天津大學(xué) 邢金城 趙宇新 凌繼紅 楊秩勛

天津市建筑設(shè)計(jì)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(huán)境污染問題，在京津冀農(nóng)村地區(qū)，廣泛開展了空氣源熱泵供暖代替燃煤供暖的工作?；谶@一現(xiàn)狀，空氣源熱泵系統(tǒng)在北方農(nóng)村住宅的應(yīng)用研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。空氣源熱泵的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在清潔環(huán)保、高效節(jié)能、電網(wǎng)升級費(fèi)用低、舒適安全、操作簡單、清潔衛(wèi)生等幾個(gè)方面[1]。曹宇婷等人對空氣源熱泵在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用的制熱性能進(jìn)行了測試，連續(xù)4天對北京市昌平區(qū)的某農(nóng)戶進(jìn)行測試，室外平均溫度為-7.49 ℃，測試房間的平均室內(nèi)溫度為16.91～18.65 ℃，室內(nèi)舒適度較好，基本能滿足農(nóng)村居民生活要求[2]。李愛松等人對北京農(nóng)村空氣源熱泵供暖項(xiàng)目作了運(yùn)行實(shí)測，其中系統(tǒng)COP大于1.8的項(xiàng)目占比達(dá)到80%以上，表明空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果是可觀的，且末端散熱效率對熱泵系統(tǒng)能效的影響非常顯著，在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮[3]。周海艦等人對15個(gè)典型農(nóng)村住宅中安裝的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了長期監(jiān)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(yùn)行費(fèi)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(tǒng)不同末端形式進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)地板輻射盤管用戶比散熱器用戶的運(yùn)行費(fèi)用低[5]。Su等人通過對北京農(nóng)村空氣源熱泵用戶進(jìn)行問卷調(diào)查，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究用戶的滿意程度，認(rèn)為總的價(jià)格相對于產(chǎn)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(tǒng)不同散熱末端的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為地板輻射末端熱舒適性最好，新型金屬散熱器、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)盤管、地板輻射供暖運(yùn)行費(fèi)用分別比鑄鐵散熱器高25%、28%、43%，且在“煤改電”項(xiàng)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(fù)合熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，得到該系統(tǒng)在供暖季的平均COP為4.5，較空氣源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行提高了26%[8]。現(xiàn)有研究多為空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測分析，并沒有結(jié)合居民供暖的熱舒適要求，而且針對供暖末端為風(fēng)機(jī)盤管的研究較少。

筆者以天津地區(qū)成功實(shí)施空氣源熱泵供暖的某村為對象，進(jìn)行熱舒適調(diào)研，并對采用散熱器和風(fēng)機(jī)盤管為供暖末端的兩家農(nóng)戶進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)測。為消除被測試用戶的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、人員活動(dòng)情況和供暖習(xí)慣的差異對能耗的影響，后續(xù)采用EnergyPlus模擬方法，對采用不同供暖末端(散熱器和風(fēng)機(jī)盤管)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的熱舒適性和能耗進(jìn)行對比分析。

1 室內(nèi)熱舒適調(diào)查

1.1 測試內(nèi)容及方法

本次調(diào)研對象為武清區(qū)某村，調(diào)研時(shí)間為2017—2019年2個(gè)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(jī)走訪的形式對居民進(jìn)行了熱舒適問卷調(diào)查，并對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測試。問卷中關(guān)于受訪者主觀評價(jià)部分設(shè)置了6個(gè)關(guān)于熱感覺、熱期望、濕感覺、濕期望、吹風(fēng)感、吹風(fēng)期望的問題。被測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)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(shù)見表1。

表1 熱舒適調(diào)查測量參數(shù)與儀器

考慮到環(huán)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(biāo)來計(jì)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(diào)查分析

本次調(diào)研村莊共有200戶家庭，對其中72戶家庭進(jìn)行了熱舒適調(diào)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(nèi)環(huán)境參數(shù)和服裝熱阻分布

室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

表3給出了冬季熱泵供暖農(nóng)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(shù)的42.9%。

表3 服裝熱阻統(tǒng)計(jì)

1.2.2熱感覺MTS評價(jià)

圖1顯示了熱泵供暖農(nóng)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(dāng)前熱環(huán)境是接受的。

圖1 熱泵供暖農(nóng)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(guān)系。采用溫度頻率法(BIN法)對熱舒適現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系式：

MTS=0.35top-6.27

(2)

當(dāng)MTS=0時(shí)，可得到居民熱中性溫度為17.8 ℃；當(dāng)MTS=-0.5～0.5時(shí)，得到90%居民的可接受溫度范圍為16.4～19.2 ℃?？梢钥闯?，農(nóng)村居民對居住環(huán)境的熱舒適要求相對于GB/T50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(guān)系

