變頻空氣源熱泵地暖系統蓄熱過程的實驗研究

望怡 張小松 夏燚

1 東南大學能源與環境學院

2 南京師范大學能源與機械工程學院

0 引言

以空氣源熱泵為熱源，地暖為末端的供暖系統因其熱舒適性好、能效比高、節能環保等特點得到了廣泛應用[1-6]。但定頻熱泵機組由于制熱量不可調節，當機組的制熱量大、需求的供熱量小時，會導致壓縮機頻繁啟停，使得供水溫度變化引起地面溫度的波動，降低了熱舒適性[7]。常規的地暖系統管間距較大，與地面總接觸面小，傳熱的效率低，因此蓄熱層地表溫升會比較慢[8]。

針對常規地暖系統蓄熱層溫升慢和定頻熱泵機組頻繁啟停導致熱舒適性較差的問題，本文搭建了變頻空氣源熱泵機組驅動的薄型地暖系統進行實際測試，探究在蓄熱過程中地面溫升速度，變頻空氣源熱泵機組供熱能力和地暖混凝土層吸熱能力之間的關系，研究變頻空氣源熱泵機組與地面輻射供暖系統的匹配性。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 測試系統介紹

低溫熱水地面輻射供暖系統如圖1 所示[9]。地面輻射供暖系統由：熱源、地面盤管系統，分集水器，供回水干管和溫控等系統構成[10]。熱源提供 35～50 ℃溫度范圍內的低溫熱水[11]，由干管送到分水器，再由分水器輸送到各個房間的地面盤管系統。熱水在地面盤管內循環流動，將地面加熱至 30 ℃左右，通過熱輻射和空氣熱對流向房間輸送熱量，室內的溫度可達到 20 ℃以上。

圖1 低溫熱水地面輻射供暖系統圖

本系統的熱源設備為變頻空氣源熱泵機組，末端使用的是薄型地暖系統：地暖管是內外徑分別為7 mm/10 mm 的耐熱聚乙烯管（Pex），盤管間距為5 cm，絕熱層采用厚度為 1.5 cm 的保溫板模塊，混凝土找平蓄熱層厚度 1.5 cm，地面瓷磚厚度1 cm。在分水器、集水器的供回水管路上和地面分別設置了溫度傳感器，溫度傳感器采用 NTC10K 熱敏電阻，精度為1%。供水溫度，回水溫度和地表溫度的數據通過安捷倫（34970A）數據采集儀每 1 分鐘采集1 次，實驗數據采集的設備如圖2 所示。

圖2 實驗數據采集設備

1.2 測試方案

本實驗主要研究的是熱水在地暖盤管內循環流動的過程：供水經熱泵機組加熱升溫后通過分水器進入地暖盤管，通過與混凝土層的換熱，將熱量傳遞到地表，地面溫度升高，此時水溫度降低，降溫后的水通過集水器被送入熱泵機組繼續被加熱升溫，然后進行下一循環。

在本實驗中熱泵機組設置的供水溫度為45 ℃，實驗開始階段，供水，回水和地面三者溫度維持在同一水平，均為17 ℃。溫度數據每間隔1 分鐘采集1 次。本實驗研究的是變頻空氣源熱泵薄型地暖系統的蓄熱過程，因此實驗周期為從熱泵機組開機到地面溫度趨于穩定的全過程。

2 實驗結果與分析

圖3 給出了變頻空氣源熱泵薄型地暖系統的蓄熱過程中，供水溫度，回水溫度和地面溫度隨時間的變化曲線。

圖3 供水、回水、地面溫度變化曲線

從圖3 中可以看出，當系統開啟后，供水溫度大約在40 分鐘內由17 ℃逐漸升高并穩定在 45 ℃左右，升溫速度較快。這是由于系統在剛開始運行時，初始供水溫度較低，變頻壓縮機以高頻率快速運行，讓熱泵機組的制熱能力達到最大，使供水溫度能在最短的時間內升上去。當供水溫度快達到45 ℃時，壓縮機運行頻率能隨之降低，實現無級調節，維持維持供水水溫穩定在45 ℃而不用壓縮機停機來實現制熱量調節，減少了熱泵機組的啟停次數及溫度波動。曲線變化趨勢表明變頻空氣源熱泵機組具有良好的供水溫度調節性，能夠保持45 ℃的持續供水。

