喬桂楠,王 宇,李艷菊,李勝英,郭春梅
(1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院,天津 300384;2.天津住宅科學(xué)研究院有限公司,天津 300450)
空氣源熱泵在開采低品位可再生能源方面起著重要作用,“十三五”期間,隨著京津冀一體化進(jìn)程和壓縮燃煤治理霧霾的推動,空氣源熱泵在替代分散燃煤方面將起到關(guān)鍵作用,從現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備性能看,基本上具備寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用的條件。對于住宅熱水供暖系統(tǒng),可以采用35 ℃熱水小溫差換熱末端達(dá)到室內(nèi)舒適性要求,由此可以大大拓寬寒冷地區(qū)的適應(yīng)性及節(jié)能性[1]。
廣大的北方嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū),地板輻射供暖已經(jīng)應(yīng)用到各類建筑當(dāng)中,已成為目前我國常用的供暖形式之一。低溫地板輻射供暖將輻射熱量直接投射到人體,在建立同樣舒適條件的前提下,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可以比對流供暖時(shí)降低2~3 ℃,由此可降低室內(nèi)外空氣對流熱損失,從而供暖熱負(fù)荷可減少10%~15%,供暖季耗熱量降低13%~22%[2]。低溫輻射供暖的換熱溫差小,熱媒水溫度低,可以合理利用太陽能、空氣能等低品位熱源[3-4]。
新型通水式輻射地板基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,上部是卡扣式可換面層,中間是通水基板,下部分為擠塑保溫板,并由連接管、異型螺母、水連接件等連接起來。每條通水地板中,有12個(gè)通道,多孔通水道小于9 mm,保證內(nèi)壓與外壓的承重力。循環(huán)水與地表面垂直距離只有3.5 mm,地板熱阻很小,開始供暖后房間溫度上升比較快。在通水基板下鋪設(shè)厚度3 cmXPS(擠塑聚苯板)保溫層,具有絕熱性、隔音性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,在不同供水溫度工況下,供水溫度分別為30,35,40 ℃時(shí),單位面積散熱量分別在 30~35,49~55,70~76 W/m2范圍內(nèi)變化[5-6],均能滿足JGJ 142-2012輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程[7]中的相關(guān)規(guī)定。
圖1 新型通水式輻射地板結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural style of the new type water-passing radiant floor
由此可見,空氣源熱泵是作為輻射供暖系統(tǒng)的有效熱源設(shè)備之一,而新型通水板作為輻射供暖末端,其敷設(shè)方式相比傳統(tǒng)地板輻射形式具有更均勻的加熱表面,因而與供暖空間換熱效果會進(jìn)一步提升,可以進(jìn)一步降低熱媒水溫,進(jìn)而提高空氣源熱泵運(yùn)行能效[8]。本研究針對天津地區(qū)典型辦公建筑的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測,通過運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了該空氣源熱泵與新型輻射地板集成系統(tǒng)的運(yùn)行性能。
本次研究項(xiàng)目位于天津市某單位辦公樓,共有4層,建筑面積1 208 m2,地面均勻敷設(shè)新型通水式輻射地板。該辦公建筑為既有廠房改造建筑,主體建筑材料為24空心磚,樓體西側(cè)、北側(cè)外墻無保溫,傳熱系數(shù)為1.3 W/(m2·K);樓體東側(cè)、南側(cè)外掛大理石巖棉保溫(大理石2 cm,巖棉 10 cm),傳熱系數(shù)為 0.34 W/(m2·K),外窗采用PVC塑料低輻射中空單層玻璃,導(dǎo)熱系數(shù)為2.0 W/(m2·K)。選取其中的兩間典型房間(辦公室、會議室)進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)測,如圖2所示。
圖2 建筑模型及測試房間平面Fig.2 Building model and test room plan
