空氣源熱泵地暖系統冬季應用研究

王鐵軍 徐 維 曾曉程2 梁 濤2 夏興祥 胡 鵬

(1合肥工業大學制冷空調技術研究所 合肥 230009;2 中國揚子集團滁州揚子空調器有限公司 滁州 239000)

空氣源熱泵地暖系統冬季應用研究

王鐵軍1徐 維1曾曉程2梁 濤2夏興祥1胡 鵬1

(1合肥工業大學制冷空調技術研究所合肥230009;
2中國揚子集團滁州揚子空調器有限公司滁州239000)

本文研發了3P變頻單元式空氣源熱泵機組，進行了民宅地板輻射供暖系統設計和冬季93 d的供暖應用實驗。期間室外環境溫度的變化范圍-10～16 ℃，平均值3.72 ℃；熱泵機組制熱量變化范圍3.82～10.06 kW，平均值6.71 kW；熱泵壓縮機的吸/排氣壓力的平均值為0.55 MPa/2.28 MPa，壓縮比??；EER變化范圍2.32～4.71，平均值3.46，能效較高。測試了室內0.1、1、1.5、2 m高度處的溫度，平均值分別為20.48、19.26、18.75、18.01 ℃，呈現相對穩定的下暖上涼的溫度場。進行了最暖、最冷2個典型氣象日熱泵系統運行性能的對比分析，兩日室外的平均溫差為17.21 ℃，最暖日制熱量和EER分別是最冷日的41.9%和159%，室內溫度相對穩定，表明熱泵系統具有良好的環境適應性和舒適性。與城市集中供暖及燃氣鍋爐供暖相比，運行費用分別降低39.82%、56.17%，節能、安全、熱舒適性更佳。

空氣源熱泵；輻射供暖；應用實驗

空氣源熱泵以其高效、節能、環保的獨特優勢成為研究的熱點，且被迅速推廣應用[1-5]，由于制熱量和能效比與室外環境溫度有關，在寒冷地區或低溫天氣供暖時，受工作特性的制約，制熱量不足、能效比低、壓縮機排氣溫度高等問題突出[6]，使其在低溫環境下運行的能源效率低、熱舒適性和可靠性欠佳[7]。為了提高空氣源熱泵的制熱性能和擴大應用范圍，滿足華北地區治理空氣污染所進行的供暖熱源改造及夏暖冬寒的華東等地區的供暖需求，依據JGJ142—2012《輻射供暖供冷技術規程》[8]，采用供水溫度35～45 ℃的地板輻射供暖技術[9]，主要優點是：呈現下暖上涼的室內熱環境，舒適性好；地板輻射供暖的供水溫度比常規暖氣片低10～15 ℃，熱泵的冷凝溫度相應降低[10]，系統運行可靠、高效[11]。本文在研發單元式空氣源熱泵的基礎上，應用地板輻射供暖技術進行了全冬季熱泵供暖運行實驗和測試分析，為同類產品的優化設計和控制提供參考。

1 空氣源熱泵熱水機組

研發的空氣源熱泵冷熱水機組循環系統如圖1所示。關鍵部件包括：3匹變頻壓縮機[12](型號：TNB220FFEMC)、電子膨脹閥、空氣側為φ7 mm管片式換熱器、水側為板式換熱器(型號：B3-030-30-3.0-H)，使用R410A制冷工質，充注量2 kg。熱泵系統運行制熱模式時，管片式換熱器作為蒸發器從室外低溫空氣中吸熱，板式換熱器作為冷凝器生產熱水。

熱泵機組應用智能除霜技術[13]，以提高對環境變化和機組自身差異的適應性。除霜操作時，四通閥換向，壓縮機的排氣進入室外側換熱器融霜，冷凝液經節流降壓后通過板式換熱器從循環熱水中吸熱蒸發，受益于吸熱側熱源溫度穩定、熱容量大，除霜過程快捷。由于地暖系統有強大的蓄熱能力，運行過程中受外界干擾的影響小，室內溫度穩定。

1壓縮機；2四通閥；3板式換熱器；4循環水泵；5膨脹水箱；6儲液器；7膨脹閥；8管片式換熱器。圖1 空氣源熱泵熱水系統Fig.1 The air source heat pump water heating system

依據GB/T 18430.2—2008《蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第2部分：用戶及類似用途的冷水(熱泵)機組》[14]進行了熱泵熱水機組的性能檢測，名義工況下的主要性能參數如表1所示。

