空氣源熱泵直接地板輻射采暖實(shí)驗(yàn)研究

崔明明 馬國(guó)遠(yuǎn) 曹瑞林 黨鵬飛 許樹學(xué)

1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124；

2. 中國(guó)家用電器研究院 北京 100037

0 引言

我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%，其中占比最大的采暖和空調(diào)占建筑總能耗的50%以上[1]。采用燃燒礦物燃料的方式，致使每年產(chǎn)生數(shù)千萬噸的粉塵和各類污染物，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展和人們的身體健康[2]。推動(dòng)采暖設(shè)備的節(jié)能改造已成為實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的重要研究方向?，F(xiàn)有家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，較為常用的末端包括強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流。其中，強(qiáng)制對(duì)流換熱單元存在吹風(fēng)感強(qiáng)、噪聲大以及垂直溫度梯度大等問題，采暖體驗(yàn)較差。

針對(duì)以上問題，研究者提出了自然對(duì)流供暖末端，舒適性得以提高。自然對(duì)流供暖末端包括散熱器、毛細(xì)管網(wǎng)末端等，與傳統(tǒng)空氣源熱泵室外機(jī)結(jié)合，具有能耗降低、舒適性提高的效果[3]。自然對(duì)流換熱末端的研究主要有三個(gè)方向：散熱器、毛細(xì)管網(wǎng)以及熱管。Kang Weibin等人介紹了一種結(jié)合太陽能和相變儲(chǔ)熱（PCTS）的毛細(xì)管輻射終端，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠滿足室內(nèi)供熱需求，熱舒適度可達(dá)A級(jí)[4]。周斌等人對(duì)上海地區(qū)某辦公建筑空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該供暖系統(tǒng)的COP約為1.81，室內(nèi)平均溫度為21℃；與常規(guī)供暖系統(tǒng)相比，空氣源熱泵散熱器供暖方式的系統(tǒng)制熱COP偏低，但室內(nèi)溫度較穩(wěn)定，豎直溫差較小，溫升速率較慢[5]。但是現(xiàn)有的自然對(duì)流換熱末端都有各自的不足。散熱器供暖具有COP偏低、溫升速率較慢的缺點(diǎn)；毛細(xì)管網(wǎng)供暖則因其存在結(jié)露和供冷能力不足的問題，很難在高溫高濕地區(qū)應(yīng)用。而針對(duì)目前強(qiáng)制對(duì)流換熱末端所存在的舒適性缺點(diǎn)以及自然對(duì)流換熱末端很難滿足所有應(yīng)用場(chǎng)景的問題，地板輻射采暖成為了新的研究方向。

