輻射供暖房間空調(diào)器的特性分析

李夢(mèng)竹張寶懷

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

輻射供暖房間空調(diào)器的特性分析

李夢(mèng)竹張寶懷

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

輻射供暖房間空調(diào)器（RHRAC）是在傳統(tǒng)房間空調(diào)器的基礎(chǔ)上增設(shè)地埋冷凝管，以制冷劑為熱媒直接進(jìn)行地板輻射供暖。針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的住宅建筑，模擬計(jì)算了RHRAC供熱工況的冷凝溫度，利用壓縮機(jī)的性能曲線計(jì)算了其供熱能效比EER，將RHRAC系統(tǒng)與常用的采暖方案進(jìn)行初投資、運(yùn)行費(fèi)用的比較分析。得出結(jié)論：RHRAC供熱工況的冷凝溫度僅35℃即可滿足采暖需求，供熱能效比達(dá)3.17，運(yùn)行費(fèi)用最低，是夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖的一種良好選擇。

輻射供暖 地埋冷凝管 初投資 運(yùn)行費(fèi)用

0 引言

空氣源熱泵無(wú)水地暖系統(tǒng)作為一種新型的采暖方案得到了國(guó)家的認(rèn)可。文獻(xiàn)[1～2]對(duì)空氣源熱泵無(wú)水地暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和熱力性能分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了鄭州地區(qū)冬季不同室外環(huán)境下系統(tǒng)的供熱能效比，分析結(jié)果表明空氣源熱泵無(wú)水地暖系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。

本文針對(duì)夏熱冬冷的南京地區(qū)，以住宅建筑為供熱對(duì)象，采用R410a為制冷工質(zhì)對(duì)輻射供暖房間空調(diào)器進(jìn)行供熱冷凝溫度及能效比EER的計(jì)算，并且將本系統(tǒng)與夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑常用的采暖方案進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比分析，為夏熱冬冷地區(qū)選擇采暖方案提供參考。

1 地埋冷凝管的鋪設(shè)方式

輻射供暖房間空調(diào)器利用制冷劑為熱媒直接進(jìn)行地板輻射供暖，為降低制冷劑各管路之間的壓力損失，使各管路之間分液均勻，制冷劑進(jìn)出干管采用同程式設(shè)計(jì)，其中一組盤(pán)管的鋪設(shè)方式如圖1所示，每組地暖盤(pán)管使用分歧管與進(jìn)出干管相連接。在盤(pán)管上焊有鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)不但有利于傳熱和散熱均勻，而且在鋪設(shè)過(guò)程中有利于地埋冷凝管保持原來(lái)的形狀，避免鋪設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)太大的偏差。

圖1 地埋冷凝管的鋪設(shè)方式

2 供熱能效比的計(jì)算

2.1 冷凝溫度的確定

對(duì)于輻射供暖房間空調(diào)器，冷凝溫度關(guān)系到地板輻射采暖的地板表面溫度分布、熱流密度以及能否滿足人體熱舒適的要求，關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性。

確定冷凝溫度時(shí)選取的模型為：盤(pán)管間距150mm，管材為紫銅管；保溫層厚度30mm；填充層厚度30mm；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃；冷凝溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃；地板表面裝飾層材料為瓷磚。對(duì)這四種不同的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬計(jì)算得到地板表面溫度分布和熱流密度分布，如圖2所示。

