空气源热泵用于住宅地板辐射供暖的实测研究

摘要 本项目对南京地区一所使用空气源热泵带地板辐射采暖系统的住宅进行了一个采暖期的实测，获得了房间空气温度、作用温度、热泵运行 COP、能耗等一系列宝贵的第一手资料。实践证明，系统使用效果良好，室内舒适性极佳。文章介绍了系统运行情况，根据典型日的测定得到的热泵和地暖系统主要运行参数，测算了系统的运行费，给出了辐射面温度与室内空气温度、围护结构内表面平均温度及室内作用温度间的关系，提出了空气源热泵用于地板辐射采暖系统时的改进意见。 关键词 空气源热泵 辐射供冷暖 住宅空调方式

1 引言 　　 　　南京地处长江下游、夏季湿热、冬季潮冷，低于5℃的有60多天。在计划经济时代，划为非采暖区。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、生活以至人体健康。近年来家庭多采用冷暖空调的方法，舒适性差，能耗高，各房间温度不均匀。对于房间多、建筑面积大的住宅及别墅，则多台空调难于合理布置，惟有增加投资、牺牲部分建筑空间，采用住宅中央空调系统。南京的情况在长江中下游地区及至整个冬冷夏热地区有代表性。住宅空调采暖方式的多样性是老百姓的现实需求，是市场的呼唤，也是暖通空调工作者义不容辞的职责。 　　辐射供暖因其节能、舒适，不占用室内使用面积等突出特点，已在北京地区获得大面积应用。但若要在南方地区推广应用，最好能同时解决夏季供冷问题。换言之，首先要面对热泵作热源带地板供暖的效果和技术经济性问题。由于空气源热泵在南京地区的成功使用有不少先例（当然，不是作为地板供冷暖的冷热源），加之作为家用设备，要综合考虑设备价格、质量、运行费等因素，为便于推广应用，恐怕首选还是空气源热泵。所以在本项目中，选用国产空气-水热泵机组（热泵式冷热水机组）。 　　 2 实验住宅概况 　　 　　实验住宅位于南京市东郊新建的仙林地区大学城，依傍仙鹤山麓，空气清新，风景秀丽。由于位于市郊，冬季室外温度低于市区。该住宅为一跃层公寓楼房，位于五偻。总建筑面积约160m2。图1为底层住宅平面图。为使来方者实际体验地暖效果，楼下地面铺设地砖，路层地面铺设复合木地板。考虑到夏季供冷时地面可能结露以及地冷暖的效果，大多数家具选用带"腿"的，或垫胶皮使其离开地面。 　　　　　　　 　　　　　　　　　　　图1 实测住宅底层平面图 　　 　　该住宅位于公寓楼的东端，东、南、北三面外墙，由于南京市尚未推广执行节能标准，外墙均为24墙，未加保温材料。窗户均为单层玻璃塑钢窗。为了使跃层好用一些，装修时在屋顶室内侧贴装了20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。 　　 3 地板采暖系统及热泵机组 　　 　　由于该住宅邻室和楼下尚未有住户入住，故皆按不采暖房间考虑。负荷计算结果表明，室内设计温度取18℃和16 ℃时的热负荷分别为12.9kW和11.7 kW，按建筑面积160m2计算，单位面积负荷分别为约81和73 W/m2。 　　地暖管采用进口生产线及进口原料、国内生产的交联聚乙烯（PEX）管，管径DN16，管间距25～35mm，沿外墙处密，内区疏。为便于调节，楼下分5个回路，跃层3回路，可通过供回水集水器上的阀门进行开关。采用双回路布置方式以尽量均匀地面温度。各回路管长基本一致，以便阻力平衡，水量均匀。管底铺20mm厚苯板，填充层30mm厚碎石混凝土，找平层约20mm，国上地砖，约60～70 mm。系统中加装了压力表、流量计，热泵机组单独安装了电表，用来进行实测、统计和运行控制。 　　为了做使用效果的实测对比，在楼下和跃层各关闭一个房间的水阀，实际采暖面积约124 m2，16℃采暖负荷约9kW。采用国产的分体式风冷热泵冷热水机组，额定制热量9.7kW，机组配用进口全封闭涡旋式压缩机，功率3.08kW。轴流风机功率0.1kW。水泵额定流量2.2m3/h，扬程15～20m，功率0.37 kW。热泵机组总功率3.55 kW。 　　设备初投资：热泵机组约12000元，地板管约8000元（除去前后阳台、浴厕的浴缸、大便器、厨房的橱柜等部位以外，实铺地板管面积约120 m2），总投资约135元/ m2建筑面积。