室內(nèi)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算主要依據(jù)文獻(xiàn)[9]中對于辦公建筑單位面積熱指標(biāo)的推薦值(60~80 W/m2),考慮到該建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能,將單位面積熱指標(biāo)確定為70 W/m2,進(jìn)而得到該建筑的冬季熱負(fù)荷約為84.6 kW。確定熱負(fù)荷后對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行選型,選取兩臺-7 ℃制熱量為43.8 kW的空氣源熱泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行,熱泵機(jī)組制熱參數(shù)見表1。
表1 空氣源熱泵機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of air source heat pump unit
供暖系統(tǒng)原理如圖3所示。兩臺空氣源熱泵并聯(lián)運(yùn)行,熱媒水由熱泵接至各樓層分水器,通過新型通水地板對室內(nèi)進(jìn)行供暖。該辦公建筑在非辦公時(shí)間也有人員活動,供暖系統(tǒng)全天運(yùn)行,在室內(nèi)活動人員較少的節(jié)假日期間會適當(dāng)降低熱媒水的供水溫度以及未使用房間的末端熱媒水流量。
圖3 供暖系統(tǒng)原理Fig.3 Schematic diagram of the heating system
通過測量熱泵機(jī)組的流量、供回水溫度以及電功率來確定系統(tǒng)供熱量、耗電量以及能效比;通過在典型房間布置測點(diǎn)測量室內(nèi)溫濕度分布情況來分析室內(nèi)的供暖效果。
運(yùn)行能耗涉及測點(diǎn)布置如圖4所示,在空氣源熱泵機(jī)組供回水干管上安裝了熱電阻溫度傳感器;并在回水干管上安裝了渦輪流量計(jì)用來測量循環(huán)水流量;采用功率計(jì)量儀確定每臺機(jī)組的電功率。所測參數(shù)設(shè)置為每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù),最終連接至彩色無紙記錄儀讀取數(shù)據(jù)。
圖4 能耗測點(diǎn)布置示意Fig.4 Schematic diagram of energy consumption test point arrangement
主要涉及的測量儀器及參數(shù)見表2。依據(jù)JGJ/T 347-2014建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)[10]對典型房間做了溫濕度測點(diǎn)布置,如圖5,6所示:在房間中心的地板表面布置了1個(gè)溫度測點(diǎn);在辦公室、會議室分別放置了4,3個(gè)測桿,并根據(jù)室內(nèi)人員的主要活動情況在每個(gè)支架上布置了5個(gè)測點(diǎn),高度依次為 0.1,0.6,1.0,1.7,2.2 m,分別對應(yīng)人體部位的腳踝、坐姿腹部、站姿腹部/坐姿頭部和站姿頭部以及房間上部;在辦公室工位和會議室1.0 m高度處分別布置了6,1個(gè)溫濕度測點(diǎn)。溫濕度自記儀每隔5 min自動記錄一次數(shù)據(jù)。
表2 測試儀器性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of test instrument
圖5 辦公室測試現(xiàn)場及測點(diǎn)布置Fig.5 Office room test site and test point arrangement
圖6 會議室測試現(xiàn)場及測點(diǎn)布置Fig.6 Conference room test site and test point arrangement
測試期間室外溫度變化范圍為-9.7~14.2 ℃,統(tǒng)計(jì)了測試期間2月4日~3月5日共30天的全部有效數(shù)據(jù),其中包含了熱泵機(jī)組的除霜工況對實(shí)際耗電量、供熱量的影響。
通過分析日耗電量、單位面積供熱量與室外溫度的關(guān)系如圖7所示。從圖可以看出,測試期間日耗電量變化范圍為506~941 kW·h,平均值為707.7 kW·h;單位面積供熱量范圍為50~65 W/m2,平均值為54.6 W/m2;耗電量和供熱量隨室外平均溫度升高而降低。
圖7 日耗電量、單位面積供熱量與室外溫度關(guān)系Fig.7 Relationships between daily power consumption,heating capacity per unit area and outdoor temperature
輻射供暖系統(tǒng)及熱泵機(jī)組的能效如圖8所示(其中COPsys為系統(tǒng)能效,COP為不含水泵能耗的熱泵機(jī)組能效)??梢钥闯?,COPsys在1.8~2.5之間,平均值為2.20,忽略水泵能耗后,熱泵機(jī)組的COP可提升6%~10%左右。
