某地區(qū)空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)應(yīng)用研究

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摘要：空氣源熱泵作為冷熱源的系統(tǒng)既解決了夏季空調(diào)的需要，又可在冬季提供舒適的溫水地板采暖。本實驗 研究 以上海地區(qū)的一棟獨立別墅住宅為對象，經(jīng)過采暖期中一個月的實測，系統(tǒng)地測得了空氣源熱泵地板采暖的特性參數(shù)和運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，把握了空氣源熱泵地板采暖的運(yùn)行 規(guī)律 。本文基于實測數(shù)據(jù)，對上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 性 分析 。 關(guān)鍵詞：地板輻射采暖 冷熱源 風(fēng)冷熱泵 1 引言我國上海地區(qū)地處夏熱冬冷地區(qū)，日平均氣溫低于5℃的天數(shù)將近60天。不設(shè)采暖空調(diào)時，冬季室內(nèi)溫度低于熱環(huán)境衛(wèi)生學(xué)下限標(biāo)準(zhǔn)， 影響 工作﹑生活和健康。由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展 和生活水平的提高，不但在夏季采用空調(diào)制冷已經(jīng)相當(dāng)普遍，而且對冬季的采暖需求也日趨增強(qiáng)。空氣源熱泵夏季可制冷，冬季可提供低溫?zé)崴?。但冬季的低溫?zé)崴趥鹘y(tǒng)的空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中難以發(fā)揮出令人滿意的采暖效果，而低溫?zé)崴ㄒ话阍?0-45℃左右） 理論 上卻恰好滿足地板輻射采暖系統(tǒng)的需要，從而有可能使能源得到梯級利用，提高能源的利用效率。同時將夏季供冷和冬季供熱系統(tǒng)進(jìn)行了合理整合。這樣的系統(tǒng)形式雖然已經(jīng)在北方地區(qū)得到 應(yīng)用 ，但對于在不同地區(qū)的適用性尚有待研究。對地板輻射采暖的研究在最近幾年得到展開，從傳熱模型的建立到實驗室測定，也有一些地區(qū)的實際住宅的實測報告。大多數(shù)研究重點在對系統(tǒng)傳熱特性的研究上。然而系統(tǒng)的實際運(yùn)行效果及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與熱源方式，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地區(qū)氣候，居住習(xí)慣等諸多因素有關(guān)，系統(tǒng)的適用性尚有待進(jìn)一步的考察驗證。為此，筆者于2003年冬季對上海地區(qū)的一幢獨立別墅住宅進(jìn)行采暖期間的現(xiàn)場測試，系統(tǒng)地測得了空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的特性參數(shù)，分析了在上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的可行性。2 實驗概要測試對象的住宅為上海地區(qū)的一幢三層別墅，建筑面積約280 m²，地板采暖面積為164m²（總敷設(shè)率約為59%，對象房間敷設(shè)率接近100%）,地面裝飾材料為實木復(fù)合地板。墻體為厚240mm的空心磚墻（未做保溫），窗戶為鋁合金中空雙層玻璃窗。地板采暖采用濕式施工（混凝土預(yù)埋管），埋管采用PEX管，管徑規(guī)格為12/16mm（內(nèi)徑/外徑），雙回型布置，管間距150mm。本實驗重點考察了位于住宅中位于二層的一間臥室，房間約14 m²，有南北東三面外墻，一面內(nèi)墻，南，北面各有一扇外窗。如圖1，圖2示。系統(tǒng)采用空氣源熱泵作為冷熱源，夏季空調(diào)（水-空氣式）和冬季供暖（輻射地板采暖）整合為一個系統(tǒng)（圖3）。本實驗對地板，室內(nèi)溫度，室外溫度，維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，供回水溫度，水流量，機(jī)組耗電量進(jìn)行了測試，所有數(shù)據(jù)能實時觀察和自動記錄。