從圖3 中可以看出，在系統運行中，回水溫度大約在120 分鐘內17 ℃逐漸升高并穩定在42 ℃左右。這是因為在系統運行的初始階段，混凝土溫度較低，與供回水平均水溫的差值較大，其吸熱能力強，導致回水溫度降低。當混凝土層溫度升高后，與供回水平均水溫的差值逐漸減小，吸熱能力降低，回水溫度逐漸升高。當混凝土層溫度逐漸升溫達到穩定值后，吸熱能力不變，因此回水溫度趨于穩定。回水溫度的穩定滯后于供水溫度的穩定，大約滯后80 分鐘。

《地面輻射供暖技術規程 JGJ142-2004》規定，在人員短期或經常停留區，地面的表面平均溫度的適宜范圍為 24～30 ℃[12]。根據楊巧霞[13]做的關于低溫熱水輻射供暖末端性能實驗的研究數據可以發現，在供水溫度設定為45 ℃時，常規地面輻射供暖的地面溫度由15 ℃升溫至19 ℃大約耗時330 分鐘。通過本實驗的地面溫度曲線可以看出，當采用薄型地暖系統時，經過60 分鐘的加熱，地面溫度就從 17 ℃上升到規范要求的適宜溫度25 ℃。經過120 分鐘，地面溫度便達到了30 ℃，升溫速度遠遠大于常規地暖的地面升溫速度。

圖4 是經過數據處理后，供回水平均溫度以及供回水溫差，地面與供回水平均水溫的溫差隨時間的變化曲線。

圖4 供回水溫差，平均溫度以及與地面溫差的變化曲線

通過供回水溫差曲線可以看出供回水的溫差是先增大后降低，在 120 分鐘后基本維持在 3.5 ℃左右。這是因為在系統運行的初始階段，變頻機組滿負荷運轉，供水溫度不斷地升高，但由于混凝土蓄熱層溫度低吸熱能力強，回水溫度低，因此供回水溫差逐漸增大。當供水溫度達到穩定值45 ℃后，混土蓄熱層的溫度也逐步上升，吸熱能力下降回水溫度逐漸升高，供回水溫差開始降低。當回水溫度趨于穩定后，供回水溫差也趨于穩定。通過曲線可以看出供回水溫差的最大值為11.4 ℃，最小值為 3.5 ℃，這說明變頻空氣源熱泵機組具有良好的調節性能，在系統由起始到穩定階段的運行中，壓縮機的功率由初始階段的 100%降低為30.7%。

地面溫度與供回水平均溫度的溫差曲線是先上升后降低，最后基本維持在12 ℃左右。這是因為混凝土的比熱容很大，約為970 kJ/(kg·K)，因此初期混凝土蓄熱層的升溫速度較慢，混凝土蓄熱層溫度與供回水平均水溫的差值較大，具有較好的蓄熱性能。后期隨著混凝土蓄熱層溫度上升，它與供回水平均水溫的差值變小，蓄熱性能下降，最后趨于平衡和穩定。

3 結論

1）地暖管內外徑7 mm/10 mm、管間距5 cm、混凝土找平層1.5 cm、地磚厚度1 cm 的薄型地暖系統因為管間距小，混凝土蓄熱層薄，地面溫度上升溫快，在45 ℃供水條件下，經過 1 小時的加熱，地面溫度就從17 ℃上升到25 ℃，經過2 小時地面溫度便達到30 ℃，升溫速度遠遠大于常規地暖的地表升溫速度。

2）混凝土蓄熱層蓄熱規律：供暖初期由于自身溫度低其蓄熱能力大，要求熱源設備有較大的供熱能力，后期隨著自身溫度的上升其蓄熱能力變小，對熱源設備供熱能力要求變低，如果熱源設備沒有良好的調節性能，會出現頻繁啟停影響穩定性。

3）通過分析變頻機組的供水溫度、回水溫度、供回水溫差，發現變頻機組能夠很好的適應混凝土蓄熱層的蓄熱規律，剛開機時滿負荷供熱，供水溫度到達設定的 45 ℃時，隨著混凝土蓄熱能力的下降，回水溫度上升，機組通過降低壓縮機頻率，減少供熱量維持供水溫度穩定。供回水溫差從11.4 ℃降低到3.5 ℃，供熱量從100%降低到30.7%。