上海地區空氣源熱泵結合小溫差換熱風機盤管末端的供暖空調系統性能的實驗研究

張川，陳金峰，王如竹

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

上海地區空氣源熱泵結合小溫差換熱風機盤管末端的供暖空調系統性能的實驗研究

張川，陳金峰，王如竹*

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

為解決夏熱冬冷地區冬季供暖問題，本文設計了空氣源熱泵結合小溫差換熱風機盤管末端的分布式空調系統。實驗研究表明：在冬季典型工況下采用35℃左右的熱水供暖，系統制熱性能系數（COP）可達3.0；在夏季典型工況下采用10℃左右的冷水制冷，系統制冷COP也在3.0以上。結果表明通過使用小溫差換熱末端降低了機組設定出水溫度，改善了機組的運行工況，提升系統的能效比。系統解決了目前空氣源熱泵在冬季低溫工況下供暖能效低、舒適性差等問題，為解決我國南方冬季供暖問題提供了可行方案。

空氣源熱泵；小溫差換熱末端；風機盤管；南方供暖；夏熱冬冷

0 引言

近年來長江流域夏熱冬冷地區的冬季供暖問題開始得到廣泛關注。解決上述地區的冬季供暖問題的主要備選方案有：1）集中供暖模式：集中供暖系統的管網建設投資太大，鍋爐房排放量大，不宜廣泛推廣[1]；2）太陽能熱水供暖系統：長江流域的冬季日照時間數偏少，2011年1月份上海的日照時間為123小時，武漢為106小時，杭州為95小時[2]，成都、重慶等城市更低，太陽能系統的保證率較低，經濟性差；3）電供暖或者燃氣供暖：這兩種方式以一次能源或者高品位能源供暖，能源利用效率低，安全性差，從節能減排的角度講不適應大規模推廣；4）以熱泵為熱源的分布式供暖系統：其中空氣源熱泵作為適應性強、節能效果好的熱源，包括制冷劑直接與室內空氣換熱的系統（房間空氣調節器）以及利用空氣源熱泵熱水機組的熱水供暖系統，正在得到越來越廣泛的推廣和應用。

但是量大面廣的空氣源熱泵房間空氣調節器最大問題是供暖工況的氣流組織很不合理，另外由于室內機尺寸小，往往需要45℃以上的冷凝溫度，而室外機的蒸發溫度可能在零下5℃～10℃，使得空氣源熱泵能效很低，造成房間供熱量不足。此外，間斷性的除霜使得常規空氣源熱泵空調器供暖舒適性受到影響。

空氣源熱泵熱水機組的熱水供暖系統已經在商用建筑中獲得較多應用。GB/T 18430. 2-2008《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機組》[3]規定，空氣源熱泵制熱名義工況下熱水出水溫度為45℃，風冷側的空氣干球溫度7℃，融霜工況的室外空氣干球溫度為2℃。作為商用系統往往配備了鍋爐可以作為輔助，以滿足中央空調冬季供暖需求。

上海最冷月室外平均溫度在1.5℃左右，顯然設定機組熱水出水溫度在45℃，機組無法運行或者即使勉強運行也會頻繁除霜，COP極低。由于冬季供暖的舒適性室內溫度在20℃左右，應用小溫差換熱末端可以有效解決上述問題，所謂小溫差換熱末端可以是風機盤管末端，其冷熱水與室內空氣的換熱溫差較小；也可以是地板供暖輻射末端或輻射供冷板，但由于輻射末端與既有建筑不能較好搭配，且不能同時有效解決夏季制冷和冬季供暖，因此本文選用了一種小溫差換熱風機盤管末端，這種末端通過小溫差換熱降低對冷熱源供水溫度的需求（夏季10℃，冬季35℃），克服機組運行能效低的問題。以R134a空氣-水熱泵系統的理論循環為例，假定夏季工況下環境溫度30℃，如果通過增加末端換熱面積使機組的出水溫度增加至12℃，機組的COP比7℃下高6%，出水溫度15℃高15%；同理冬季工況下環境溫度0℃，如果通過增加末端換熱面積使機組的出水溫度降低至45℃，機組的COP比60℃下高14%，出水溫度35℃高24%。在此設計理念下，我們以上海地區某建筑面積100 m2的家庭住宅為例，搭建了一套空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的供暖空調系統，并對其冬夏季性能進行了實測研究，驗證了其供暖和制冷的高效性和舒適性。

1 實驗方法

測試住宅位于上海交通大學閔行校區，建筑面積約100 m2，建筑平面簡圖如圖1所示，屬于2室2廳典型結構，兩個臥室各布置1臺落地式風機盤管、客廳布置了3臺落地式風機盤管。外墻結構為砌塊加50 mm厚擠塑聚苯板，傳熱系數為0.57 W/(m2·K)；屋面結構為多孔混凝土加80 mm厚硬聚氨酯，傳熱系數為0.31 W/(m2·K)；外窗為Low-E中空玻璃斷橋鋁合金窗，玻璃厚度5 mm，空氣層厚度7 mm，傳熱系數為2.5 W/(m2·K)，建筑設計熱負荷為7.5 kW。