  圖1 測試對象房間埋管及測點布置平面圖   Fig.1 Plane figure of heating pipe and test point    圖2 測試對象房間斷面圖   Fig.2 Sectional drawing of room and test point3.1 空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的熱泵主機(jī)特性空氣源熱泵冬季制熱供水溫度低，不足以滿足傳統(tǒng)的熱風(fēng)系統(tǒng)熱交換的需要，一些產(chǎn)品則只好添置電加熱器助力。顯然這不符合節(jié)能高效原則。圖2 目前 國內(nèi)常見的溫水循環(huán)式地板輻射采暖系統(tǒng)熱源以壁掛式熱水鍋爐為主，在北方采用城市熱網(wǎng)集中供暖的地方可通過板式水-水換熱器換熱降溫后提供采暖溫水，但這些都是屬于高品位熱源的利用，而空氣源熱泵在冬季制熱工況下的供水溫度正好吻合地板輻射采暖的條件。把握空氣源熱泵的溫水循環(huán)及傳熱特性對于空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。   圖3 風(fēng)冷熱泵空調(diào)/地板采暖系統(tǒng)示意圖    Fig.3 Schematic drawing of floor heating system with air source heat pump泵地板采暖的供回水溫度變化特性，測試時室外氣溫約為0.3℃，熱泵開機(jī)后，系統(tǒng)供回水溫度逐漸升高，經(jīng)過4.5小時，供水溫度達(dá)到45℃，回水溫度達(dá)到35℃。開機(jī)后供回水溫差很快達(dá)到9.3℃，并穩(wěn)定下來呈周期性的變化。實驗測得該熱泵機(jī)組的除霜間隔時間為45分鐘，除霜時間很短，約為2～3分鐘。除霜時，四通閥換向，進(jìn)入制冷工況，室外風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)排氣直接進(jìn)入翅片管換熱器，除去翅片表面的霜，供水溫度迅速降低（圖中供水溫度瞬間低于回水溫度是由于除霜反向運(yùn)行所致）。雖然除霜時供水溫度明顯降低，但室溫及地板表面溫度下降幅度小，表明除霜期間對地板采暖效果影響不大，主要是因為除霜時間短，而溫水式地板采暖的熱容性較大。圖4 熱泵系統(tǒng)供回水溫度特性   Fig.4 Performance of water system of air source heat pump   圖5 燃?xì)鉅t熱源系統(tǒng)供回水溫度特性   Fig.5 Performance of water system of gas furnace 筆者對燃?xì)鉅t熱源方式的供水情況也進(jìn)行了對比考察，結(jié)果是：燃?xì)鉅t供水溫度迅速達(dá)到設(shè)定值，回水溫度逐漸上升，供回水溫差有一個先增加再減小的過程（圖中供回水溫差較大是由于采用了不同于傳統(tǒng)埋管方式的板狀散熱結(jié)構(gòu)的地板采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實驗 內(nèi)容 另撰文介紹）。風(fēng)冷熱泵供水溫度漸近上升的特征在一定程度上影響了地板的快速預(yù)熱能力及供暖能力?？諝庠礋岜眯枰扇〕刂苼肀ＷC系統(tǒng)在濕冷的氣候條件下正常運(yùn)行，一般說來，當(dāng)室外的相對濕度大于50％時，氣溫在-1～7℃左右最容易結(jié)霜[1]。筆者通過測試發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵機(jī)組隨室外溫度的變化，出現(xiàn)了三種工況并影響供水模式：① 發(fā)生除霜的連續(xù)運(yùn)行當(dāng)室外溫度較低，低于5.5℃左右時，機(jī)組按這種方式運(yùn)行，除霜周期為45分鐘，除霜時間為2～3分鐘，雖然除霜時間很短，但除霜還比較干凈。室外溫度較高時，除霜周期變長，除霜周期為45～60分鐘。② 無除霜連續(xù)運(yùn)行隨著室外溫度的升高（5.5℃～7.5℃），室外盤管的溫度一直高于除霜設(shè)定的下限值，此時熱泵機(jī)組不需要除霜，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。③ 過熱保護(hù)間歇運(yùn)行   圖6 空氣源熱泵的三種供水模式   Fig.6 Three supplying water models of air source heat pump   圖7 室內(nèi)環(huán)境條件（室外7.3℃,運(yùn)行8小時后）   Fig.7 Indoor environment of floor heating system 當(dāng)室外溫度繼續(xù)升高到7.5℃左右時，供水溫度達(dá)到50℃左右，出于對機(jī)組的保護(hù)，主機(jī)會自動停機(jī)，循環(huán)水泵仍工作，等供水溫度下降達(dá)到40℃左右以后，主機(jī)又開始工作，如此間歇運(yùn)行，間歇周期不定，隨室外溫度升高，周期變短，由于地板采暖對水溫不敏感，為了不讓機(jī)組頻繁開關(guān)機(jī)，可以讓水溫的下限設(shè)定值更低一點，加大調(diào)節(jié)幅度。由于室外溫度不同，從而導(dǎo)致熱泵供水模式的不同，雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用對溫度波有較大的衰減，但是室外溫度的降低還是引起室內(nèi)溫度的明顯降低。筆者經(jīng)過長達(dá)一個月的采暖工況測試，取幾次典型測試結(jié)果，以說明不同室外溫度時，室內(nèi)溫度的差異。