转贴于 4 热泵运行情况
　　
　　由于2001年末的暖冬现象，11月份需采暖天数不多，所以实测主要集中在12月中下旬，该时段室外最低温度-5℃。一般最低温度在-1至2℃之间。为了实际了解运行效果和能耗情况，运行方式按常规意义上的连续运行和"分时段连续运行"两种。连续运行时，机组日夜，根据出水温控制开停，设定温度上限分别定为45℃和40℃。由于负荷大，水温下降快，地板采暖对水温又不敏感，为避免频繁开机，温差调节幅度调至10℃，实际运行中开机与停机时间比大体为1.5：1。15min内水温可上升10℃，停机后10min左右水温下降10℃。一般连续运行时，即使采用上限温度40℃的水，室内空气温度可达18℃以上。相对湿度仍保持50%～60%之间，舒适性极佳。
　　"分时段连续运行"即视室外温度情况每天连续开机6～12h，晴天、外气温度高时开机时间短，阴雨天或室外温度低时的时候，增加开机时间。南京地区尚未衽分时电价，所以一般在白天外气温度较高、相对湿度较低的时段开机，热泵运行效率较高。此时客厅室内最高温度可达15～18℃，至第二天开机前最低温度13～16℃。书记因外墙比例大，温度比客厅低1℃左右，阁楼低2℃左右。由于建筑围护结构蓄热作用显著，楼下室内空气温度波动一昼夜仅为2℃左右，阁楼温度波动2～3℃。短时间开窗通风对室内温度基本无影响。人穿厚毛衣、线袜、拖鞋，即使静坐亦无冷感，舒适性强。睡眠中从被子里伸出胳膊或简单空衣起夜也无特别冷感。
　　为了统计能耗，进行了不同运行模式的测试、统计，测定时关闭了楼上西侧房间和楼下东北侧房间（餐厅）的地板管，以供温度对比。地板管实际供水建筑面积约124m²。
　　分时段连续运行时，每天机开6～12h，日耗电量约20～40kWh，平均耗电量3.25 kWh/h。以平均日耗电量30度计，月耗电量900度，南京电费较高，0.52元/度，900度计为468元，采暖期3个月，总共花费1400元，即每m²建筑面积采暖期耗电7.3 kWh，电费约11元。由于地暖蓄热性能好，在目前未实行峰谷电价时，白天高温时段开机，提高机组COP；若实行分时电价，完全可在低谷电价时段开机，进一步降低运行费。
　　24小时连续运行时，控制水温30～40℃之间运行（设定温度40℃，温差10℃），统计日室外温度-3至7℃，相对温度23%（15：00h），至64%（8：00h）。24小时耗电约72 kWh，按此计算，每月电费1123元，整个采暖期（90天）3369元，即每平方米建筑面积采暖期耗电约52 kWh，电费约27元。实际由于南京地今年冬天出现相当长时间暖和天气，根本不用采暖，实际电费远低于上述值。
　　冬季运行，宜大温差、小流量。由于该热泵系为家用中央空调设计，水泵流量扬程均偏大，将总流量调至20L/min时，温差为6～7℃，水温上升明显加快，热泵制热量加大；但进一步调小流量时，热泵因高压保护而停机。此时8个分环路全开时，地板管内水流速为0.37m/s，关闭两路支管后流速为0.48m/s，阻力损失分别为229Pa/m和369 Pa/m。通过实测进出水温差、水量，可以算得热泵日平均制热量，又通过安装的电表得到了日耗电量，由此可算得热泵冬季运行日平均COP。典型日热泵运行参数见表1。
　　
　　热泵运行参数 　　　　　　　表1

统计时间	室外天气	热泵运行时间 （h）	循环水量 （L/min）	水平均温差 （kWh/h）	平均耗电量 （kW）	平均制热量 （kW）	平均COP
1月22日	晴，7～-3℃	8：00至翌日10：00	20	6.4	3.21	8.93	2.78
1月25日	小雨，7～3℃	9：00至日22：00	20	6.5	3.44	9.07	2.64
1月17日	阴转雪，5～-1℃	10：00至21：00	20	5.1	2.77	7.12	2.57

5 围护结构内表面平均温度与作用温度
　　
　　为了研究热泵-地板采暖使用效果和运行规律，对该住宅进行了围护结构表面温度和室温的实测。围护结构表面温度用ST60非接触测温仪（美国制）测得，室温和室内相对湿度用HMP46型温湿度计（芬兰制）读取。一般在白天每3～4小时测定一次。
　　表2为2002年1月22日实测数据。当日天气晴，室外温度7至-3℃。热泵在前一天晚上停机，22日上午8时开机，表中三组数值分别为书房、卧室和餐厅的测定值。每组中4列数值的测定时间分别为8：00、12：00、15：00和21：30。为了作采暖和不采暖房间对比，餐厅的地板管环路关闭，可以看出，北窗内表面温度随室外气温有较大波动，（东、北）外墙温度有一定波动，内墙和室内温度变化很小。而书房和卧室随着地面温度的升高，围护结构内表面温度和室温都有明显上升。为了进一步研究各温度变化关系，作出了图2、图3的曲线。根据文献介绍，在室内风速很小时，作用温度可认为等于围护结构表面平均温度和室内空气温度的平均值，即:
　　 　　　　 (1)
　　式中：围掮结构内表面平均温度采用面积加权平均温度:
　　 　　　　(2)
　　式中：A_i为围护结构i元素的面积权重系数，t_i为对应元素的表面温度。
　　
　　 地板温度与其余围护结构表面温度及室内空气温度关系　　　　　表2

