新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖性能實驗

高 峰 王 宇 李艷菊 李勝英 郭春梅

(1 天津城建大學能源與安全工程學院 天津 300384；2 天津住宅科學研究院有限公司 天津 300000)

為實現我國建筑節能和可持續發展，提出新的有效措施來降低建筑中暖通空調領域的能耗具有重要的現實意義[1]。空氣源熱泵具有高效、節能、環保的獨特優勢，在我國北方，特別是京津冀地區具有良好的應用前景[2]。但寒冷的北方地區和高濕寒冷的南方，低溫適應性和除霜制約著空氣源熱泵的發展[3-5]。因此了解空氣源熱泵供暖系統在低溫環境下的運行狀況，需要大量的現場測試數據支撐，針對這一問題，周超輝等[6]在北京某教學樓測試了不同運行方案對熱泵能效和能耗的影響。艾凇卉等[7]在室外溫度為-8 ℃時開展實測，實驗表明熱泵機組在測試期間運行穩定，平均出水溫度為42.0 ℃，能效比保持在2.8以上。白曉夏等[8]在北京地區-15.2～-5.1 ℃的室外低溫環境中進行實測，當溫度低至-15.2 ℃時，熱泵制熱量衰減幅度高達55%。肖婧等[9]進行了為期3個月的現場測試，研究了熱泵機組在-16.5～-6 ℃的低溫環境中的運行特性、供熱性能與末端供熱效果。

供暖系統的合理匹配需從源端和末端綜合考慮。低溫輻射供暖末端傳熱溫差小，熱媒水溫度低，冬夏兼用的空氣源熱泵、直燃機熱泵、太陽能空調等前端設備，可以提供低溫輻射地板冬季供暖所需要的35～45 ℃的熱媒水。輻射供暖系統與傳統散熱器相比，在建立相同舒適條件的前提下，室內設計溫度可降低2～3 ℃，從而降低室內外空氣對流熱損失，供暖熱負荷可減少10%～15%，供暖季耗熱量降低13%～22%[10]。宋春暉[11]提出了兩種輻射側板末端形式，分別進行測試，并通過模擬軟件對各工況下室內空氣速度場、溫度場、PMV以及PPD的分布情況進行分析；張俊芳[12]對本文研究的新型通水地板進行實驗測試，確定了地板表面的綜合傳熱系數，并利用數值模擬的方法分析相同室溫下，不同供水溫度、不同流速對散熱量的影響。張曉偉等[13]用VB編程模擬出低溫輻射地板采暖系統的水流速在0.01～0.03 m/s范圍內為最佳。董浩川等[14]對新型通水地板進行了實驗測試，分析了不同組合優化方法及節能性分析，并利用模擬軟件對地板的PPD-PMV進行了估算。

新型通水地板作為一種低溫輻射供暖末端，主要運用硬聚氯乙烯材料，制成可通水式地板條，地板條通過連接件連成一個整體，熱水在板內流動向房間提供熱量。其構成如圖1所示，上部為卡扣式可換面層，中間為通水基板，下部分為擠塑保溫板，并由連接管、異型螺母、水連接件等連接。

圖1 通水地板構成Fig.1 Composition of radiant floor

新型通水地板結構參數如表1所示。在通水基板下鋪有厚度為3 cm的擠塑聚苯板作為保溫層，具有良好的絕熱性、隔音性。

表1 通水地板結構參數Tab.1 Structural parameters of radiant floor

目前，新型通水地板的研究主要集中在理論分析和實驗驗證[15-17]，本文對新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統在我國熱工分區中寒冷地區天津市的實際運行情況開展了76 d現場實測，測試工況為-10.1～2.1 ℃的低溫工況，重點考察該系統在北方寒冷地區供暖季實際運行的性能表現。

1 工程概況及測試方案

1.1 測試工程

測試工程位于天津市西青區某住區管理機構用房，層高2.75 m，供暖面積48.72 m2。圖2所示為測試工程的建筑平面圖，室內(陰影部分)鋪設新型通水地板作為供暖末端。