圖2 不同冷凝溫度下地板表面的溫度分布和熱流密度分布

從圖2（a）看出地板表面溫度分布近似為一條余弦曲線，最高溫度出現(xiàn)在地暖盤(pán)管的正上方，最低溫度出現(xiàn)在管間距1/2處，并且中間溫度低，兩端溫度高，成對(duì)稱(chēng)“馬鞍狀”分布。從圖2（b）看出地板表面熱流密度分布與地板表面溫度分布趨勢(shì)一致。冷凝溫度為30℃時(shí)，地板表面溫度為23.46～24.31℃，溫差0.85℃，地板表面熱流密度為48.74～56.10W/m2，差值為7.36W/m2；冷凝溫度為35℃時(shí)，地板表面溫度為25.73～26.93℃，溫差1.20℃，地板表面熱流密度為73.01～84.09W/m2，差值11.08W/m2；冷凝溫度為40℃時(shí)，地板表面溫度28.00～29.55℃，溫差1.55℃，地板表面熱流密度為97.29～112.02W/m2，差值14.73W/m2；冷凝溫度為45℃時(shí)，地板表面溫度為30.28～32.17℃，溫差1.89℃，地板表面熱流密度為121.66～140.09W/m2，差值18.43W/m2。隨著冷凝溫度的增大，地板表面溫差越大，地板表面的溫度均勻性越差，即“馬鞍狀”越明顯。地板表面熱流密度大小及其最大值最小值的差值均隨著冷凝溫度的增加而增加。

根據(jù)《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》JGJ142-2012規(guī)定，低溫地板輻射采暖地板表面溫度要滿足表1的要求。故RHRAC系統(tǒng)的冷凝溫度為35℃即可滿足采暖需求。以冷凝溫度35℃來(lái)計(jì)算輻射供暖房間空調(diào)器的供熱能效比。

表1 輻射采暖表面平均溫度

2.2 供熱能效比計(jì)算

利用壓縮機(jī)的性能曲線計(jì)算RHRAC系統(tǒng)的供熱能效比：采用R410a為制冷工質(zhì)，冷凝溫度為35℃，過(guò)冷度Δtk=5℃，南京地區(qū)的采暖室外計(jì)算溫度-1.6℃，取蒸發(fā)溫度-10℃，壓縮機(jī)吸氣溫度-1℃。滿足相同熱舒適的情況下，采用分體式空調(diào)進(jìn)行熱風(fēng)采暖的冷凝溫度為50℃，其它參數(shù)與RHRAC系統(tǒng)相同。從一款房間空調(diào)器用壓縮機(jī)（制冷劑R410a）的性能曲線上讀取所需溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的壓縮機(jī)制冷量和輸入功率，見(jiàn)表2。壓縮機(jī)規(guī)格值：額定制冷量3840W，輸入功率1370W。

表2 壓縮機(jī)制冷量和制冷功率

考慮到風(fēng)扇電機(jī)功耗的影響，一般為50～100W，室內(nèi)外側(cè)的風(fēng)扇電機(jī)功耗均取80W，結(jié)合表2數(shù)據(jù)計(jì)算得到RHRAC系統(tǒng)供熱能效比為3.17，分體式空調(diào)供熱能效比為2.56。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

為綜合比較輻射供暖房間空調(diào)器的經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)南京地區(qū)單戶住宅采暖，對(duì)以下5種采暖方式進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用的比較分析。

方案1：空氣源熱泵空調(diào)器采暖；

方案2：空氣源熱泵低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?/p>

方案3：燃?xì)獗趻鞝t低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?/p>

方案4：電熱膜地板輻射采暖；

方案5：輻射供暖房間空調(diào)器采暖。

為滿足冬季熱舒適的要求，當(dāng)采用分體熱泵空調(diào)器進(jìn)行熱風(fēng)采暖時(shí)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃；當(dāng)采用地板輻射采暖時(shí)，參照《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》JGJ142-2012，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可降低2℃，因此輻射采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃。根據(jù)南京地區(qū)室內(nèi)外的氣象資料計(jì)算可得：使用熱泵空調(diào)器進(jìn)行熱風(fēng)采暖時(shí)，熱指標(biāo)56.9W/m2；使用地板輻射采暖時(shí)，熱指標(biāo)51.2W/m2。

