天津農村住宅空氣源熱泵供暖應用分析*

天津大學 邢金城 趙宇新 凌繼紅 楊秩勛

天津市建筑設計研究院有限公司 周憶惟

0 引言

近幾年，為了解決冬季燃煤供暖帶來的環境污染問題，在京津冀農村地區，廣泛開展了空氣源熱泵供暖代替燃煤供暖的工作。基于這一現狀，空氣源熱泵系統在北方農村住宅的應用研究引起了學術界的廣泛關注。空氣源熱泵的優勢主要體現在清潔環保、高效節能、電網升級費用低、舒適安全、操作簡單、清潔衛生等幾個方面[1]。曹宇婷等人對空氣源熱泵在農村地區應用的制熱性能進行了測試，連續4天對北京市昌平區的某農戶進行測試，室外平均溫度為-7.49 ℃，測試房間的平均室內溫度為16.91～18.65 ℃，室內舒適度較好，基本能滿足農村居民生活要求[2]。李愛松等人對北京農村空氣源熱泵供暖項目作了運行實測，其中系統COP大于1.8的項目占比達到80%以上，表明空氣源熱泵系統的實際應用效果是可觀的，且末端散熱效率對熱泵系統能效的影響非常顯著，在系統應用時應重點考慮[3]。周海艦等人對15個典型農村住宅中安裝的空氣源熱泵供暖系統進行了長期監測，其中供暖方式包括散熱器供暖、地板輻射供暖及散熱器+地板輻射供暖3種類型，空氣平均溫度分別為20.10、19.80、16.21 ℃，3種供暖形式下單位面積平均運行費用分別為18.2、20.2、21.7元/m2[4]。潘雷剛等人對戶式空氣源熱泵供暖系統不同末端形式進行了測試，發現地板輻射盤管用戶比散熱器用戶的運行費用低[5]。Su等人通過對北京農村空氣源熱泵用戶進行問卷調查，并對數據進行了分析，研究用戶的滿意程度，認為總的價格相對于產品本身來說更能影響用戶的滿意程度[6]。Hu等人對空氣源熱泵系統不同散熱末端的效果進行了實驗研究，認為地板輻射末端熱舒適性最好，新型金屬散熱器、標準風機盤管、地板輻射供暖運行費用分別比鑄鐵散熱器高25%、28%、43%，且在“煤改電”項目中不推薦使用鑄鐵散熱器[7]。靳路采用TRNSYS模擬軟件對太陽能-空氣源復合熱泵系統進行了模擬，得到該系統在供暖季的平均COP為4.5，較空氣源熱泵系統單獨運行提高了26%[8]。現有研究多為空氣源熱泵系統運行實測分析，并沒有結合居民供暖的熱舒適要求，而且針對供暖末端為風機盤管的研究較少。

筆者以天津地區成功實施空氣源熱泵供暖的某村為對象，進行熱舒適調研，并對采用散熱器和風機盤管為供暖末端的兩家農戶進行了運行實測。為消除被測試用戶的建筑圍護結構熱工性能、人員活動情況和供暖習慣的差異對能耗的影響，后續采用EnergyPlus模擬方法，對采用不同供暖末端(散熱器和風機盤管)空氣源熱泵供暖系統的熱舒適性和能耗進行對比分析。

1 室內熱舒適調查

1.1 測試內容及方法

本次調研對象為武清區某村，調研時間為2017—2019年2個供暖季。該村于2016年入冬前完成空氣源熱泵安裝并于2016—2017供暖季投入使用，效果良好。為研究供熱形式變化對居民熱舒適需求的影響，筆者采取隨機走訪的形式對居民進行了熱舒適問卷調查，并對室內環境參數進行了測試。問卷中關于受訪者主觀評價部分設置了6個關于熱感覺、熱期望、濕感覺、濕期望、吹風感、吹風期望的問題。被測室內環境參數包括空氣溫度、空氣相對濕度、黑球溫度和空氣流速。測試儀器型號及參數見表1。

表1 熱舒適調查測量參數與儀器

考慮到環境與人體的對流換熱與輻射換熱，本文采用操作溫度作為熱舒適指標來計算熱中性溫度，操作溫度top為空氣溫度ta和平均輻射溫度tr的平均值[4]。

平均輻射溫度tr為

tr=tg+2.4v0.5(tg-ta)