2 空氣源熱泵系統(tǒng)供暖性能的監(jiān)測

2.1 建筑信息及系統(tǒng)形式

為了分析當(dāng)前空氣源熱泵實(shí)際供暖效果，選取末端分別為散熱器和風(fēng)機(jī)盤管的2戶典型住宅作為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測對象。被測用戶概況見表4，建筑平面及室內(nèi)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(jī)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(nèi)供暖末端分布

表5 被測用戶供熱系統(tǒng)信息

2.2 測試內(nèi)容及方法

系統(tǒng)供暖性能測試內(nèi)容包括典型房間室內(nèi)空氣溫度、供回水溫度、機(jī)組耗電量和系統(tǒng)循環(huán)水量。測試所用儀器及精度如表6所示。每戶農(nóng)宅選取3～5個(gè)房間對室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)房間布置2個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)設(shè)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(jī)組進(jìn)出水口布置供回水溫度測點(diǎn)，采樣間隔為2 min；機(jī)組耗電量由單相電表和電表數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為7 s；系統(tǒng)循環(huán)水量采用超聲波流量計(jì)測量。

表6 供暖性能測試儀器

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境監(jiān)測情況分析

測試時(shí)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(xù)供暖房間室內(nèi)溫度作加權(quán)平均，權(quán)重系數(shù)取各房間體積占比，得到散熱器用戶和風(fēng)機(jī)盤管用戶平均室溫，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯赫麄€(gè)測試期間散熱器用戶室內(nèi)日平均溫度為14.7～18.1 ℃，平均值為16.3 ℃；風(fēng)機(jī)盤管用戶全天連續(xù)供暖房間室內(nèi)日平均溫度為16.7～19.2 ℃，平均值為17.9 ℃。風(fēng)機(jī)盤管用戶室內(nèi)空氣溫度高于散熱器用戶。

圖4 測試期間散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶室內(nèi)平均溫度對比

2.4 典型日系統(tǒng)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(shí)間段的典型日進(jìn)行分析。

典型日散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶房間溫度和系統(tǒng)供回水溫度的變化如圖5所示。空氣源熱泵供暖系統(tǒng)控制方式如下：機(jī)組根據(jù)用戶設(shè)定的回水溫度進(jìn)行啟停操作，啟停溫差為±4 ℃，水泵定流量不間斷運(yùn)行。從圖5可以看出：散熱器用戶將回水溫度設(shè)定為48 ℃，風(fēng)機(jī)盤管用戶則將回水溫度設(shè)定為46 ℃，低于散熱器用戶；以散熱器用戶為例，當(dāng)回水溫度低至44 ℃時(shí)機(jī)組開啟，回水溫度升到52 ℃時(shí)機(jī)組關(guān)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(fēng)機(jī)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(xiàn)階段機(jī)組供回水溫度由人為控制，不能及時(shí)響應(yīng)室外溫度變化，導(dǎo)致室溫波動(dòng)較大，而且人為調(diào)節(jié)周期長。因?yàn)闊岜玫哪苄c供水溫度有很大關(guān)系，相對節(jié)能的控制方法是根據(jù)室外溫度所處區(qū)間值選擇相應(yīng)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(shè)定值，就會導(dǎo)致系統(tǒng)過量供熱，不僅造成浪費(fèi)，還會影響室內(nèi)的舒適性。

2.5 系統(tǒng)能效性能分析

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到的測試期間散熱器用戶和風(fēng)機(jī)盤管用戶能效性能參數(shù)如表7所示。測試期間系統(tǒng)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(tǒng)能效性能參數(shù)

圖6 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能系數(shù)COP與室外溫度逐日變化

由表7可知，2個(gè)被測用戶的平均回水溫度基本與各自設(shè)定值相等，平均供回水溫差接近2 ℃。風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)盤管末端與空氣進(jìn)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(qū)采用空氣源熱泵供暖時(shí)，除霜能耗所占比例較小。

從圖6可以看出，2個(gè)被測系統(tǒng)COP大部分時(shí)間保持在2以上，且系統(tǒng)COP變化趨勢與室外溫度變化趨勢基本一致。部分時(shí)間段不一致可能是由于末端開啟數(shù)量和時(shí)間由用戶控制，有一定變化。而且環(huán)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(fēng)機(jī)盤管用戶在測試期間各自系統(tǒng)的耗電量與制熱量的逐日變化。測試期內(nèi)散熱器用戶機(jī)組制熱量共計(jì)28.0 GJ，系統(tǒng)用電量共3 429 kW·h，其中水泵耗電量共265 kW·h，平均供暖負(fù)荷指標(biāo)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(fēng)機(jī)盤管用戶耗電量與制熱量的逐日變化

