基于空氣源熱泵與新型通水地板的輻射供暖系統(tǒng)應(yīng)用分析

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）

0 引言

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。

1 工程應(yīng)用概況

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

2 測試方案及評價(jià)指標(biāo)

2.1 測試方案

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

2.2 評價(jià)指標(biāo)：

3 測試結(jié)果分析[14-20]

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。

3.1 運(yùn)行能耗分析

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

3.2 運(yùn)行能效分析

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

3.3 最冷日系統(tǒng)逐時(shí)性能分析

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

3.4 供暖效果分析

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

4 季節(jié)供熱性能評價(jià)及能效提升途徑

4.1 季節(jié)供熱性能評價(jià)

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

4.2 運(yùn)行性能提升途徑

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 ℃

5 結(jié)論

（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。