圖8 日平均COP變化Fig.8 Daily variation of COP
測試期間系統(tǒng)最不利工況出現(xiàn)在2月11日,當(dāng)日室外干球溫度-9.7~-0.8 ℃,相對濕度10%~26%,氣候呈現(xiàn)“干冷”的特點(diǎn),對機(jī)組進(jìn)行低溫低濕工況可靠性分析如圖9,10所示。可以看出,該日機(jī)組耗電量基本處于穩(wěn)定狀態(tài),日間的供熱量高于夜間的供熱量,并且出現(xiàn)幾次供熱量為負(fù)值情況,為熱泵機(jī)組在處于除霜運(yùn)行模式。機(jī)組供水溫度在28.4~36.0 ℃之間,平均供水溫度為 34.0 ℃。將供水溫度下降的時(shí)間 A,B,C,D,E,F(xiàn)視為機(jī)組除霜運(yùn)行時(shí)間,每次除霜1~2 min,除霜后機(jī)組切換回供熱狀態(tài)。
圖9 耗電量、供熱量及室外溫度變化Fig.9 Hourly variation of power consumption,heating capacity and outdoor temperature
圖10 最冷日供回水溫度變化Fig.10 Hourly variation of supply/return water temperature
根據(jù)計(jì)算,該日供熱量為75.1 kW,耗電量為32.9 kW,COPsys為 2.3。
圖11示出該日室內(nèi)平均溫度變化范圍,可以看出,室內(nèi)溫度均在21.0 ℃以上,達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定溫度,供暖效果良好。
圖11 室內(nèi)平均溫度變化Fig.11 Hourly variation of average indoor temperature
以辦公室室內(nèi)工位溫度、會議室1.0 m處溫度表征室內(nèi)平均溫度,測試期間室內(nèi)平均溫度變化情況如圖12所示??梢钥闯觯k公室平均溫度變化范圍為21~28 ℃,平均溫度為25.0 ℃;會議室平均溫度變化范圍為18~26 ℃,平均溫度為22.9 ℃。
圖12 室內(nèi)溫度變化Fig.12 Daily variation of indoor temperature
測試期間房間不同高度的測點(diǎn)溫度變化情況如圖13所示。室內(nèi)0.1 m處地表溫度最高,1.0,1.7 m處溫度最低,2.2 m處溫度有一定的回升,同一位置不同高度的溫差最高為3.3 ℃。
圖13 室內(nèi)垂直溫度變化Fig.13 Variation of indoor vertical temperature
室內(nèi)空氣的溫濕度以及空氣流動速度等因素共同決定了在某一特定環(huán)境下人體的熱舒適度,由于輻射供暖不會出現(xiàn)冷吹風(fēng)感,所以主要考慮溫度對熱舒適性的影響。
根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算每天的不滿意率結(jié)果如圖14所示。辦公室地板表面溫度局部不滿意率LPD1=18.52%處于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),66.67%處于Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn),14.81%處于Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn),垂直空氣溫度差LPD2均處于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn);會議室地板表面溫度局部不滿意率LPD1處于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)和Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的比例分別為89.66%和10.34%,垂直空氣溫度差局部不滿意率LPD2均處于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)范圍。室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境的滿意度較高。
圖14 局部不滿意率Fig.14 Results of local thermal uncomfort
天津市供暖季為每年11月15日到次年3月15日,共計(jì)121天,以每日室外天氣平均溫度將測試期間劃分為初冷日(t≥5 ℃)、典型日(-2 ℃≤t<5 ℃)、深冷日(t<-2 ℃)3種類型日,統(tǒng)計(jì)測試期間這3種類型日的能耗情況,并根據(jù)當(dāng)年室外氣象參數(shù)得出整個(gè)供暖季中3種表征日的天數(shù),評估整個(gè)供暖季的能耗情況;按不同類型日累計(jì)情況估算季節(jié)能效系數(shù)HSPF,得到表3,4。將kW·h換算成GJ,可得出整個(gè)供暖季系統(tǒng)總供熱量為684.1 GJ,耗電量為312.0 GJ,季節(jié)供熱性能系數(shù)HSPF為2.19。