3.1 不同采暖方案初投資計(jì)算

根據(jù)家用冷暖空調(diào)的市場(chǎng)價(jià)格及南京市的物料價(jià)格計(jì)算得到RHRAC系統(tǒng)的初投資費(fèi)用，見(jiàn)表3。

表3 RHRAC的初投資費(fèi)用組成

除方案1以外，其它方案的采暖方式均為地板輻射采暖，各采暖方案的熱源投資、末端投資以及折算年值如表4所示。

方案1、方案2和方案5（RHRAC系統(tǒng)）是冷熱源一體的系統(tǒng)，這3種方案的初投資包含了夏季制冷的初投資費(fèi)用。方案3或方案4只能進(jìn)行冬季采暖，而當(dāng)夏季制冷時(shí)則需要另設(shè)制冷設(shè)備。采用方案3+單冷型戶式空調(diào)制冷的初投資費(fèi)用為282元/m2，折算年值38.9元/(m·2a)；采用方案4+單冷型戶式空調(diào)制冷的初投資為335元/m2，折算年值為40.1元/(m·2a)。

表4 各采暖方案的初投資

3.2 不同采暖方案運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

采用方案1進(jìn)行冬季熱風(fēng)采暖時(shí)需要的冷凝溫度為50℃；采用方案2進(jìn)行冬季地板輻射采暖時(shí)需要40～45℃的低溫?zé)崴甗3]，由于制冷劑與熱媒水之間存在傳熱溫差，則空氣源熱泵機(jī)組的冷凝溫度需達(dá)到45～50℃；由模擬計(jì)算結(jié)果知，RHRAC冬季采暖時(shí)，冷凝溫度35℃即可滿足冬季熱舒適要求。冷凝溫度的降低提高了空氣源熱泵的制熱能效比EER。

當(dāng)采暖熱源的動(dòng)力為電能時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算公式[6]：

當(dāng)采暖熱源的動(dòng)力為燃?xì)鈺r(shí)，運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算公式[6]：

式中：M為運(yùn)行費(fèi)用，元；Q為采暖系統(tǒng)供給室內(nèi)熱量，kW·h；EER為制熱能效比，W/W；P電為用電價(jià)格，元/ kW·h；P燃為燃?xì)鈨r(jià)格，元/Nm3；M燃為燃?xì)獗趻鞝t的運(yùn)行費(fèi)用，元；M泵為循環(huán)水泵的運(yùn)行費(fèi)用，元；q低為燃?xì)獾臀粺嶂担琈J/Nm3；η燃為燃?xì)獗趻鞝t的熱效率，%；η泵為采暖循環(huán)泵的全效率，%；H為采暖循環(huán)泵揚(yáng)程，mH2O；Δt為采暖系統(tǒng)供回水溫差，℃。

查南京地區(qū)的物價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，南京市電價(jià)：0.55元/kW·h（8:00～21:00）、0.35元/kW·h（21:00～8:00）；天然氣的價(jià)格：2.3元/Nm3，低位熱值33.44～37.62MJ/Nm3，本文取35.0MJ/Nm3。單戶住宅采用地板輻射采暖時(shí)，其供回水溫差一般為l0℃，循環(huán)水泵揚(yáng)程一般為20mH2O左右，循環(huán)水泵的全效率較低，一般取60%左右。南京地區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算用采暖期天數(shù)為79天，全天候采暖。將以上數(shù)據(jù)分別代入式1和式2計(jì)算，可得到各種采暖方案供給室內(nèi)1kW·h熱量所需的運(yùn)行費(fèi)用及一個(gè)采暖季的運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各采暖方案的運(yùn)行費(fèi)用

3.3 結(jié)果分析

從表3和表4可知，由于RHRAC系統(tǒng)的地埋冷凝管需要用紫銅管或者邦迪管，導(dǎo)致系統(tǒng)的初投資較高，與方案4+單冷型戶式空調(diào)制冷的總投資接近。采用方案一冷暖型分體式空調(diào)的初投資最低，僅為本系統(tǒng)初投資的50%左右。