圖2 建筑平面Fig.2 Building plan

1.2 供暖系統及運行測試方案

測試工程應用的空氣源熱泵機組規格參數如表2所示。

表2 空氣源熱泵機組參數Tab.2 Performance parameters of air-source heat pump

圖3所示為測試方案流程。在熱泵供、回水管路設有熱電阻溫度傳感器測量供、回水溫度；利用液體渦輪流量計測量地板循環水流量；利用功率計量儀測量熱泵機組的電壓、電流，通過無紙記錄儀存儲以上測試數據。通過溫濕度自記儀測量室內外溫濕度，通過電腦軟件輸出數據并進行計算分析。

圖3 測試方案流程Fig.3 Schematic of test process

主要測量設備參數及采樣周期如表3所示。

表3 主要測試設備參數Tab.3 Parameters of main test equipments

熱泵機組瞬時制熱量：

Qh=cvr(tsupply-treturn)

(1)

地板單位面積散熱量：

(2)

熱泵機組瞬時功率：

Eh=UI

(3)

熱泵機組運行能效系數：

(4)

式中：Qh為機組瞬時制熱量，kW；c為機組循環水的比熱容，c=4.2 kJ/(kg·℃)；vr為機組循環水體積流量，m3/h，tsupply為機組供水溫度，℃；treturn為機組回水溫度，℃；q為新型通水地板單位面積散熱量，W/m2；F為鋪設通水地板面積，m2；Eh為熱泵機組瞬時耗電功率，kW；U為機組工作電壓，V；I為機組工作電流，A；COP為機組能效系數。

測試過程中相關測量參數的誤差分析如下：

1)水溫測量引起的誤差：

熱電阻的測溫精度±0.2 ℃，測試過程中供水溫度tsupply與回水溫度treturn之差最大為15 ℃，ZX8100彩色無紙記錄儀的測溫精度為±0.28 ℃。

(5)

2)空氣溫度測量引起的誤差：

(6)

式中：t為空氣溫度，℃。

3)時間測量引起的誤差：

采集器最大時間間隔60 s；系統運行總時間最短取24 h。

(7)

4)功率測量引起的誤差：

(8)

5)系統制熱量誤差：

(9)

6)系統瞬時能效系數COP計算誤差：

(10)

綜上計算得到系統性能誤差約為3.8%。

1.3 供暖效果測試方案

測試室內溫濕度要考慮人員在不同平面區域、高度時溫濕度感知的差異。根據JGJ/T 347—2014 《建筑熱環境測試方法標準》[18]對于四邊形平面房間溫濕度測點布置的規定，當房間面積小于16 m2時，應在房間平面對角線交點處布點；房間面積為16～30 m2時，取房間平面最長的對角線作為布點定位線，應在其3等分點處布點。具體要求如表4所示。

表4 空氣干球溫度和相對濕度測點布置方法及表征意義Tab.4 Measurement point arrangement method and characterization significance of air dry bulb temperature and relative humidity

測試位置處用RR002單項溫度記錄儀記錄地板輻射表面溫度，依托鋁型材測桿，在測試位置離地板10、60、110、170 cm高度處分別垂直放置溫濕度自記儀記錄室內溫濕度，如圖4所示。通過該測點布置方法，測得的溫度分布更加貼近人體真實感受。圖中3個測試位置的測點布置情況均與測試位置1相同，地板表面溫度、0.1 m處空氣溫度、0.6 m處空氣溫度、1.1 m處空氣溫度以及1.7 m處空氣溫度分別用ts、t0.1、t0.6、t1.1、t1.7表示，根據JGJ/T 347—2014《建筑熱環境測試方法標準》[18]的規定，t1.1表示室內工作區域溫度。

圖4 測試位置布置Fig.4 Layout of test location

2 測試結果分析

2.1 系統整體運行性能

2019年12月—2020年2月在天津市進行了為期76 d的現場實測。如圖5所示，2019年12月30日-2020年1月1日(本文圖中日期標記為年/月/日)，室外溫度最高為2.1 ℃，最低為-10.1 ℃，該3天為測試期內集中出現的最冷測試日。

圖5 測試期內部分室外溫度變化Fig.5 Changes of outdoor temperature during the test period

根據GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[19]的要求，局部舒適度評價應考慮冷吹風感、垂直空氣溫度差和地板表面溫度。由于輻射供暖風速小于0.2 m/s，無需考慮冷吹風感。按式(11)～式(12)計算垂直空氣溫度差局部不滿意率和地板表面溫度局部不滿意率：