地板輻射采暖相較于傳統(tǒng)的取暖方式，室內(nèi)溫度分布均勻，局部溫差小，具有舒適、節(jié)能等特點(diǎn)，能夠充分利用工業(yè)余熱、建筑廢熱等低品位能源[6,7]。徐維提供了一種以空氣源熱泵制取熱水，地板埋管為末端的冬季采暖方式，并對(duì)其進(jìn)行了為期93天的實(shí)地測(cè)試。結(jié)果顯示：室內(nèi)0.1 m、1 m、1.5、2 m高度處溫度的平均值分別為20.48℃、19.26℃、18.75℃、18.01℃，呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的下暖、上涼的溫度場(chǎng)[8]。而直接地板輻射采暖相較于普通地板輻射采暖又省去了二次換熱過程，在很大程度上提高了熱泵能效[9]。魏新利等人建立了以制冷劑為熱媒的空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)果表明，在鄭州地區(qū)冬季條件下，地板輻射供暖地表溫度達(dá)到26.5℃，室內(nèi)溫度維持在21.8℃，波動(dòng)分別為0.2℃和0.3℃，空氣源熱泵直接地板輻射供暖預(yù)熱時(shí)間80 min[10]。黃靈世等人對(duì)多功能多聯(lián)式一體機(jī)進(jìn)行地暖實(shí)驗(yàn)，對(duì)舒適性指標(biāo)以及熱阻、水流速和室內(nèi)設(shè)定溫度對(duì)耗電量的影響進(jìn)行了研究分析，并提出了一種節(jié)能運(yùn)行模式[11]。李永斌運(yùn)用動(dòng)態(tài)投資管理原理對(duì)空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)COP為3.36，能效較高，且系統(tǒng)初投資為30.14萬元，年運(yùn)行費(fèi)用為1.19萬元，相比于常規(guī)集中供暖系統(tǒng)具有一定經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。而相比于分體式空調(diào)以及電加熱采暖，系統(tǒng)初投資及運(yùn)行費(fèi)用都較高[12]。但直供式地板供暖的舒適性高于上述兩種系統(tǒng)。綜合來看，直接地板輻射采暖系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、舒適性上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，空氣源熱泵在低溫高濕環(huán)境下運(yùn)行制熱工況時(shí)，存在其室外空氣側(cè)翅片管換熱器表面結(jié)霜這一難題。郭憲民等人對(duì)結(jié)霜工況下空氣源熱泵的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在室外環(huán)境空氣溫度及相對(duì)濕度分別為-15℃～3℃和50%～90%范圍內(nèi)對(duì)一臺(tái)空氣源熱泵空調(diào)器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在室外換熱器表面結(jié)霜的初始階段，熱泵系統(tǒng)的制熱量及性能系數(shù)均有所提高，但在結(jié)霜的后期，熱泵性能迅速衰減[13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做出了很多研究，除霜方式主要分為機(jī)械除霜以及熱力除霜，機(jī)械除霜包括機(jī)械刮除、高壓氣流噴掃、超聲波破碎等，熱力除霜方法包括壓縮機(jī)停機(jī)除霜、電加熱除霜、熱水噴灑除霜、熱氣旁通除霜以及逆循環(huán)除霜等。其中逆循環(huán)除霜具有系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單、除霜時(shí)間短、除霜效率高、不需要外加輔助熱源等諸多優(yōu)點(diǎn)，其已成為空氣源熱泵應(yīng)用最為廣泛的除霜方法[14]。

針對(duì)目前空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)所存在的系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)不明確以及工程實(shí)踐稀少、實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)較少的問題，本文設(shè)計(jì)并搭建了空氣源熱泵直接地板輻射采暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)其在不同環(huán)境溫度下的運(yùn)行特性、能效以及保溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，側(cè)重于分析地板直接供暖系統(tǒng)的熱工性能，為地板輻射采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)原理如圖1所示。分為供暖房間和空調(diào)室外機(jī)兩部分。包括壓縮機(jī)、電磁閥、冷凝器（地暖盤管）、流量計(jì)和蒸發(fā)器等。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)1后成為高溫高壓氣體，經(jīng)電磁閥2進(jìn)入地暖盤管3冷凝放熱供暖，而后流經(jīng)節(jié)流裝置5進(jìn)入室外蒸發(fā)器6，吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w流回壓縮機(jī)完成循環(huán)。

圖1 空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為減小焓差室內(nèi)的風(fēng)機(jī)影響，采用彩鋼板搭建了2.5 m×4 m×2.2 m的封閉實(shí)驗(yàn)房。實(shí)驗(yàn)房的地板結(jié)構(gòu)如圖2所示。地板構(gòu)造包括聚苯乙烯隔熱板，地暖專用反射膜，混凝土填充層，水泥地面。圖3所示為地暖盤管鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)圖片。其中，綠色管路即為地暖盤管，下方銀色膜為地暖專用反射膜。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)空氣源熱泵室外機(jī)采用的是市場(chǎng)成品外機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。此外，實(shí)驗(yàn)所用到的測(cè)量?jī)x器有熱電偶、壓力傳感器、功率計(jì)和流量計(jì)，其量程及精度范圍如表2所示。且根據(jù)誤差分析，實(shí)驗(yàn)的不確定度為1.69%。

圖2 地板構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖

圖3 地暖盤管鋪設(shè)圖

表1 熱泵室外機(jī)主要參數(shù)

表2 測(cè)量?jī)x器及精度

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 測(cè)點(diǎn)分布

需要直接測(cè)量的數(shù)據(jù)主要有功率、溫度、壓力以及制冷劑流量。溫度測(cè)量采用10個(gè)熱電偶，分別為房間內(nèi)部中心垂直分布的五個(gè)測(cè)點(diǎn)，地面對(duì)角線兩個(gè)測(cè)點(diǎn)以及冷凝器進(jìn)出口溫度和吸氣溫度。房間內(nèi)部垂直溫度測(cè)點(diǎn)如圖4所示。壓力傳感器共3個(gè)，分別設(shè)置于冷凝器進(jìn)出口和壓縮機(jī)進(jìn)口處。用流量計(jì)對(duì)冷凝器出口處制冷劑流量進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

