空氣源熱泵作為冷熱源的系統

1. 空氣源熱泵作為冷熱源的系統 地板取暖

2. 摘要 • 空氣源熱泵作為冷熱源的系統既解決了夏季空調的需要，又可在冬季提供舒適的溫水地板採暖。本實驗研究以上海地區的一棟獨立別墅住宅為對象，經過採暖期中一個月的實測，系統地測得了空氣源熱泵地板採暖的特性參數和運行能耗數據，把握了空氣源熱泵地板採暖的運行規律。本文基於實測數據，對上海地區將空氣源熱泵用于地板採暖系統進行技術經濟性分析。

3. 1 引言 • 　　大陸上海地區地處夏熱冬冷地區，日平均氣溫低於5℃的天數將近60天。不設採暖空調時，冬季室內溫度低於熱環境衛生學下限標準，影響工作 生活和健康。由於該地區經濟的發展和生活水準的提高，不但在夏季採用空調製冷已經相當普遍，而且對冬季的採暖需求也日趨增強。 • 　　空氣源熱泵夏季可製冷，冬季可提供低溫熱水。但冬季的低溫熱水在傳統的空氣-水空調系統中難以發揮出令人滿意的採暖效果，而低溫熱水（一般在40-45℃左右）理論上卻恰好滿足地板輻射採暖系統的需要，從而有可能使能源得到梯級利用，提高能源的利用效率。同時將夏季供冷和冬季供熱系統進行了合理整合。這樣的系統形式雖然已經在北方地區得到應用，但對於在不同地區的適用性尚有待研究。 • 　　對地板輻射採暖的研究在最近幾年得到展開，從傳熱模型的建立到實驗室測定，也有一些地區的實際住宅的實測報告。大多數研究重點在對系統傳熱特性的研究上。然而系統的實際運行效果及運行經濟性與熱源方式，建築圍護結構，地區氣候，居住習慣等諸多因素有關，系統的適用性尚有待進一步的考察驗證。為此，筆者於2003年冬季對上海地區的一幢獨立別墅住宅進行採暖期間的現場測試，系統地測得了空氣源熱泵用于地板採暖系統的特性參數，分析了在上海地區將空氣源熱泵用于地板採暖系統的技術及經濟的可行性。

4. 2 實驗概要 • 　　測試對象的住宅為上海地區的一幢三層別墅，建築面積約280 m²，地板採暖面積為164m²（總敷設率約為59%，對象房間敷設率接近100%）,地面裝飾材料為實木複合地板。牆體為厚240mm的空心磚牆（未做保溫），窗戶為鋁合金中空雙層玻璃窗。地板採暖採用濕式施工（混凝土預埋管），埋管採用PEX管，管徑規格為12/16mm（內徑/外徑），雙回型佈置，管間距150mm。本實驗重點考察了位於住宅中位於二層的一間臥室，房間約14 m²，有南北東三面外牆，一面內牆，南，北面各有一扇外窗。如圖1，圖2示。 • 　　系統採用空氣源熱泵作為冷熱源，夏季空調（水-空氣式）和冬季供暖（輻射地板採暖）整合為一個系統（圖3）。本實驗對地板，室內溫度，室外溫度，維護結構內表面溫度，供回水溫度，水流量，機組耗電量進行了測試，所有數據能實時觀察和自動記錄。

5. 圖1 測試對象房間埋管及測點佈置平面圖 圖2 測試對象房間斷面圖

6. 3.1 空氣源熱泵地板採暖系統的熱泵主機特性 　　空氣源熱泵冬季製熱供水溫度低，不足以滿足傳統的熱風系統熱交換的需要，一些產品則只好添置電加熱器助力。顯然這不符合節能高效原則。圖2目前大陸常見的溫水循環式地板輻射採暖系統熱源以壁掛式熱水鍋爐為主，在北方採用城市熱網集中供暖的地方可通過板式水-水換熱器換熱降溫後提供採暖溫水，但這些都是屬於高品位熱源的利用，而空氣源熱泵在冬季製熱工況下的供水溫度正好吻合地板輻射採暖的條件。把握空氣源熱泵的溫水循環及傳熱特性對於空氣源熱泵地板採暖系統的應用非常重要。