地面温度 （℃ ）	屋顶温度 （℃ ）	东墙温度 （℃ ）	西墙温度 （℃ ）	南墙温度 （℃ ）	北墙温度 （℃ ）	窗温度 （℃ ）	室内温度 （℃ ）
14.6	11.8	10.7	14.4	9.9	12.4	5.9	13.2
19.4	12.2	10.6	14.6	10.8	15.9	12.2	15.1
20.9	12.9	13.3	14.8	12.0	13.4	11.4	15.6
22.4	14.6	12.7	16.3	14.3	14.6	9.2	16.3
15.9	14.3	14.6	12.9	12.1	15.2	7.2	15.1
20.9	14.7	15.2	13.8	12.8	15.1	16.3	16.2
21.8	15.2	15.9	14.2	13.4	15.4	14.9	16.5
23.7	15.4	15.9	14.7	15.4	17.8	8.2	17.3
9.4	12.0	8.2	9.7	10.1	8.1	2.9	11.1
9.2	11.9	7.7	9.6	10.1	7.7	6.1	11.1
9.6	12.1	6.9	10.2	10.6	7.7	7.4	11.3
9.8	13.2	8.3	9.9	10.8	8.3	4.8	11.5

　　注：表中第1、2、3组数据分别为书房、卧室和餐厅温度。
　　　　
　　　　　　　图2 空气温度、围护结构内表面平均温度及作用温度与辐射面温度关系（书房）
　　　　
　　　　　　图3 空气温度、围护结构内表面平均温度及作用温度与辐射面温度关系（卧室）
　　
　　由图2和图3可以看出，虽然辐射面温度升高，室温和围护结构内表面平均温度升高。当辐射面温度较低时，作用温度值与二者有一定差值；当辐射面温度升高到一定值之后，三者趋于一致。比较二图可以看出，外墙较少（或围护结构保温好）的房间，作用温度与室内空气温度的差值较大。由于目前空气-水热泵主要是带风机-盘管的，应加以改进便于地板供冷暖使用。主要需改进地方有：（1）融霜控制亟待改进。按热泵出厂时设定参数，融霜频繁，水温上不去。当然自行调节设定参数可大大改善运行效果，但对大多数用户来说，这一要求不太现实。（2）水泵不匹配。如本例中使用水量1.2m³/h，阻力损失约0.04MPa。而所用水泵额定流量2.2 m³/h，扬程15～20mh3O(约0.15～0.2 MPa)。辐射供冷暖热泵配用水泵可大大减小流量和压力，进而减少水泵功耗。（3）机组噪声过大。
　　

转贴于 6 初步结论
　　
　　（1）就冬季运行而言，适当设计选用的热泵冷热水机组加地板采暖用于该地区无论就技术性还是经济性而言，完全可行。其舒适性、温度均匀程度，都是其余采暖方式不可比的。
　　（2）为减少初投资，地板供暖机组选用不必留较大裕量。
　　（3）较之锅炉及城市热网供水，热泵水温低。在负荷较大情况下水温及地板温度上升较慢，所以要求室内24h保持室温恒定的，适合使用连续采暖。此时可根据供不温度控制机组开停，由于水温下降快，地板采暖对水温又不敏感，为避免频繁开机，温差调节幅度应加大。
　　（4）由于热惰性大，当使用要求不高时，也可以在适当时段每天连续开机一定时间，例如上班族可以在临上班前开机。还可以使用定时控制，在白天高温时段开机既满足使用要求又提高机组COP。
　　（5）采用电费峰谷差价的地区，可以在夜间开机蓄热，白天关机后室温可体质在满意的温度范围内。
　　
参考文献

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　　2 王子介等，地板国徽供冷及地热空气源热泵可行性研究分析，全国热泵和空调技术交流会论文集。2001，258～265。
　　3 张建忠，龚延风，空气源热泵冷热水机组在南京的应用，现代空调，2001（3）：67～75。
　　4 Olsen， B.W. Possibilities and Limitations of Radiant Floor Cooling. ASHRAE Transactions 103 (1) (1997， Part 1)