短，由于地板采暖对水温不敏感，为了不让机组频繁开关机，可以让水温的下限设定值更低一点，加大调节幅度。由于室外温度不同，从而导致热泵供水模式的不同，虽然围护结构的蓄热作用对温度波有较大的衰减，但是室外温度的降低还是引起室内温度的明显降低。笔者经过长达一个月的采暖工况测试，取几次典型测试结果，以说明不同室外温度时，室内温度的差异。