2 冬季供暖應用實驗

2.1熱泵地暖工程概況

熱泵用戶位于安徽滁州市某小區6層單元樓的3樓，戶型為南北走向，建筑面積120 m2，其中混凝土外墻、分戶墻、鋼筋混凝土樓板、單層塑料外窗的傳熱系數分別為1.53、2.30、3.05、4.70 W/(m2·K)[15]。用戶的上、下、左、右鄰居無集中供暖，戶間傳熱量計算值為2.19 kW。熱泵地暖系統依據GB 50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》[16]、JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術規程》[8]設計。住宅結構及地暖熱水回路設計如圖2所示，設4個熱水回路，分別為客廳A、次臥B、主臥C、書房D，地暖水管間距150 mm。

圖2 住宅平面及地暖回路(單位：mm)Fig.2 The residential flat and floor heating circuits

2.2測試系統

應用實驗測試項目、測試儀器如表2所示，數據采集儀為基康BGK-MICRO-40。

2.3性能評價指標

1)耗電量

熱泵機組電功率W的測量間隔為1 min，小時耗電量Whour為60次采樣的累計值，W。

2)制熱量

Q為熱泵機組的制熱量，W，計算式為：

Q=cG(Tout-Tin)

(1)

式中：c為水的比熱容，J/(kg·℃)；G為熱泵機組的水流量，kg/s；Tout、Tin分別為供、回水溫度，℃。

表2 主要測試項目和儀器Tab.2 Main test items and instruments

注：①包括：室外環境溫度Ta；室內溫度場為A、B、C、D室距地面0.1、1、1.5、2 m高度的空氣溫度，A室對應高度的溫度分別記為TA1、TA2、TA3、TA4，其他類同；②包括：吸氣壓力ps；排氣壓力pd；蒸發壓力pe；冷凝壓力pc。

3)能效比

熱泵機組的運行狀態受到內外部擾動持續變化，除了以每分鐘進行一次測量和計算熱泵機組的瞬態性能參數外，并以1 h或24 h為單位計算平均能效比EERhour或EERday，計算式為：

(2)

式中：Q為熱泵機組的制熱量，W；W為熱泵機組耗電量，W。

3 結果與分析

3.1供暖周期熱泵機組運行性能

圖3所示為冬季空氣源熱泵地暖系統主要運行性能參數變化，起止日期為2015-11-20～2016-02-20，共93 d。實驗周期內室外環境溫度的波動范圍為-10～16 ℃，平均值為3.72 ℃。機組測試數據顯示：制熱量和環境溫度呈負相關變化，變化范圍為3.82～10.06 kW，平均值為5.42 kW；壓縮機吸、排氣壓力受負荷和環境溫度等影響，變化范圍分別為0.40～0.78 MPa、2.09～2.54 MPa，平均值分別為0.55 MPa、2.28 MPa；實驗期間供、回水溫度變化范圍分別為32.9～45.6 ℃、31.1～37.8 ℃，平均值分別為37.1 ℃、32.3 ℃；EER與環境溫度呈正相關變化，變化范圍2.32～4.71，平均值為3.46。室內溫度場測試數據顯示：實驗周期內A室高度0.1、1、1.5、2 m處的溫度平均值分別為20.53、19.49、19.01、18.42 ℃，各測量點溫度波動小于±2 ℃；A～D四室溫度的相對差值小于±1.6 ℃，溫度梯度相似，隨著距地面高度的增加而逐漸降低。機組運行周期內制熱/除霜平均時間123.5 min/6.17 min。

圖3 空氣源熱泵地暖系統冬季運行性能Fig.3 The performance of air-source heat pump in winter

選取最冷和最暖2 d的測試數據，對比分析熱泵系統在典型氣象日的運行性能，統計數據如表3所示，熱泵系統的制熱量、能效比、吸排氣壓力、冷凝蒸發溫度、出回水溫度、室內外溫度的變化如圖4所示。

由圖可知：1)最冷與最暖2 d的平均溫差為17.21 ℃，相對室外環境溫度的寬幅變化，室內溫度保持相對穩定，表明熱泵系統具有良好的環境適應性；2)最冷日的制熱量、EER相對穩定；最暖日的制熱量波動幅度相對增大，由熱泵系統加減載造成，最暖日的EER顯著提高，是最冷日的159%；3)最冷日、最暖日吸排氣壓力波動小且在合理范圍內，表明熱泵系統穩定可靠。