圖1 測試住宅建筑平面簡圖

空氣源熱泵及小溫差換熱末端系統的示意圖如圖2所示，其中空氣源熱泵冷熱水機組選用開利42VL型機組（3匹機組），設計出水溫度（45℃）下額定制熱量為8.4 kW，由于設計初衷在于通過使用小溫差換熱末端降低機組出水溫度，所以機組選型時適當增大機組的制熱量，保證在低溫位熱水出水下仍可以滿足設計需求；水泵選用歐馳達水泵，在設計流量下的揚程可以克服系統各部分的阻力損失；室內換熱末端選用JAGA的小溫差換熱（Low-H2O）末端，這種末端與市場上的常規風機盤管相比，給出了在低溫位進水溫度（35℃）下的制熱量[4]，單個末端在設計流量和設計風量下的制熱量為1.4 kW，其在房間中的平面安裝位置見圖1，各設備實物圖如圖2所示。

測試系統主要包括溫度測量、流量測量、電量測量三部分。溫度測量采用清華同方RHLOG溫度自記儀，測量溫度范圍為-20℃～80℃，測量誤差為±0.2℃，滿足測試需求。溫度測量主要有三類：一是室內空氣溫度測量，各溫度傳感器均勻放置在室內各處離地面1.5 m高的平面上（如圖1）；室外空氣溫度測量，傳感器放置在空氣源熱泵機組的風冷換熱器進風側，用以測量進風空氣溫度（如圖2）；機組進出水溫度測量，傳感器的安裝位置如圖2。流量測量采用渦輪流量傳感器，安裝在向室內末端供應冷熱水的總管路上，用以測量機組的出水流量，計算機組的供熱供冷量。電量測量采用ZW3432B型電量采集儀一臺，安裝位置在空氣源熱泵冷熱水機組和水泵的總線上，分別測量空氣源熱泵冷熱水機組和水泵的耗電量用以計算系統性能，數據采集通過Labview軟件進行。

圖2 空氣源熱泵結合小溫差換熱末端系統圖

2 數據處理與分析

對測試系統各傳感器實測的溫度、流量、電量分別進行數據處理，得到系統性能的評價參數和指標，詳細介紹如下。

室外溫度：安裝在空氣源熱泵冷熱水機組進風口處的溫度傳感器采集到的數據作為室外溫度，24小時的溫度平均值作為24小時室外平均溫度。

室內溫度：均勻安裝在室內各位置的溫度傳感器采集到的數據的平均值作為室內溫度，24小時的溫度平均值24小時室內平均溫度。

機組制熱量Qheat計算公式為：

式中：

c——水的比熱容，計算時取為4200 kJ/(kg·℃)；

m——流量傳感器測得的系統水總流量，kg/s；

tout——溫度傳感器實測的機組熱水出水溫度（冬季），℃；

tin——溫度傳感器實測的機組熱水回水溫度，℃。

機組制冷量依據制熱量計算的相同方法進行計算。

機組的COP：

式中：

Qheat——前面計算的機組制熱量，kW；

Php——電量采集儀測得的機組功率，kW。

系統COP：

式中：

Ppump——電量采集儀測得的水泵功率，kW；

Pfancoil——末端風機盤管機組的耗電量，kW。

3 實驗結果

根據上述數據處理方法，結合實測數據我們分別進行了冬夏季典型工況下系統性能的測試實驗，并分析了系統冬夏季典型工況24 h穩態特性。

3.1 冬季工況24小時穩態性能

圖4是供暖房間在上海地區冬季1月份典型室外工況下的24小時溫度變化曲線，由于室內采用小溫差換熱末端，故設定機組出水溫度在35℃。從圖可知，上海地區冬季典型天氣狀況（24小時室外平均溫度3℃）下，室內溫度仍能保持在20℃左右。說明本文設計的空氣源熱泵結合小溫差換熱末端供暖系統確實能滿足夏熱冬冷地區的冬季供暖需求。另外，從圖可見由于室內末端安裝方式的改進，機組除霜不會明顯房間的溫度變化。

圖4 上海地區冬季工況實驗住宅24小時室內外溫度變化曲線（機組出水溫度35℃，除霜時間如箭頭所示）

圖5是冬季工況下機組與系統的24小時COP變化曲線。從圖可知，在采用小溫差換熱末端，降低機組熱水出水溫度至35℃的情況下，機組的24小時平均COP達到3.0以上，接近相同地區空氣源熱泵機組地板輻射供暖系統的COP[5]。需要指出，實驗系統管路閥門較多，較為復雜，實際應用時可以選擇功率更小效率更高的水泵，提升系統COP。

圖5 上海地區冬季工況24小時機組及系統COP變化曲線（機組出水溫度35℃）

3.2 夏季工況24小時穩態性能

前面提到我們設計機組的初衷在于解決夏熱冬冷地區的冬季供暖問題，并論證了系統在冬季供暖時的經濟性與節能性，但一套高效的空調系統應該保證在全年運行工況下都具有較高的COP，這樣才能保證系統在冬季節約的運行能耗不在夏季被消耗。