(1)

式中tg為黑球溫度，℃；v為空氣流速，m/s。

1.2 熱舒適調查分析

本次調研村莊共有200戶家庭，對其中72戶家庭進行了熱舒適調查研究，共有104名身體健康的居民參與。受訪者以中老年群體為主，其中女性占比52%，男性占比48%。

1.2.1室內環境參數和服裝熱阻分布

室內環境參數測量統計結果見表2。

表2 室內環境參數

表3給出了冬季熱泵供暖農宅居民的服裝熱阻分布情況。由表3可見，居民的服裝熱阻集中分布在1.1～1.3 clo之間，占所有受試者人數的42.9%。

表3 服裝熱阻統計

1.2.2熱感覺MTS評價

圖1顯示了熱泵供暖農宅的熱感覺投票分布情況。其中，熱感覺投票為-1、0、1的樣本分別占19.8%、60.4%、17.0%，即97.2%的熱泵供暖居民對當前熱環境是接受的。

圖1 熱泵供暖農宅居民的熱感覺投票分布

圖2顯示了平均熱感覺投票和操作溫度的關系。采用溫度頻率法(BIN法)對熱舒適現場實測數據進行回歸分析[9]，通過線性擬合可得到居民平均熱感覺投票值MTS與操作溫度top的關系式：

MTS=0.35top-6.27

(2)

當MTS=0時，可得到居民熱中性溫度為17.8 ℃；當MTS=-0.5～0.5時，得到90%居民的可接受溫度范圍為16.4～19.2 ℃。可以看出，農村居民對居住環境的熱舒適要求相對于GB/T50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》中主要房間室溫為14 ℃的要求[10]提高了3.8 ℃。

圖2 平均熱感覺投票和操作溫度的關系

2 空氣源熱泵系統供暖性能的監測

2.1 建筑信息及系統形式

為了分析當前空氣源熱泵實際供暖效果，選取末端分別為散熱器和風機盤管的2戶典型住宅作為空氣源熱泵供暖系統運行實測對象。被測用戶概況見表4，建筑平面及室內供暖末端分布見圖3。

2戶典型住宅采用的熱源均為相同型號的低溫空氣源熱泵，機組信息及末端形式見表5。

表4 被測用戶概況

圖3 被測用戶建筑平面及室內供暖末端分布

表5 被測用戶供熱系統信息

2.2 測試內容及方法

系統供暖性能測試內容包括典型房間室內空氣溫度、供回水溫度、機組耗電量和系統循環水量。測試所用儀器及精度如表6所示。每戶農宅選取3～5個房間對室內空氣溫度進行監測，每個房間布置2個測點，測點設置在距地面1.2 m高處，依托櫥柜、書桌擺放，采樣間隔為1 h。在機組進出水口布置供回水溫度測點，采樣間隔為2 min；機組耗電量由單相電表和電表數據采集器進行數據采集，采樣間隔為7 s；系統循環水量采用超聲波流量計測量。

表6 供暖性能測試儀器

2.3 室內熱環境監測情況分析

測試時間段為2019年1月4日至2月19日，測試期間室外日平均溫度為-6.8～3.6 ℃，平均值為-1.7 ℃。

對測試期間全天連續供暖房間室內溫度作加權平均，權重系數取各房間體積占比，得到散熱器用戶和風機盤管用戶平均室溫，結果如圖4所示。可以看出：整個測試期間散熱器用戶室內日平均溫度為14.7～18.1 ℃，平均值為16.3 ℃；風機盤管用戶全天連續供暖房間室內日平均溫度為16.7～19.2 ℃，平均值為17.9 ℃。風機盤管用戶室內空氣溫度高于散熱器用戶。

圖4 測試期間散熱器用戶與風機盤管用戶室內平均溫度對比

2.4 典型日系統控制模式分析

2月4日室外空氣平均溫度為-1.1 ℃，與測試期間室外平均空氣溫度水平接近，作為測試時間段的典型日進行分析。

典型日散熱器用戶與風機盤管用戶房間溫度和系統供回水溫度的變化如圖5所示。空氣源熱泵供暖系統控制方式如下：機組根據用戶設定的回水溫度進行啟停操作，啟停溫差為±4 ℃，水泵定流量不間斷運行。從圖5可以看出：散熱器用戶將回水溫度設定為48 ℃，風機盤管用戶則將回水溫度設定為46 ℃，低于散熱器用戶；以散熱器用戶為例，當回水溫度低至44 ℃時機組開啟，回水溫度升到52 ℃時機組關閉，供回水溫度開始下降且差值逐漸變小。