LPD1=100-94e(-1.387 +0.118 ts-0.0025ts2)

(11)

(12)

式中：LPD1為地板表面溫度局部不滿意率，%；LPD2為垂直空氣溫度差局部不滿意率，%；Δt為頭部和腳踝之間的垂直溫差，℃；ts為地板表面溫度，℃。式(12)僅適用于頭部與足踝部垂直溫差小于8 ℃時。

根據GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準中》[19]的規定，將建筑室內熱濕環境細分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級3個等級，分別對應 90%以上人群滿意的環境，75%～90%人群滿意的環境，75%以下人群滿意的環境。圖6所示為測試期內局部不滿意率指標情況。測試位置3受圍護結構影響，出現LPD2處于Ⅱ級指標的情況，但整體上，超過90%測試日中各位置的LPD1、LPD2處于Ⅰ級指標，其余全部處于Ⅱ級指標內，室內整體舒適度較高。

圖6 測試期室內局部不滿意率Fig.6 Local dissatisfaction rate of indoor locations during the test period

圖7所示為測試期76 d機組的日平均制熱量、日平均功率以及日平均COP情況。機組的日平均制熱量變化范圍是1.5～6.9 kW，平均值4.2 kW；日平均功率變化范圍是0.6～3.2 kW，平均值1.6 kW；日平均能耗量0.79 kW·h/m2。機組日平均能效系數COP變化范圍是1.43～3.54，平均值為2.31。

圖7 測試期機組日平均制熱量、功率及COPFig.7 Daily average heating capacity,power and COP of unit during the test period

圖8 單位面積散熱量隨的變化Fig.8 Variation of heat dissipation per change

2.2 最冷測試日供暖效果

2019年12月30日0時至2020年1月2日0時3 d內，室外環境溫度最低值為-10.1 ℃，最高值為2.1 ℃，平均值為-4.2 ℃；室外空氣相對濕度平均值為33%，變化范圍為16%～58%。該連續低溫工況的溫濕度變化如圖9所示。傳統空氣源熱泵在室外空氣溫度高于-3 ℃時，均可安全可靠運行[20]，而這一期間低于-3 ℃的工況時間占比達到了80%，因此重點分析最冷測試日系統的性能，考察系統在最不利室外氣象條件下的性能表現。

圖9 最冷測試日室外溫濕度參數變化Fig.9 Variation of outdoor temperature and humidity parameters in the coldest test days

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[21]的規定，冬季室內舒適性溫度參數為18～22 ℃，采取地板輻射供暖時室內溫度范圍比規范中設定值略低，為16～20 ℃。最冷測試日，室外溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃，室內所有測點瞬時環境溫度始終不低于16.4 ℃，室內工作區域溫度t1.1平均值為21.4 ℃，在室外溫度為-10 ℃時，測試位置3(帶外窗房間)的t1.1出現10 min瞬時溫度為17.9 ℃的情況，除此之外的全部時刻，各測試位置的工作區域瞬時溫度均大于18 ℃。如圖10所示，計算3個測試位置同一高度所有瞬時溫度的平均值分析垂直空間溫度分布，隨著高度增加，室內平均溫度不斷降低，地板表面平均溫度變化范圍為26.1～31.2 ℃，最高處平均溫度變化范圍為18.0～22.1 ℃，室內不同高度溫度差異較小，供熱效果良好。

圖10 垂直空間溫度分布Fig.10 Temperature distribution in vertical space

根據式(5)和式(6)計算最冷測試日室內各測試位置局部不滿意率，結果如表5所示。經計算可得，最冷測試日室外溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃時，室內LPD1、LPD2全部處于Ⅰ、Ⅱ級標準范圍，人員對室內環境的滿意度較高。

表5 最冷測試日室內各位置局部不滿意率Tab.5 Local dissatisfaction rate of indoor locations in the coldest test days

2.3 最冷測試日運行性能

在滿足供暖需求的前提下分析系統在最冷測試日的運行特點。圖11所示為最冷測試日不同環境溫度下機組瞬時制熱量、瞬時功率以及瞬時COP的變化情況。隨環境溫度上升，3者均呈上升趨勢；瞬時功率變化范圍為2.9～3.3 kW，平均值為3.2 kW；瞬時制熱量變化范圍為6.1～10.9 kW，平均值7.7 kW。瞬時COP變化范圍為1.91～3.49，平均值為2.41。