7. 圖3 風冷熱泵空調/地板採暖系統示意圖

8. 熱泵地板採暖的供回水溫度變化 • 　熱泵地板採暖的供回水溫度變化特性，測試時室外氣溫約為0.3℃，熱泵開機後，系統供回水溫度逐漸升高，經過4.5小時，供水溫度達到45℃，回水溫度達到35℃。開機後供回水溫差很快達到9.3℃，並穩定下來呈週期性的變化。實驗測得該熱泵機組的除霜間隔時間為45分鐘，除霜時間很短，約為2～3分鐘。除霜時，四通閥換向，進入製冷工況，室外風機停轉，壓縮機排氣直接進入翅片管換熱器，除去翅片表面的霜，供水溫度迅速降低（圖中供水溫度瞬間低於回水溫度是由於除霜反向運行所致）。雖然除霜時供水溫度明顯降低，但室溫及地板表面溫度下降幅度小，表明除霜期間對地板採暖效果影響不大，主要是因為除霜時間短，而溫水式地板採暖的熱容性較大。

9. 圖4 熱泵系統供回水溫度特性 圖5 燃氣爐熱源系統供回水溫度特性

10. 　　燃氣爐熱源方式的供水情況也進行了對比考察，結果是：燃氣爐供水溫度迅速達到設定值，回水溫度逐漸上升，供回水溫差有一個先增加再減小的過程（圖中供回水溫差較大是由於採用了不同於傳統埋管方式的板狀散熱結構的地板採暖系統，該系統的實驗內容另撰文介紹）。　　燃氣爐熱源方式的供水情況也進行了對比考察，結果是：燃氣爐供水溫度迅速達到設定值，回水溫度逐漸上升，供回水溫差有一個先增加再減小的過程（圖中供回水溫差較大是由於採用了不同於傳統埋管方式的板狀散熱結構的地板採暖系統，該系統的實驗內容另撰文介紹）。 　　風冷熱泵供水溫度漸近上升的特徵在一定程度上影響了地板的快速預熱能力及供暖能力。 　　空氣源熱泵需要採取除霜控制來保證系統在濕冷的氣候條件下正常運行，一般說來，當室外的相對濕度大於50％時，氣溫在-1～7℃左右最容易結霜[1]。 　　通過測試發現，空氣源熱泵機組隨室外溫度的變化，出現了三種工況並影響供水模式： 發生除霜的連續運行 　　當室外溫度較低，低於5.5℃左右時，機組按這種方式運行，除霜週期為45分鐘，除霜時間為2～3分鐘，雖然除霜時間很短，但除霜還比較乾淨。室外溫度較高時，除霜週期變長，除霜週期為45～60分鐘。 無除霜連續運行 　　隨著室外溫度的升高（5.5℃～7.5℃），室外盤管的溫度一直高於除霜設定的下限值，此時熱泵機組不需要除霜，機組連續運行。 過熱保護間歇運行

11. 圖6 空氣源熱泵的三種供水模式 圖7 室內環境條件（室外7.3℃,運行8小時後）

12. 當室外溫度繼續升高到7.5℃左右時，供水溫度達到50℃左右，出於對機組的保護，主機會自動停機，循環水泵仍工作，等供水溫度下降達到40℃左右以後，主機又開始工作，如此間歇運行，間歇週期不定，隨室外溫度升高，週期變短，由於地板採暖對水溫不敏感，為了不讓機組頻繁開關機，可以讓水溫的下限設定值更低一點，加大調節幅度。當室外溫度繼續升高到7.5℃左右時，供水溫度達到50℃左右，出於對機組的保護，主機會自動停機，循環水泵仍工作，等供水溫度下降達到40℃左右以後，主機又開始工作，如此間歇運行，間歇週期不定，隨室外溫度升高，週期變短，由於地板採暖對水溫不敏感，為了不讓機組頻繁開關機，可以讓水溫的下限設定值更低一點，加大調節幅度。 　　由於室外溫度不同，從而導致熱泵供水模式的不同，雖然圍護結構的蓄熱作用對溫度波有較大的衰減，但是室外溫度的降低還是引起室內溫度的明顯降低。筆者經過長達一個月的採暖工況測試，取幾次典型測試結果，以說明不同室外溫度時，室內溫度的差異，結果見表1。