圖4 室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

調(diào)節(jié)室外側(cè)環(huán)境溫度為-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃，房間內(nèi)溫控器設(shè)置為20℃。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①啟動(dòng)焓差室并將室外側(cè)環(huán)境溫度穩(wěn)定為所需溫度；②啟動(dòng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 s，設(shè)置房間內(nèi)溫控器為20℃，開啟地暖系統(tǒng)；③室內(nèi)溫度穩(wěn)定在20℃左右半小時(shí)以上后，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并關(guān)閉地暖系統(tǒng)，采集停機(jī)后數(shù)據(jù)；④整理分析數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)性能系數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)COP為地暖盤管供熱量Q與壓縮機(jī)功率之比，其中地暖盤管供熱量Q由制冷劑質(zhì)量流量qm與制冷劑進(jìn)入地暖盤管前后焓差乘積得到。而制冷劑質(zhì)量流量qm則由流量計(jì)測(cè)得的制冷劑體積流量qv與相應(yīng)溫度和壓力下查得的制冷劑密度乘積得到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 室內(nèi)溫度變化情況

圖5 和圖6分別為室外側(cè)溫度-10℃時(shí)，室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化圖和穩(wěn)定后室內(nèi)溫度分布圖。圖5中室內(nèi)溫度由房間內(nèi)部中心垂直分布的五個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度求平均數(shù)得到。由圖5可以看出，溫度上升速率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，隨著室內(nèi)溫度的升高，溫度上升的速率越來越慢，直到最后在20℃上下震蕩并趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)供暖預(yù)熱時(shí)間為120 min。由圖6可以看出，地暖系統(tǒng)也有其采暖優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)垂直溫度分布均勻。除距地面5 cm處溫度較高外，其余四個(gè)高度的溫度大致相同，熱舒適性較好。由此工況下的溫升效率和預(yù)熱時(shí)間可以推斷，當(dāng)室外環(huán)境溫度變化時(shí)系統(tǒng)趨勢(shì)是不變的，預(yù)熱時(shí)間會(huì)有一定波動(dòng)，但時(shí)間仍相對(duì)較短，能夠滿足一般家庭用戶供熱需求。同時(shí)不同工況下室內(nèi)溫度分布有小幅波動(dòng)，但整體均勻性不會(huì)改變，室內(nèi)熱舒適性良好。

圖5 室外溫度-10℃時(shí)室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化圖

圖6 0℃穩(wěn)定狀態(tài)下室內(nèi)溫度分布圖

3.2 能效分析

圖7為室外環(huán)境溫度-10℃系統(tǒng)能效隨時(shí)間變化圖。地暖系統(tǒng)啟動(dòng)后，壓縮機(jī)功率以及制熱量逐步上升。壓縮機(jī)功率在系統(tǒng)運(yùn)行120 min左右后穩(wěn)定，隨后制熱量在150 min左右逐步穩(wěn)定。同時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)COP隨功率上升而逐步下降，在系統(tǒng)運(yùn)行120 min左右后保持穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，系統(tǒng)開機(jī)后室內(nèi)溫度較低，負(fù)荷大，故變頻壓縮機(jī)頻率增大從而使得功率不斷上升帶動(dòng)制熱量不斷上漲。隨之上升整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，地暖系統(tǒng)COP保持在3.6～4.0之間，且最終穩(wěn)定在3.65左右。通過隨時(shí)間變化圖的分析可以看出，隨著地暖系統(tǒng)開機(jī)后壓縮機(jī)功率的上漲，系統(tǒng)COP下降并最終趨于穩(wěn)定。

