空氣源熱泵直接地板輻射采暖實驗研究

崔明明 馬國遠 曹瑞林 黨鵬飛 許樹學

1. 北京工業大學 北京 100124；

2. 中國家用電器研究院 北京 100037

0 引言

我國建筑能耗占社會總能耗的30%，其中占比最大的采暖和空調占建筑總能耗的50%以上[1]。采用燃燒礦物燃料的方式，致使每年產生數千萬噸的粉塵和各類污染物，嚴重影響經濟可持續性發展和人們的身體健康[2]。推動采暖設備的節能改造已成為實現低碳發展的重要研究方向。現有家用熱泵空調系統，較為常用的末端包括強制對流換熱和自然對流。其中，強制對流換熱單元存在吹風感強、噪聲大以及垂直溫度梯度大等問題，采暖體驗較差。

針對以上問題，研究者提出了自然對流供暖末端，舒適性得以提高。自然對流供暖末端包括散熱器、毛細管網末端等，與傳統空氣源熱泵室外機結合，具有能耗降低、舒適性提高的效果[3]。自然對流換熱末端的研究主要有三個方向：散熱器、毛細管網以及熱管。Kang Weibin等人介紹了一種結合太陽能和相變儲熱（PCTS）的毛細管輻射終端，并進行了實驗研究，結果顯示該系統能夠滿足室內供熱需求，熱舒適度可達A級[4]。周斌等人對上海地區某辦公建筑空氣源熱泵散熱器供暖系統進行了研究，結果表明，該供暖系統的COP約為1.81，室內平均溫度為21℃；與常規供暖系統相比，空氣源熱泵散熱器供暖方式的系統制熱COP偏低，但室內溫度較穩定，豎直溫差較小，溫升速率較慢[5]。但是現有的自然對流換熱末端都有各自的不足。散熱器供暖具有COP偏低、溫升速率較慢的缺點；毛細管網供暖則因其存在結露和供冷能力不足的問題，很難在高溫高濕地區應用。而針對目前強制對流換熱末端所存在的舒適性缺點以及自然對流換熱末端很難滿足所有應用場景的問題，地板輻射采暖成為了新的研究方向。

地板輻射采暖相較于傳統的取暖方式，室內溫度分布均勻，局部溫差小，具有舒適、節能等特點，能夠充分利用工業余熱、建筑廢熱等低品位能源[6,7]。徐維提供了一種以空氣源熱泵制取熱水，地板埋管為末端的冬季采暖方式，并對其進行了為期93天的實地測試。結果顯示：室內0.1 m、1 m、1.5、2 m高度處溫度的平均值分別為20.48℃、19.26℃、18.75℃、18.01℃，呈現相對穩定的下暖、上涼的溫度場[8]。而直接地板輻射采暖相較于普通地板輻射采暖又省去了二次換熱過程，在很大程度上提高了熱泵能效[9]。魏新利等人建立了以制冷劑為熱媒的空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統實驗平臺。結果表明，在鄭州地區冬季條件下，地板輻射供暖地表溫度達到26.5℃，室內溫度維持在21.8℃，波動分別為0.2℃和0.3℃，空氣源熱泵直接地板輻射供暖預熱時間80 min[10]。黃靈世等人對多功能多聯式一體機進行地暖實驗，對舒適性指標以及熱阻、水流速和室內設定溫度對耗電量的影響進行了研究分析，并提出了一種節能運行模式[11]。李永斌運用動態投資管理原理對空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統進行了經濟對比分析。結果表明，系統COP為3.36，能效較高，且系統初投資為30.14萬元，年運行費用為1.19萬元，相比于常規集中供暖系統具有一定經濟性優勢。而相比于分體式空調以及電加熱采暖，系統初投資及運行費用都較高[12]。但直供式地板供暖的舒適性高于上述兩種系統。綜合來看，直接地板輻射采暖系統具有經濟、環保、舒適性上的獨特優勢。

同時，空氣源熱泵在低溫高濕環境下運行制熱工況時，存在其室外空氣側翅片管換熱器表面結霜這一難題。郭憲民等人對結霜工況下空氣源熱泵的動態特性進行了數值模擬，并在室外環境空氣溫度及相對濕度分別為-15℃～3℃和50%～90%范圍內對一臺空氣源熱泵空調器的動態性能進行了實驗研究，結果表明，在室外換熱器表面結霜的初始階段，熱泵系統的制熱量及性能系數均有所提高，但在結霜的后期，熱泵性能迅速衰減[13]。國內外學者對此做出了很多研究，除霜方式主要分為機械除霜以及熱力除霜，機械除霜包括機械刮除、高壓氣流噴掃、超聲波破碎等，熱力除霜方法包括壓縮機停機除霜、電加熱除霜、熱水噴灑除霜、熱氣旁通除霜以及逆循環除霜等。其中逆循環除霜具有系統改造簡單、除霜時間短、除霜效率高、不需要外加輔助熱源等諸多優點，其已成為空氣源熱泵應用最為廣泛的除霜方法[14]。