圖6是相同房間在上海地區夏季7月份典型室外工況下的24小時溫度變化曲線，同樣由于小溫差換熱末端的使用，設定機組出水溫度在11℃，機組和整個系統的24小時COP變化如圖6。從圖可知，在24小時平均室外溫度37℃的工況下，室內溫度能保持在26℃左右，機組COP保持在3.0左右，說明設計系統不僅能滿足冬季供暖需求，在夏季制冷時也具有較高的能效比。說明設計的空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的空調系統是在全年運行工況下都具有經濟性和節能性的系統。

圖6 空氣源熱泵結合小溫差換熱末端系統上海地區夏季工況24小時運行情況

4 系統性能評價與分析

舒適性、經濟性與節能性是衡量空調供暖系統性能的主要指標。表1總結了文獻給出的幾種常見供暖空調系統的經濟性與節能性指標[7-8]，從中可以看出：與電供暖相比，熱泵供暖本身在COP方面具有3:1的優勢；與普通空氣源熱泵空調系統相比，新系統的主要優勢在于舒適；與地暖末端的空氣源熱泵系統相比，系統的優勢在于造價和全年適應性；與燃氣中央供暖比，總費用可以減少一半，是值得推廣的新技術。

表1 幾種不同類型空調供暖系統的性能對比

計算基于上海地區的物價水平和生活習慣，系統運行時間按每天10小時計，電費以0.6元/kW·h計，天然氣價格以2.5元/m3計，天然氣熱值按3.6 ×107J/m3計，燃氣供暖的效率按85%計，電供暖的效率按90%計，熱電轉化效率按0.4計，標準煤的熱值按29270 kJ/kg計。

5 結論與分析

設計了一套空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的空調系統，并對其在上海地區應用的性能進行了實測研究。研究表明通過使用小溫差換熱末端的確可以降低機組出水溫度的要求，與傳統空氣源熱泵冷熱水空調系統相比，設計系統在冬季采用35℃左右的熱水出水溫度就能保證室內供暖效果。小溫差換熱末端的使用降低了機組在冬季的冷凝溫度，增大了機組在夏季的蒸發溫度，提升了系統的COP，增加了系統的運行經濟性，是值得推廣的高效節能空調系統。

由于系統采用1臺3匹室外機配(3～5)個風機盤管就可以解決一套住宅的供暖和制冷，初投資低，運行費用省，是值得推廣的解決我國南方地區冬季供暖的適用性和實用性方案。如果再配置一臺水箱，還可以方便地實現空氣源熱泵熱水器的功能，做到空氣源熱泵“一機多能”。

[1] 江億. 我國建筑耗能狀況及有效的節能途徑[J]. 暖通空調, 2005, 33(5): 30-35.

[2] 國家統計局. 2011年全國主要城市日照時間[R].

[3] GB/T 18430.2-2008, 蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機組[S].

[4] Jaga Heating UK. The UK's leading manufacturer of energy efficient heating, cooling and ventilation products[EB/OL]. http://www.jaga.co.uk/products/, [2014 -02-10].

[5] 王恩承, 譚洪衛. 上海地區空氣源熱泵地板采暖系統應用研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2004, 23(6): 25-29.

[6] 韓偉國, 江億, 郭非. 多種供熱供暖方式的能耗分析[J]. 暖通空調, 2005, 35(11): 106-110.

[7] WANG R Z, YU X, GE T S, et al. The present and future of residential refrigeration, power generation and energy storage[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 53: 256-270.

[8] ASHRAE, ASHRAE Standard 55 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S].

Experimental Investigation of the Performance of Heating and Air-conditioning System with Air Source Heat Pump and Low Temperature Difference Fan Coil Indoor Terminals in Shanghai

ZHANG Chuan, CHEN Jin-feng, WANG Ru-zhu*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China)

This paper deals with an air source heat pump (ASHP) space heating and cooling system with low temperature difference fan coil indoor terminals to solve the residential heating in winter for hot summer and cold winter regions. Experiment results show that the system has a total coefficient of performance (COP) about 3.0 with ASHP outlet water temperature at 35oC under typical operation condition in winter; and a total COP over 3.0 with ASHP outlet water temperature at 10oC under typical operation condition in summer. It indicates that by the use of low temperature difference fan coil units, the operation condition of ASHP is improved, thus has a better COP. This kind of system can overcome the typical problem (low energy efficiency and bad thermal comfort) of traditional ASHP heating system, providing an alternative solution for residential heating in winter in south China.

Air source heat pump; Low temperature difference terminal; Fan coil units; Residential heating in south area; Hot summer and cold winter

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.101

*王如竹（1964-），男，教授。研究方向：制冷空調中的能源利用等。聯系地址：上海市上海交通大學機械與動力工程學院A樓404室，郵編：200240。聯系電話：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

本論文選自2013中國制冷學會學術年會論文。