13. 　表1中，比較1月25日（室外溫度2.8℃）與2月13日（室外溫度5.2℃），地板表面溫度的測試值前者高於後者，原因是其開機運行的時間後者較短，還沒有達到穩定工況。1月25日和2月13日的測試均是開機13小時後所測結果，此時地板採暖系統已基本穩定。從2月11～12日和2月13日的測試結果看，地板採暖房比非採暖房室溫高4.5℃左右。 表1 室外溫度對房間溫度的影響Table 1 Effect of out air temperature to Indoor temperature

14. 3.2 風冷熱泵為熱源的溫水式地板採暖效果及其影響因素分析 • 　　針對風冷熱泵的供回水溫度特性對地板採暖系統的供熱能力的影響問題，筆者通過長期的測試進行了探討，發現當室外氣溫在2℃～13℃變化時，空氣源熱泵地板採暖系統的室內溫度基本上處在15.5℃～19℃，地板表面平均溫度基本上處在20℃～24℃，溫熱感偏低。圖7，表2所列數據為熱泵開機運行8小時後所測。

15. 表2空氣源熱泵地板採暖效果 注：上表中的地板向上發熱量採用ASHRAE演算法【2】計算。 　　影響該系統的採暖效果的因素是多方面的，不僅和熱泵的供水特性有關，如供水溫度和流量，還和地板構造有關，如管徑，管間距，構造層厚度，地面敷設材料，保溫材料和厚度。此外，不容忽視的是圍護結構的保溫性的優劣程度嚴重影響了地板採暖系統的效果，特別是外牆和外窗的比例較大（如獨立別墅）的住宅。筆者在測試中發現，有三面外牆的房間室內溫度為15.5℃，同樓的只有兩面外牆的房間室內溫度為16.8℃，溫度要高1.3℃，可見圍護結構對地板採暖效果影響很大。

16. 構對地板採暖效果影響很大。 　　另外，從表2的數據得知，室內平均輻射溫度（地上1.1m）低於該點的空氣溫度，從表1得知，但室外氣溫降到3℃以下時室內溫度將難以達到冬季室內溫度設定下限值（16℃）。這是因為室內外牆多且圍護結構未做保溫，導致室內並未完全形成輻射採暖應具有的熱舒適環境。所以，採用地板採暖系統的建築應該執行夏熱冬冷地區節能規範，對外牆做保溫處理。這樣的問題應得到重視和研究。 　　對於空氣源熱泵地板採暖，由於室外溫濕度會影響熱泵除霜特性，進而影響供水溫度特性和COP，因此，室外溫濕度對空氣源熱泵地板採暖系統的影響要大於其他熱源方式的地板採暖系統。上述中的眾多影響因素綜合作用決定了地板採暖的效果。熱源方式和運行方式，建築圍護結構（保溫），供回水溫度，地板表面溫度，室溫和圍護結構的各內表面溫度，這些因素之間相互影響和作用，形成複雜的傳熱及耦合過程，限於篇幅，筆者將在別篇通過實驗和數值模擬詳細討論這個問題。 　　一般來說間歇運行條件下低溫熱水地板採暖系統預熱時間較長，本系統在開機的前5個小時內，有效發熱量與時間基本上呈二次曲線關係（圖9）。當室外溫度較低時，開機後11小時，回水溫度才穩定，系統達到穩定狀態（圖10）。預熱時間較長的特性在一定程度上限制了地板採暖系統的應用，即使採用不同的熱源方式，例如間歇運行條件下的電熱水鍋爐的地板採暖系統預熱時間一般也需要10～11小時【3】。地板採暖系統的預熱時間的短縮將成為地板採暖推廣應用的一個要素。

