空氣源熱泵結合熱水地板輻射采暖系統研究

王江波

摘要：隨著社會經濟的快速發展，人們的生活越來越好，使人們對生活品質的要求也不斷地提高，所以，人們對能源的需求也在急劇增加，直接導致建筑能耗不斷增大。而建筑能耗中又有一部分為采暖能耗。對于采暖系統的優化已經成為建筑節能的重要方向，因此，我們可以通過提高能源利用率和防止能源浪費等方面對采暖系統進行優化。熱管具有極強的導熱能力和良好的等溫性，使其作為低溫地板采暖系統的末端散熱裝置可以提高供暖效果，同時，降低熱源溫度以節約能源。

關鍵詞：空氣源熱泵;熱水地板輻射;采暖系統

一、空氣源熱泵地板輻射采暖系統描述

空氣源熱泵地板輻射采暖系統由空氣源熱泵機組，地板輻射采暖系統，以及備用熱源組成。該系統運行時，流出地板輻射采暖熱水盤管中的熱水，在機組的冷凝器中，與進入蒸發器內的制冷劑蒸汽進行熱交換，之后重新進入地板輻射采暖系統的熱水盤管中進行供熱。

二、熱管與空氣源熱泵的匹配

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，可以在無須外加任何作用力的條件下，將大量熱量通過很小的橫截面積遠距離傳送。文中選取的熱管為銅-水常溫熱管，充液量為熱管腔體總體積的1/8～1/5，作為地板輻射采暖系統的末端裝置。該熱管與空氣源熱泵地板輻射供暖具有良好的匹配性，原因為：（1）常用空氣源熱泵機組的額定出水溫度為55℃，最高出水溫度為60℃，滿足地板輻射采暖的溫度不高于60℃的要求，常溫銅—水熱管的溫度范圍為30～250℃，所以，熱管和空氣源熱泵地板輻射采暖在溫度方面具有良好的吻合性。（2）空氣源熱泵具有高效節能、無污染等優點，而熱管也具有較高的導熱性和優良的等溫性，現將兩者結合運用在地板采暖系統，可以得到一個更優化的地板采暖系統。（3）空氣源熱泵機組出水溫度的增高制約空氣源熱泵機組的制熱能力，而熱管具有高傳熱性，可以快速降低水溫，兩者結合可以提高空氣源熱泵機組的制熱能力。（4）熱管是每一個都分散布置的，某一根熱管出現問題不會影響其他熱管的工作，相比于聚乙烯地盤管，熱管用于供暖的檢修也較為方便。

三、數值模擬結果及空氣源熱泵能效比分析

（一）工程概況

通過分析已給出的小區建筑圖紙，得知房間的地板構造以及房間的大小位置均已確定。另外圖紙顯示，在地板構造中的填充層中敷設的是直徑為20mm的塑料管，作為地板輻射采暖的加熱盤管。房間都為兩室一廳的布局模式，房間凈層高為2.9m，每層樓均為一梯三戶。

（二）地板數值模擬

1、供水溫度不同時的數據分析

運用Fluent軟件對三維地板模型進行模擬計算，分別取加熱盤管的供水溫度為35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃六種溫度進行模擬。在上述條件下，統一設置入口流速為0.3m/s。低溫地板輻射采暖系統的地板溫度分布有三個明顯的區域，一個是中心區域，盤管敷設和靠近圍護結構的區域。其中中心區域溫度較低，主要原因是房間采用回折型方式敷設，管間距從外向內敷設，受到房間尺寸影響，房間的中心區域很可能滿足不了200mm的管間距，因為中間區域的管間距較大。對于靠近圍護結構的溫度分布來看，與內墻相鄰的地板表面溫度較高，與外墻相鄰的地板表面溫度較低。

2、供回水溫差下不同時的數據分析

運用Fluent軟件對三維地板模型進行模擬計算，分別取供回水溫度差為5℃、7℃、9℃三種情況進行模擬。對供回水溫差進行深入分析時，得出供暖系統在運行過程中的成本控制及熱流密度分布情況，同時供回水溫差的大小將對房間內的溫度分布產生較大影響。供回水溫差應小于或等于10℃且不宜小于5℃，通過改變出口溫度從而來控制溫差。a）溫差5℃b）溫差7℃c）溫差9℃隨著供回水溫差的不斷增大，地板表面的平均溫度幾乎沒有變化，不過地板表面相對應的溫度均勻性變差。雖然在增大供回水溫差時，輻射地板表面的平均溫度的變化不大，但是輻射地板表面的中間區域出現了一定局部溫降的相關情況，原因在于回折型盤管敷設方式，供回水在中間區域的平均溫度達到了最小值。

3、流速不同時的數據分析

為使水流具有一定的速度且可以把水中所帶有的空氣排出，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》的規定可知，在無坡度敷設時，加熱盤管內水流速度不得小于0.25m/s，從而避免空氣的聚集，影響供暖效果。因此本文在固定管間距為200mm的情況下，模擬實驗中分別設置管內水流速為0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s來進行分析比較。地板表面的整體溫度也有所提高，地板表面的溫度分布形狀基本沒有變化。根據數據可知，隨著加熱盤管內的水流速增大，地板表面的熱流密度及平均溫度均有所升高。尤其是當入口流速變為0.5m/s時，整體地板溫度會出現明顯溫升，說明流速增大對地板表面溫度有影響。由于減小水流速度可減少系統中水泵能耗，因此在加熱盤管內的水流速可以將管內的空氣帶走防止聚集時，應該盡可能的減小水流速，從而可以達到進一步節能的目的，也能使地板表面溫度分布更加均勻。

四、結語：

當室外溫度比較低時，為保證空氣源熱泵地板輻射采暖系統滿足室內供暖需求，可以與相變蓄熱技術相結合，穩定的對室內提供熱量。空氣源熱泵地板輻射采暖系統具有較強的供熱與節能效果，在北方采暖地區具有很強的推廣意義。但是該系統在推廣的過程中還有蒸發器的表面結霜問題、潤滑油積存等問題，有待進一步開展研究解決。

參考文獻：

[1]王園園，張超，梁年良，等.空氣源熱泵冷劑直熱式建筑采暖系統研究現狀[J].建筑節能，2017，43（7）：21-24.

[2]辛宏.空氣源熱泵地板采暖技術在民用住宅上的應用[J].應用能源技術，2017（8）：32-36.