圖5 典型日散熱器用戶與風機盤管用戶供回水溫度與各房間溫度的變化

另外可以看出，由于現階段機組供回水溫度由人為控制，不能及時響應室外溫度變化，導致室溫波動較大，而且人為調節周期長。因為熱泵的能效與供水溫度有很大關系，相對節能的控制方法是根據室外溫度所處區間值選擇相應供回水溫度值。如果在室外溫度較高的情況下，仍然維持很高的供回水溫度設定值，就會導致系統過量供熱，不僅造成浪費，還會影響室內的舒適性。

2.5 系統能效性能分析

根據實測數據計算分析得到的測試期間散熱器用戶和風機盤管用戶能效性能參數如表7所示。測試期間系統COP隨室外溫度的變化如圖6所示。

表7 被測用戶空氣源熱泵系統能效性能參數

圖6 空氣源熱泵供暖系統性能系數COP與室外溫度逐日變化

由表7可知，2個被測用戶的平均回水溫度基本與各自設定值相等，平均供回水溫差接近2 ℃。風機盤管用戶平均供水溫度和平均回水溫度低于散熱器用戶，這是由于風機盤管末端與空氣進行對流換熱，屬于低溫末端，也即所需的水溫更低。兩者除霜能耗占比不到5%，可見對于天津地區采用空氣源熱泵供暖時，除霜能耗所占比例較小。

從圖6可以看出，2個被測系統COP大部分時間保持在2以上，且系統COP變化趨勢與室外溫度變化趨勢基本一致。部分時間段不一致可能是由于末端開啟數量和時間由用戶控制，有一定變化。而且環境空氣濕度、除霜等均會影響COP。

圖7顯示了散熱器用戶與風機盤管用戶在測試期間各自系統的耗電量與制熱量的逐日變化。測試期內散熱器用戶機組制熱量共計28.0 GJ，系統用電量共3 429 kW·h，其中水泵耗電量共265 kW·h，平均供暖負荷指標約84 W/m2，日均建筑單位面積供暖電耗0.89 kW·h/(m2·d)。

圖7 散熱器用戶與風機盤管用戶耗電量與制熱量的逐日變化

風機盤管用戶客廳的風機盤管基本處于長期關閉狀態，實際供暖面積為45 m2，機組制熱量共計15.1 GJ，系統用電量共1 898.9 kW·h，其中水泵耗電量共254 kW·h，平均供暖負荷指標約為82.5 W/m2，日均單位建筑面積供暖電耗0.90 kW·h/(m2·d)。可以看出兩者日均單位建筑面積供暖電耗基本相同，但風機盤管用戶室溫高，且供暖房間較為分散及向非供暖房間的傳熱都在一定程度上增加了其電耗。

3 空氣源熱泵供暖不同末端供熱特性模擬分析比較

測試過程中被測用戶由于建筑、人員、使用時長等都會有差異，且連續監測的為空氣溫度，而非室內操作溫度。為了消除這些影響，本文用EnergyPlus模擬軟件進行模擬分析，時間步長設為1 h[7]。在同一建筑環境中對比末端為風機盤管和散熱器時兩者在室內熱環境、系統供回水溫度、電耗上的差異。

3.1 模型建立與驗證

用Open Studio建立了如圖8所示的散熱器用戶和風機盤管用戶模型，參數設置與上文中實測調研結果一致。圖9顯示了2月12日散熱器用戶與風機盤管用戶室內逐時溫度和逐時耗電量的模擬與實測數據對比。

圖8 散熱器用戶與風機盤管用戶模型圖

由圖9a可見：散熱器用戶室內逐時溫度模擬值與實測值變化趨勢基本一致，臥室A室內溫度實測值與模擬值相對偏差最大為3.9%，餐廳相對偏差為5.0%；系統日耗電量模擬偏差為9.7%。由圖9b可見：風機盤管用戶臥室A 13:00—18:00的室內氣溫模擬值比實際值大，可能是由于這段時間該用戶臥室A與相鄰非供暖房間之間的內門敞開導致臥室A室溫下降而熱負荷增大；若不考慮這段時間帶來的誤差，臥室A室內溫度實測值與模擬值相對偏差最大為4.3%，餐廳相對偏差為5.8%；系統日耗電量模擬偏差為9.3%。