針對目前空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統所存在的系統性能標準不明確以及工程實踐稀少、實地測試數據較少的問題，本文設計并搭建了空氣源熱泵直接地板輻射采暖實驗系統，并對其在不同環境溫度下的運行特性、能效以及保溫效果進行了實驗研究，側重于分析地板直接供暖系統的熱工性能，為地板輻射采暖系統的設計及推廣應用提供參考。

1 實驗系統

1.1 實驗原理

空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統原理如圖1所示。分為供暖房間和空調室外機兩部分。包括壓縮機、電磁閥、冷凝器（地暖盤管）、流量計和蒸發器等。制冷劑經壓縮機1后成為高溫高壓氣體，經電磁閥2進入地暖盤管3冷凝放熱供暖，而后流經節流裝置5進入室外蒸發器6，吸熱變為低溫低壓氣體流回壓縮機完成循環。

圖1 空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統圖

1.2 實驗設備

為減小焓差室內的風機影響，采用彩鋼板搭建了2.5 m×4 m×2.2 m的封閉實驗房。實驗房的地板結構如圖2所示。地板構造包括聚苯乙烯隔熱板，地暖專用反射膜，混凝土填充層，水泥地面。圖3所示為地暖盤管鋪設現場圖片。其中，綠色管路即為地暖盤管，下方銀色膜為地暖專用反射膜。本實驗系統空氣源熱泵室外機采用的是市場成品外機，其主要參數如表1所示。此外，實驗所用到的測量儀器有熱電偶、壓力傳感器、功率計和流量計，其量程及精度范圍如表2所示。且根據誤差分析，實驗的不確定度為1.69%。

圖2 地板構造結構圖

圖3 地暖盤管鋪設圖

表1 熱泵室外機主要參數

表2 測量儀器及精度

2 實驗方案

2.1 測點分布

需要直接測量的數據主要有功率、溫度、壓力以及制冷劑流量。溫度測量采用10個熱電偶，分別為房間內部中心垂直分布的五個測點，地面對角線兩個測點以及冷凝器進出口溫度和吸氣溫度。房間內部垂直溫度測點如圖4所示。壓力傳感器共3個，分別設置于冷凝器進出口和壓縮機進口處。用流量計對冷凝器出口處制冷劑流量進行實時記錄。

圖4 室內溫度測點圖

2.2 實驗方法

調節室外側環境溫度為-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃，房間內溫控器設置為20℃。具體實驗步驟如下：①啟動焓差室并將室外側環境溫度穩定為所需溫度；②啟動計算機自動數據采集系統，設置數據采集時間間隔為10 s，設置房間內溫控器為20℃，開啟地暖系統；③室內溫度穩定在20℃左右半小時以上后，重新啟動計算機自動數據采集系統并關閉地暖系統，采集停機后數據；④整理分析數據。

2.3 系統性能系數計算

系統COP為地暖盤管供熱量Q與壓縮機功率之比，其中地暖盤管供熱量Q由制冷劑質量流量qm與制冷劑進入地暖盤管前后焓差乘積得到。而制冷劑質量流量qm則由流量計測得的制冷劑體積流量qv與相應溫度和壓力下查得的制冷劑密度乘積得到。

3 實驗結果及分析

3.1 室內溫度變化情況

圖5 和圖6分別為室外側溫度-10℃時，室內溫度隨時間變化圖和穩定后室內溫度分布圖。圖5中室內溫度由房間內部中心垂直分布的五個測點溫度求平均數得到。由圖5可以看出，溫度上升速率呈現遞減趨勢，隨著室內溫度的升高，溫度上升的速率越來越慢，直到最后在20℃上下震蕩并趨于穩定，系統供暖預熱時間為120 min。由圖6可以看出，地暖系統也有其采暖優勢，室內垂直溫度分布均勻。除距地面5 cm處溫度較高外，其余四個高度的溫度大致相同，熱舒適性較好。由此工況下的溫升效率和預熱時間可以推斷，當室外環境溫度變化時系統趨勢是不變的，預熱時間會有一定波動，但時間仍相對較短，能夠滿足一般家庭用戶供熱需求。同時不同工況下室內溫度分布有小幅波動，但整體均勻性不會改變，室內熱舒適性良好。