圖7 -10℃系統(tǒng)制熱量/功率/COP隨時(shí)間變化圖

為研究不同室外環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行能效，在只改變環(huán)境溫度的條件下進(jìn)行了五組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖8和圖9分別為不同室外溫度系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下制冷劑流量對(duì)比圖和能效對(duì)比圖。室外環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)制熱量越低，COP越高。隨著室外環(huán)境溫度的提升，地暖系統(tǒng)穩(wěn)定后功率和制熱量呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，而COP呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著室外溫度的提升，整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷下降，變頻壓縮機(jī)自行降低輸出頻率使得壓縮機(jī)功率降低，制熱量隨之降低。同時(shí)，制熱量降低幅度小于功率降低幅度，故系統(tǒng)COP隨溫度上升而上升。室外溫度-10℃時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定功率約為1.62 kW，COP約為3.65；室外溫度10℃時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定功率約為1.24 kW，COP約為4.25。在我國(guó)大部分地區(qū)，-10℃已經(jīng)是冬季較低氣溫，而在此溫度下，空氣源熱泵直接地板供暖系統(tǒng)的COP仍能保持在3.6以上，說明系統(tǒng)性能優(yōu)秀，能效較高。而環(huán)境溫度更高時(shí)，系統(tǒng)COP也隨之升高，系統(tǒng)能效提升。說明空氣源熱泵直接地板供暖系統(tǒng)能夠滿足我國(guó)大部分地區(qū)的冬季供暖需求。

圖8 不同室外溫度制冷劑流量對(duì)比圖

圖9 不同室外溫度系統(tǒng)制熱量/功率/COP對(duì)比圖

3.3 蓄熱效果分析

地暖系統(tǒng)相較于其他方式的優(yōu)勢(shì)之一是其具有一定的蓄熱效果，在停機(jī)后室內(nèi)溫度仍可保持一段時(shí)間，溫度降低速率較慢。為研究地暖系統(tǒng)的蓄熱效果，在地暖系統(tǒng)將室內(nèi)溫度升至20℃穩(wěn)定后關(guān)閉系統(tǒng)，記錄關(guān)機(jī)后室內(nèi)溫度及地面溫度變化。圖10為室外溫度0℃時(shí)關(guān)機(jī)后室內(nèi)溫度與地面溫度隨時(shí)間變化圖。其中，室內(nèi)溫度取五個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為特征溫度，地面溫度則由兩個(gè)地面測(cè)點(diǎn)求平均數(shù)得到。

圖10 0℃系統(tǒng)關(guān)機(jī)后地面和室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化圖

由圖10可以看出，在系統(tǒng)關(guān)機(jī)后地面溫度快速下降，但下降速率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在關(guān)機(jī)120 min后地面溫度仍在15℃以上。同時(shí)，室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)與地面溫度相同，但下降速度更慢，在關(guān)機(jī)120 min后室內(nèi)溫度仍可保持在12℃以上。在室外環(huán)境溫度為0℃的情況下，地暖系統(tǒng)的蓄熱效果可以使得室內(nèi)溫度在系統(tǒng)關(guān)機(jī)120 min后仍保持在12℃左右，可以看出其蓄熱效果的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，地暖系統(tǒng)由于其蓄熱主要是地板的熱惰性高，能夠儲(chǔ)存一定熱量，所以蓄熱能力幾乎無變化。但由于熱量散失速度與環(huán)境溫度息息相關(guān)，故降溫速度會(huì)有變化。但對(duì)比集中供熱式系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)仍具有明顯的蓄熱優(yōu)勢(shì)，仍可在系統(tǒng)關(guān)停后減慢室內(nèi)溫降速度。

4 結(jié)論

搭建樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)小室，對(duì)空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如下：

（1）空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖時(shí)，室內(nèi)溫度上升較快，系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間較短，并且室內(nèi)溫度垂直分布均勻，熱舒適性良好。

（2）室外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)功率和COP有直接影響，隨著室外環(huán)境溫度的提升，地暖系統(tǒng)穩(wěn)定后功率呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，而COP呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作保持室內(nèi)溫度為20℃后，系統(tǒng)COP在3.6～4.2之間。環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定工作COP為3.65；環(huán)境溫度為10℃時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定工作COP為4.25。系統(tǒng)能效優(yōu)異，能夠滿足全國(guó)大部分地區(qū)的供暖需求。

（3）空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)具有較好的蓄熱效果，在系統(tǒng)停機(jī)后可以延緩室內(nèi)溫度的下降。環(huán)境溫度為0℃時(shí)，系統(tǒng)關(guān)機(jī)120 min后，室內(nèi)溫度仍在12℃以上，蓄熱效果較好。在不同環(huán)境溫度下，空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)對(duì)比常用的集中式供暖系統(tǒng)和獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)都具有一定的蓄熱優(yōu)勢(shì)。