從以上結果可以得出，模擬數據與實測數據變化趨勢基本相同，相對誤差均小于10%，在模擬允許誤差范圍內。因此，模擬數值可以代替實際數據用于系統優化分析。

3.2 模擬結果分析

機組回水溫度設定為35、40、45、50、55 ℃ 5種工況，模型均采用風機盤管用戶的建筑模型，模擬初寒期、嚴寒期、末寒期典型日的運行情況，選取日平均室外氣溫接近對應供暖階段平均室外氣溫的日期作為典型日，分析在各供暖階段不同回水溫度下2種供暖末端營造的室內熱環境差異。由于居民平時在臥室的活動時間最長，以臥室A室內熱環境代表整個住宅的室內熱環境。

各供暖階段典型日散熱器用戶與風機盤管用戶在不同回水溫度下的逐時室內熱環境模擬結果如圖10～12所示。

根據前文熱舒適調研結果，天津地區90%農村居民可接受的溫度下限為16.4 ℃。以此為基準，得到各供暖階段典型日2個用戶所需的最低回水溫度及系統在對應回水溫度下運行時的當日電耗，如表8所示。

采用風機盤管進行供暖時，屬于強制對流換熱，室內空氣溫度較高而平均輻射溫度較低。而采用散熱器進行供暖時，屬于自然對流換熱和輻射換熱，與風機盤管末端相比，室內空氣溫度偏低而平均輻射溫度更高。因此，本文以室內操作溫度作為標準，比較兩者之間的差異。從以上模擬結果可以看出，在不同供暖階段典型日，滿足室內操作溫度16.4 ℃為下限的前提下，當供暖末端為風機盤管時，系統所需回水溫度更低，電耗也更低。初寒期典型日風機盤管供暖相對于散熱器供暖節能率約為19%，嚴寒期典型日節能率約為26%，末寒期典型日節能率約為22%。通過以上對比發現，在滿足人體熱舒適的前提下，供暖末端為風機盤管時所需的機組回水溫度更低，供暖電耗更少。這是由于在相同環境條件下，機組回水溫度較低時，冷凝溫度較低，而冷凝溫度越低越有利于空氣源熱泵機組的高效運行，使機組能效更高。而通過本文模擬分析發現，相同環境條件下采用風機盤管作為末端的機組所需回水溫度較散熱器末端低，因此更節能。

表8 典型日散熱器用戶與風機盤管用戶所需最低回水溫度及系統當日電耗

4 結論

1) 通過熱舒適調研發現，天津地區空氣源熱泵供暖能滿足室內熱舒適需求，97.2%的熱泵供暖居民對當前熱環境是接受的；空氣源熱泵供暖時居民冬季熱中性溫度為17.8 ℃，90%的居民可接受操作溫度范圍為16.4～19.2 ℃。

2) 供暖系統性能測試期間散熱器供暖用戶室內平均溫度為16.3 ℃；風機盤管用戶室內空氣溫度高于散熱器用戶，室內平均溫度為17.9 ℃。能耗方面，散熱器用戶日均單位面積供暖電耗為0.89 kW·h/(m2·d)，風機盤管用戶為0.90 kW·h/(m2·d)。與傳統供暖系統相比，空氣源熱泵供暖供回水溫差小，散熱器用戶和風機盤管用戶供回水溫差均在2 ℃左右。在測試期間，當室外空氣溫度低至-5 ℃時，被測用戶系統COP也基本在2以上，且隨著室外溫度的升高而增大。

3) 在滿足室內舒適度前提下，末端為風機盤管時需要的供水和回水溫度更低，且供暖電耗比散熱器供暖更少。嚴寒期典型日風機盤管供暖相對散熱器供暖節能率可達26%，隨室外氣溫升高，二者電耗絕對值差距減小。

4) 由于現階段機組供回水溫度由人為控制，而非根據室外溫度來自行調控，導致測試期間用戶室內溫度波動較大，也不利于節能。建議空氣源熱泵機組應根據室外溫度變化建立相應的回水溫度控制曲線，在滿足用戶熱舒適基礎上實現進一步節能。