17. 圖8 空氣源熱泵地板採暖預熱特性 圖9 空氣源熱泵地板採暖預熱時間

18. 　從圖10，圖11看出，對於空氣源熱泵地板採暖，在開機後的前5個小時內，地板溫升和室溫溫升與時間的關係基本上呈線性關係。其上升的快慢與室外溫度，圍護結構保溫條件有關。蓄熱階段，地板溫降和室溫溫降與時間的關係在關機後的5個小時內也基本上呈線性關係。其下降的快慢也和室外溫度有關，室外溫度較高時，曲線下降變緩。　從圖10，圖11看出，對於空氣源熱泵地板採暖，在開機後的前5個小時內，地板溫升和室溫溫升與時間的關係基本上呈線性關係。其上升的快慢與室外溫度，圍護結構保溫條件有關。蓄熱階段，地板溫降和室溫溫降與時間的關係在關機後的5個小時內也基本上呈線性關係。其下降的快慢也和室外溫度有關，室外溫度較高時，曲線下降變緩。 圖10 地板表面溫度和室溫溫升 圖11 地板表面溫度溫降和室溫溫降

19. 3.3 運行能耗和經濟性 • 　　空氣源熱泵地板採暖可以採用連續運行方式和分時段連續運行方式，考慮到連續運行方式運行費用較高[4]，試圖找到一種既能滿足採暖舒適要求，又能節能的經濟運行模式。考慮到普通居民的作息時間安排，設立了一種分時段連續運行的模式，即當天凌晨03：00開機，運行4小時至早上07：00關機，下午16：00再開機，運行4小時到晚上20：00關機。圖12表明採用此種分時段連續運行模式，關機後室溫不會下降很多，室溫波動只有2℃。為了考察此種模式的運行能耗和經濟性，測試了熱泵機組的耗電量（耗功率），計算出COP，測試結果見表3。其中室內溫度一樓臥室（三面外牆）為15.5℃，一樓廚房（兩面外牆）為16.8℃。若以此種模式運行，按照上海的分時計價，每平方米每個月需要的採暖費為5.27元，100m²採暖住宅每月的採暖費約為527元（面積為採暖對象面積）。

20. 表3 空氣源 圖12 分時段連續運行採暖溫度的變化

21. 4 結論 • 　　通過對上海地區獨立別墅住宅的實測調查，初步把握了空氣源熱泵地板採暖系統的運行特徵和效果。通過分析得出下面的見解。 • 1）在上海現狀的大多數住宅保溫條件下（未保溫）室內溫度大多尚不能滿足採暖設計要求。當室外溫度在2℃～13℃變化時，空氣源熱泵地板採暖系統的室內溫度基本上處在15.5℃～19℃，地板表面平均溫度在20℃～24℃。採暖效果與圍護結構等眾多因素有關，週邊護結構的構成和保溫條件對室內空氣溫度影響較大，外牆未作保溫的室內平均輻射溫度低於空氣溫度。有兩面外牆的房間室溫比有三面外牆的室溫高1.3℃。 • 2）預熱時間較長。熱泵開機後，供回水溫度逐漸上升。室外溫度較低時，約經過11小時系統才基本穩定。系統的應用普及需要進一步探討速熱功能或運行方式。 • 3）空氣源熱泵的週期性除霜對系統供熱影響甚微。供回水溫度，水溫差呈週期性的變化，但短暫時間的除霜對地板採暖影響不會太大。 • 4）空氣源熱泵地板採暖受室外氣溫影響較大，隨室外氣溫的變化，會出現三種供水模式，除霜間隔時間可以適當拉長，避免頻繁融霜。由於地板採暖對水溫不敏感，可以將水溫的下限降低，調節幅度加大，避免頻繁開關機，影響機組壽命。 • 5）為了既達到採暖要求又節電減少運行費用，可以根據作息方式進行分時段連續運行模式。其運行的效果費用比的問題有待進一步研究。