圖5 室外溫度-10℃時室內溫度隨時間變化圖

圖6 0℃穩定狀態下室內溫度分布圖

3.2 能效分析

圖7為室外環境溫度-10℃系統能效隨時間變化圖。地暖系統啟動后，壓縮機功率以及制熱量逐步上升。壓縮機功率在系統運行120 min左右后穩定，隨后制熱量在150 min左右逐步穩定。同時，系統瞬時COP隨功率上升而逐步下降，在系統運行120 min左右后保持穩定。出現這種現象的原因是，系統開機后室內溫度較低，負荷大，故變頻壓縮機頻率增大從而使得功率不斷上升帶動制熱量不斷上漲。隨之上升整個運行時間內，地暖系統COP保持在3.6～4.0之間，且最終穩定在3.65左右。通過隨時間變化圖的分析可以看出，隨著地暖系統開機后壓縮機功率的上漲，系統COP下降并最終趨于穩定。

圖7 -10℃系統制熱量/功率/COP隨時間變化圖

為研究不同室外環境溫度下實驗系統的運行能效，在只改變環境溫度的條件下進行了五組對比實驗，圖8和圖9分別為不同室外溫度系統穩定狀態下制冷劑流量對比圖和能效對比圖。室外環境溫度越高，系統制熱量越低，COP越高。隨著室外環境溫度的提升，地暖系統穩定后功率和制熱量呈現穩步下降的趨勢，而COP呈現上升趨勢。隨著室外溫度的提升，整個系統的負荷下降，變頻壓縮機自行降低輸出頻率使得壓縮機功率降低，制熱量隨之降低。同時，制熱量降低幅度小于功率降低幅度，故系統COP隨溫度上升而上升。室外溫度-10℃時系統穩定功率約為1.62 kW，COP約為3.65；室外溫度10℃時系統穩定功率約為1.24 kW，COP約為4.25。在我國大部分地區，-10℃已經是冬季較低氣溫，而在此溫度下，空氣源熱泵直接地板供暖系統的COP仍能保持在3.6以上，說明系統性能優秀，能效較高。而環境溫度更高時，系統COP也隨之升高，系統能效提升。說明空氣源熱泵直接地板供暖系統能夠滿足我國大部分地區的冬季供暖需求。

圖8 不同室外溫度制冷劑流量對比圖

圖9 不同室外溫度系統制熱量/功率/COP對比圖

3.3 蓄熱效果分析

地暖系統相較于其他方式的優勢之一是其具有一定的蓄熱效果，在停機后室內溫度仍可保持一段時間，溫度降低速率較慢。為研究地暖系統的蓄熱效果，在地暖系統將室內溫度升至20℃穩定后關閉系統，記錄關機后室內溫度及地面溫度變化。圖10為室外溫度0℃時關機后室內溫度與地面溫度隨時間變化圖。其中，室內溫度取五個測點的平均溫度為特征溫度，地面溫度則由兩個地面測點求平均數得到。

圖10 0℃系統關機后地面和室內溫度隨時間變化圖

由圖10可以看出，在系統關機后地面溫度快速下降，但下降速率呈現遞減趨勢，在關機120 min后地面溫度仍在15℃以上。同時，室內溫度變化趨勢與地面溫度相同，但下降速度更慢，在關機120 min后室內溫度仍可保持在12℃以上。在室外環境溫度為0℃的情況下，地暖系統的蓄熱效果可以使得室內溫度在系統關機120 min后仍保持在12℃左右，可以看出其蓄熱效果的優勢。當環境溫度改變時，地暖系統由于其蓄熱主要是地板的熱惰性高，能夠儲存一定熱量，所以蓄熱能力幾乎無變化。但由于熱量散失速度與環境溫度息息相關，故降溫速度會有變化。但對比集中供熱式系統和常規空調系統仍具有明顯的蓄熱優勢，仍可在系統關停后減慢室內溫降速度。

4 結論

搭建樣機和實驗小室，對空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統進行了實驗研究，結果如下：

（1）空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統對室內進行供暖時，室內溫度上升較快，系統預熱時間較短，并且室內溫度垂直分布均勻，熱舒適性良好。

（2）室外環境溫度對系統功率和COP有直接影響，隨著室外環境溫度的提升，地暖系統穩定后功率呈現穩步下降的趨勢，而COP呈現上升趨勢。當系統穩定工作保持室內溫度為20℃后，系統COP在3.6～4.2之間。環境溫度為-10℃時，系統穩定工作COP為3.65；環境溫度為10℃時，系統穩定工作COP為4.25。系統能效優異，能夠滿足全國大部分地區的供暖需求。

（3）空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統具有較好的蓄熱效果，在系統停機后可以延緩室內溫度的下降。環境溫度為0℃時，系統關機120 min后，室內溫度仍在12℃以上，蓄熱效果較好。在不同環境溫度下，空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統對比常用的集中式供暖系統和獨立空調系統都具有一定的蓄熱優勢。