圖11 最冷測試日瞬時制熱量、瞬時功率及瞬時COP 隨環境溫度的變化Fig.11 Variation of instantaneous heating capacity,instantaneous power and instantaneous COP with ambient temperature on the coldest test day

如圖12所示，測試周期內系統瞬時能效系數COP出現過低于GB 29541—2013《熱泵熱水機(器)能效限定值及能效等級》[22]中規定的能效限定值，可通過配置高制熱能力熱泵或與壁掛爐等多種能源聯用，改善冬季最不利工況下的制熱性能、提高用戶用熱體驗。3個測試位置的t1.1平均值為21.4 ℃，高于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[21]中規定的最小值18 ℃。

圖12 瞬時COP、供水溫度、室外溫度、工作區域溫度隨時間變化Fig.12 Variation of instantaneous COP,water supply temperature,outdoor temperature and working area temperature with time

如圖13所示，COP隨供水溫度和室外溫度之差(tsupply-tw)的增大而減小。當供水溫度和室外溫度之差集中在36.5～45.2 ℃時，機組瞬時COP集中在2.01～3.49。

圖13 供水與室外溫度之差對瞬時COP的影響Fig.13 Influence of difference between water supply and outdoor temperature on instantaneous COP

圖14所示為供水溫度對機組性能的影響。在實際工況中篩選室外溫度和室內辦公區域溫度基本相同的工況，分析COP、能耗(功率)隨供水溫度變化的規律。以室外溫度(0±0.2)℃，室內工作區域溫度(22.5±0.2)℃的工況為例，若供水溫度從38.5 ℃降至約36 ℃，瞬時COP呈上升趨勢；能耗由3.17 kW降至3.07 kW，節能3.3%。相同室外溫度下，在保證室內供暖達標的基礎上適當降低供水溫度，可降低機組能耗，使系統更節能。

圖14 供水溫度對機組性能影響Fig.14 Influence of water supply temperature on unit performance

圖15所示為供回水平均溫度與室外溫度之差和熱泵瞬時COP的關系。室外環境溫度與水箱溫度分別影響熱泵機組蒸發器和冷凝器的換熱情況，以供回水平均溫度代表水箱溫度，分析供回水平均溫度ta與室外溫度tw之差變化同熱泵運行能效系數COP的關系。熱泵瞬時COP隨供回水平均溫度與環境溫度之差的增大而減小，系統穩定運行時溫差范圍集中在34～43 ℃，此時機組瞬時COP集中在1.92～3.19。

圖15 瞬時COP隨(ta-tw)的變化Fig.15 The variation of instantaneous COP with (ta-tw)

3 結論

本文對新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統在天津市進行了76 d現場測試，并對該系統的實際供暖效果及運行性能進行了分析。得到如下結論：

2)最冷測試日時，室內工作區域瞬時溫度t1.1的平均值為21.4 ℃。在室外溫度為-10 ℃時，室內工作區域共出現10 min瞬時溫度為17.9 ℃的情況，除此之外的全部時間室內工作區域瞬時溫度均大于18 ℃。計算用戶局部不滿意率，室內LPD1、LPD2全部處于Ⅰ、Ⅱ級標準范圍，人員對室內環境的滿意度較高，不會出現忽冷忽熱的不適感。新型通水地板耦合空氣源熱泵輻射供暖系統在北方寒冷地區運行時，可以滿足冬季供暖需求。

3)最冷測試日時，環境溫度變化范圍為-10.1～2.1 ℃，相對濕度變化范圍為16%～58%。此時系統瞬時制熱量變化范圍為6.1～10.9 kW，瞬時功率變化范圍為2.9～3.3 kW，瞬時COP變化范圍為1.91～3.49。以室外溫度0 ℃，室內工作區域溫度22.5 ℃時工況為例，若供水溫度從38.5 ℃降至36 ℃，系統的實際供暖溫度仍高于規范中的室內設計溫度，但能耗由3.17 kW降至3.07 kW，節能3.3%，瞬時COP也呈上升趨勢。因此，在滿足室內供暖溫度和熱舒適性的前提下，根據用熱端負荷需求情況調控供暖負荷，是使系統進一步節能的可行研究方向。