3.2運行成本對比分析

冬季供暖應用實驗期間熱泵系統總制熱量43 550.78 MJ，總耗電量3 498 kW·h，日均耗電37.6 kW·h。根據滁州市居民用電計費標準(平段8∶00～22∶00，0.5 653元/(kW·h)；谷段22∶00～8∶00，0.3 153元/(kW·h)，熱泵系統的總電費1 613.04元。由于滁州市未開通集中供暖，以合肥市冬季集中供暖價格21.5元/m2計算，該戶冬季供暖費用為2 680元；相比集中供暖，熱泵系統節省費用1 066.96元，減支比例39.82%。若采用戶式燃氣鍋爐供暖，生產等量熱能需消耗天然氣1 213.79 m3(天然氣低位熱值35.88 MJ/m3)[17]，根據滁州市燃氣到戶價格3.08元/m3計算，供暖燃氣費為3 783.47元，熱泵系統相對節省2 125.43元，減支比例56.17%。應用研究表明空氣源熱泵地暖系統在滿足用戶舒適性供暖需求的同時，不僅節能減排，而且大幅度降低了使用成本。

表3 典型氣象日地暖系統運行數據Tab.3 The data of heating system in typical weather

圖4 極端天氣下熱泵地暖系統性能比較Fig.4 The comparative performance of heating system in extreme weather

4 結論

筆者研發了單元式空氣源熱泵機組，進行了冬季熱泵地暖系統的應用實驗，得到如下結論：

1)應用實驗始于2015-11-20，歷時93 d，室外環境溫度的變化范圍為-10～16 ℃，平均值為3.72 ℃；熱泵機組制熱量變化范圍為3.82～10.06 kW，平均值為6.71 kW；EER變化范圍為2.32～4.71，平均值為3.46。

2)室內0.1、1、1.5、2 m高度處的溫度平均值分別為20.48、19.26、18.75、18.01 ℃，呈現相對穩定的下暖上涼的溫度場，比常規熱泵空調的舒適性高。

3)進行了最冷、最暖2個典型氣象日熱泵系統運行性能對比分析，相對室外溫度的兩極分化，室內溫度保持相對穩定，表明熱泵系統具有良好的環境適應性，高溫日EER是低溫日的159%。

4)相比城市集中供暖及燃氣鍋爐供暖，運行費用分別降低39.82%、56.17%，節能環保、安全可靠的同時，熱舒適性更佳。

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Aboutthecorrespondingauthor

Wang Tiejun, male, professor,the head of Refrigeration and Air Conditioning Institute, Hefei University of Technology,+86 13905510159, E-mail:wtj555@sina.com. Research fields:conservation and utilization of energy in refrigeration and air-conditioning system.

ApplicationofAirSourceHeatPumpSystemforFloorHeatingduringWinter

Wang Tiejun1Xu Wei1Zeng Xiaocheng2Liang Tao2Xia Xingxiang1Hu Peng1

(1.Institute of Refrigeration and Air Conditioning Technology, Hefei University of Technology, Hefei, 230009, China; 2.China Yangzi Group Chuzhou Yangzi Air Conditioner Company, Chuzhou, 239000, China)

A 3P variable frequency air source heat pump unit was developed and applied in a residential building with floor radiant heating. The system was tested during the winter over a 93 d period. The range of the outdoor environment temperatures was -10 ℃ to 16 ℃, with the average value being 3.72 ℃. The heat capacity of the heat pump was 3.82 to 10.06 kW, with the average value at 6.71 kW. The average suction and discharge pressures were 0.55 and 2.28 MPa, respectively, and the compression ratio of the system was small. The energy efficiency ratio (EER) range was 2.32 to 4.71, and the average value of EER was 3.46, indicating a high level of energy efficiency. The temperatures at the height of 0.1, 1, 1.5, and 2 m were measured indoors, and the average values were 20.48, 19.26, 18.75, and 18.01 ℃, respectively; therefore, the temperature field was comfortable because of the negative gradient. The results in the warmest day and coldest day were compared and it is indicated that the average outdoor temperature difference in the two days was 17.21 ℃, and that the heating capacity and EER in the warmest day were 41.9% and 159% of those in the coldest day, respectively. The system showed good environmental adaptability and comfort. Compared with an urban central heating system and a gas-fired boiler heating system, the operating costs were reduced by 39.82% and 56.17%, respectively, and the energy efficiency, safety, and thermal comfort were improved.

air source heat pump; radiant floor heating; application test

0253- 4339(2017) 04- 0031- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.031

2016年10月23日

TU832.1+5; TQ051.5

： A

王鐵軍，男，教授，合肥工業大學制冷與空調技術研究所所長，13905510159,E-mail:wtj555@sina.com。研究方向：制冷空調系統節能與能源綜合利用。