表3 建筑能耗情況Tab.3 Building energy consumption
表4 供暖季建筑能耗估算Tab.4 Estimation of building energy consumption in heating season
不同室外天氣條件下機(jī)組供水溫度與耗電量的關(guān)系如圖15所示。
圖15 不同典型日供水溫度與耗電量變化Fig.15 Daily variation of water supply temperature and power consumption in different typical days
由最冷日系統(tǒng)分析可知,測試期間最冷日平均供水溫度為34.0 ℃,此時(shí)室內(nèi)溫度仍在21 ℃以上,符合供熱規(guī)范要求。當(dāng)供水溫度從40 ℃降至34 ℃時(shí),初冷日可節(jié)約耗電10.2%,典型日6.4%,深冷日9.8%,有一定節(jié)能提升潛力。
建筑室內(nèi)外溫差與單位面積供熱量之間的線性關(guān)系如圖16所示。建筑室內(nèi)外溫差與單位面積供熱量呈線性正相關(guān),室內(nèi)外溫差降低1 ℃,單位面積供熱量降低1.47 W/m2。
圖16 單位面積供熱量與室內(nèi)外溫差關(guān)系Fig.16 Relationship between heating capacity per unit area and indoor/outdoor temperature difference
由室內(nèi)溫度的監(jiān)測結(jié)果可知:測試期間室內(nèi)的平均溫度為23.9 ℃,遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)溫度(18~20 ℃),系統(tǒng)未進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)。
低溫地板輻射供暖將輻射熱量直接投射到人體,設(shè)計(jì)溫度可以比對流供暖時(shí)降低2~3 ℃。通過單位面積供熱量與室內(nèi)外溫差的線性關(guān)系計(jì)算室內(nèi)溫度降低至18 ℃時(shí)的運(yùn)行能耗見表5,不同典型日節(jié)能率分別為15.8%,11.4%,7.0%,整個(gè)供暖季節(jié)電約9 052.4 kW·h,節(jié)能率10.4%。
表5 室內(nèi)溫度降低至18 ℃時(shí)運(yùn)行能耗Tab.5 Operating energy consumption when the indoor temperature is reduced to 18 ℃
(1)輻射供暖系統(tǒng)日平均供熱量1 569.5 kW·h,日平均耗電量 715.5 kW·h,COPsys平均值 2.20,單位面積供熱量平均值為54.6 W/m2,有一定的節(jié)能效果。
(2)測試期間辦公室和會議室單位面積供熱量在30~60 W/m2之間,辦公室平均溫度25.0 ℃,會議室平均溫度22.9 ℃。最冷日平均供熱量75.1 kW,耗電量為32.9 kW,COP值為2.30,運(yùn)行能效良好,室內(nèi)溫度在21.0 ℃以上,滿足供熱需求,可進(jìn)行推廣使用;室內(nèi)基本達(dá)到90%以上人群滿意的環(huán)境,室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境的滿意度較高。
(3)該建筑季節(jié)供熱性能系數(shù)HSPF為2.19,有一定節(jié)能效果。測試期間室內(nèi)平均溫度23.9 ℃,未進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行,如果室內(nèi)溫度降低至18 ℃,整個(gè)供暖季節(jié)電約9 052.4 kW·h,節(jié)能率10.4%。
可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行能效還有一定的提升空間,供暖季可按不同室外天氣條件設(shè)置不同的運(yùn)行工況,以提升系統(tǒng)的季節(jié)能效比。該新型通水地板由于可以快速提升溫度的特性,可采取分時(shí)段分區(qū)域的運(yùn)行調(diào)控策略,進(jìn)一步挖掘運(yùn)行節(jié)能潛力。此外,該建筑為既有廠房改造的辦公建筑,提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能,系統(tǒng)供熱效率將進(jìn)一步提升。