從表5知，采用冷暖型空氣源熱泵機(jī)組作采暖熱源比燃?xì)獗趻鞝t作采暖熱源的運(yùn)行費(fèi)用低，電熱膜采暖的運(yùn)行費(fèi)用最高。對(duì)于以冷暖型空氣源熱泵機(jī)組作采暖熱源的方案一、方案二和方案五而言，機(jī)組的制熱能效比EER越高，運(yùn)行費(fèi)用越低。因此本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低，是方案一的72%，方案二的85.8%。

綜合考慮采暖的可靠性、舒適性和運(yùn)行費(fèi)用，輻射供暖房間空調(diào)器是值得在夏熱冬冷地區(qū)推廣使用的一種采暖方式。

4 結(jié)論

針對(duì)夏熱冬冷的南京地區(qū)，以R410a為制冷劑，模擬計(jì)算了RHRAC系統(tǒng)的供熱冷凝溫度，利用壓縮機(jī)的性能曲線分析了其供熱能效比；將RHRAC系統(tǒng)與常用的采暖方案進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用的比較，得出結(jié)論：

1）地埋冷凝管上焊接鐵絲網(wǎng)起到強(qiáng)化傳熱和散熱均勻的作用。在滿足冬季熱舒適要求的情況下，輻射供暖房間空調(diào)器制熱工況的冷凝溫度降低至35℃，降低了壓縮機(jī)的壓縮比，提高了制熱能效比EER，平均制熱能效比達(dá)3.17。

2）在本文對(duì)比分析的5種采暖方案中，輻射供暖房間空調(diào)器的熱舒適性較高且運(yùn)行費(fèi)用最低，是夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖的一種良好選擇。但是輻射供暖房間空調(diào)器的末端投資較高，在后續(xù)的工作中，將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化地埋冷凝管及地板結(jié)構(gòu)層以降低初投資。

[1]吳錦晶,盧紀(jì)富,曾傳章,等.空氣源熱泵直接地板輻射供暖運(yùn)行模式實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2010,41(1):71-74

[2]曾傳章,吳錦晶,魏新利,等.空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及熱力性能分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2011,32(8):51-57

[3]肖益民,付祥釗.戶式空氣源熱泵地板供暖系統(tǒng)實(shí)測(cè)分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(12):14-18

[4]方樂(lè)平.燃?xì)獗趻鞝t采暖的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析[J].科技信息, 2010,33:56

[5]劉麗波.電熱膜采暖應(yīng)用中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].林業(yè)科技情報(bào), 2007,39(2):70-71

[6]江連昌.夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖系統(tǒng)的比較分析[J].中國(guó)住宅設(shè)施,2011,(5):38-39

The Prope rty Ana lys is of the Ra dia tion He a ting Room Air Conditione r

LI Meng-zhu,ZHANG Bao-huai
School of Energy and Environment,Southeast University

The Radiation Heating Room Air Conditioner(RHRAC)has embedded condenser pipes more than the traditional room air conditioner.Refrigerant is used as heat medium for direct floor radiant heating.For the residential construction in area with hot summer and cold winter,the condensing temperature and energy efficiency ratio of RHRAC under heating condition are calculated by simulation and the compressor performance curve.Comparative analysis is made about the initial investment and heating operating cost of the RHRAC and some other heating ways which are commonly used.Conclusions are drawn:Under heating condition,the RHRAC has lower condensing temperature(35℃), higher EER(3.17)and the lowest operating cost.It’s a good choice to use RHRAC for residential construction heating in area with hot summer and cold winter.

radiation heating,embedded condenser pipes,initial investment,operating cost

1003-0344（2015）02-022-4

2014-1-23

李夢(mèng)竹（1991～），女，碩士研究生；江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號(hào)東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院（210096）；E-mail:lmz9110@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.50976020）