風(fēng)機(jī)盤管用戶客廳的風(fēng)機(jī)盤管基本處于長期關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)際供暖面積為45 m2，機(jī)組制熱量共計(jì)15.1 GJ，系統(tǒng)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(fù)荷指標(biāo)約為82.5 W/m2，日均單位建筑面積供暖電耗0.90 kW·h/(m2·d)?？梢钥闯鰞烧呷站鶈挝唤ㄖ娣e供暖電耗基本相同，但風(fēng)機(jī)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(shí)長等都會有差異，且連續(xù)監(jiān)測的為空氣溫度，而非室內(nèi)操作溫度。為了消除這些影響，本文用EnergyPlus模擬軟件進(jìn)行模擬分析，時(shí)間步長設(shè)為1 h[7]。在同一建筑環(huán)境中對比末端為風(fēng)機(jī)盤管和散熱器時(shí)兩者在室內(nèi)熱環(huán)境、系統(tǒng)供回水溫度、電耗上的差異。

3.1 模型建立與驗(yàn)證

用Open Studio建立了如圖8所示的散熱器用戶和風(fēng)機(jī)盤管用戶模型，參數(shù)設(shè)置與上文中實(shí)測調(diào)研結(jié)果一致。圖9顯示了2月12日散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶室內(nèi)逐時(shí)溫度和逐時(shí)耗電量的模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對比。

圖8 散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶模型圖

由圖9a可見：散熱器用戶室內(nèi)逐時(shí)溫度模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本一致，臥室A室內(nèi)溫度實(shí)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(tǒng)日耗電量模擬偏差為9.7%。由圖9b可見：風(fēng)機(jī)盤管用戶臥室A 13:00—18:00的室內(nèi)氣溫模擬值比實(shí)際值大，可能是由于這段時(shí)間該用戶臥室A與相鄰非供暖房間之間的內(nèi)門敞開導(dǎo)致臥室A室溫下降而熱負(fù)荷增大；若不考慮這段時(shí)間帶來的誤差，臥室A室內(nèi)溫度實(shí)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(tǒng)日耗電量模擬偏差為9.3%。

從以上結(jié)果可以得出，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)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(nèi)。因此，模擬數(shù)值可以代替實(shí)際數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)優(yōu)化分析。

3.2 模擬結(jié)果分析

機(jī)組回水溫度設(shè)定為35、40、45、50、55 ℃ 5種工況，模型均采用風(fēng)機(jī)盤管用戶的建筑模型，模擬初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期典型日的運(yùn)行情況，選取日平均室外氣溫接近對應(yīng)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(nèi)熱環(huán)境差異。由于居民平時(shí)在臥室的活動(dòng)時(shí)間最長，以臥室A室內(nèi)熱環(huán)境代表整個(gè)住宅的室內(nèi)熱環(huán)境。

各供暖階段典型日散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶在不同回水溫度下的逐時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境模擬結(jié)果如圖10～12所示。

根據(jù)前文熱舒適調(diào)研結(jié)果，天津地區(qū)90%農(nóng)村居民可接受的溫度下限為16.4 ℃。以此為基準(zhǔn)，得到各供暖階段典型日2個(gè)用戶所需的最低回水溫度及系統(tǒng)在對應(yīng)回水溫度下運(yùn)行時(shí)的當(dāng)日電耗，如表8所示。

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

表8 典型日散熱器用戶與風(fēng)機(jī)盤管用戶所需最低回水溫度及系統(tǒng)當(dāng)日電耗

4 結(jié)論

1) 通過熱舒適調(diào)研發(fā)現(xiàn)，天津地區(qū)空氣源熱泵供暖能滿足室內(nèi)熱舒適需求，97.2%的熱泵供暖居民對當(dāng)前熱環(huán)境是接受的；空氣源熱泵供暖時(shí)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(tǒng)性能測試期間散熱器供暖用戶室內(nèi)平均溫度為16.3 ℃；風(fēng)機(jī)盤管用戶室內(nèi)空氣溫度高于散熱器用戶，室內(nèi)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(fēng)機(jī)盤管用戶為0.90 kW·h/(m2·d)。與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，空氣源熱泵供暖供回水溫差小，散熱器用戶和風(fēng)機(jī)盤管用戶供回水溫差均在2 ℃左右。在測試期間，當(dāng)室外空氣溫度低至-5 ℃時(shí)，被測用戶系統(tǒng)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(nèi)舒適度前提下，末端為風(fēng)機(jī)盤管時(shí)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(yán)寒期典型日風(fēng)機(jī)盤管供暖相對散熱器供暖節(jié)能率可達(dá)26%，隨室外氣溫升高，二者電耗絕對值差距減小。

4) 由于現(xiàn)階段機(jī)組供回水溫度由人為控制，而非根據(jù)室外溫度來自行調(diào)控，導(dǎo)致測試期間用戶室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，也不利于節(jié)能。建議空氣源熱泵機(jī)組應(yīng)根據(jù)室外溫度變化建立相應(yīng)的回水溫度控制曲線，在滿足用戶熱舒適基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。