武汉地区空气源热泵地板辐射供暖实测分析

龚奇奇 姚灿 沈意

指导老师：张春枝

（武汉科技大学城市建设学院）

摘要 在夏热冬冷地区推广空气源热泵地板辐射供暖已是大势所趋，但各地区的实测情况也存在不同差异。为探究武汉地区空气源热泵用于地板辐射供暖系统中的实际供暖效果和运行特性，本文通过对武汉地区运行空气源热泵地板辐射供暖进行间歇性和初始性运行实测比较，说明该采暖系统在武汉地区的可行性。

关键词  空气源热泵   地板辐射供暖  舒适性分析   经济性分析   实测

引言  

随着经济的发展，生活水平的提高，居民对居住环境舒适度要求也越来越高，冬季供暖、夏季制冷，都不可缺少，家用中央空调逐步走入家庭。武汉地处中纬度地带，北亚热带季风性湿润气候，常年气候四季分明，夏季炎热、冬季湿冷，日平均气温低于5℃的天数将近50天 ，最冷月平均温度为3.9℃ ，最冷月平均相对湿度高达77％，冬季室外平均风速1.8m/s，对冬季制热的需求随经济的增长而增长。目前越来越多的家庭夏季用分体空调制冷，冬季采用燃气壁挂炉供热,两套装置，独立运行，设备闲置率高。而空气源热泵一套装置可以完成夏季制冷、冬季制热两种功能。利用空气源热泵机组冬季提供30-50℃的低温热水地板辐射供暖，不仅可以提高舒适度，还可以节能，从而节省运行费用。然而武汉冬季空气湿度大，机组制热效率有所降低，为了研究空气源热泵冬季用于地板辐射供暖的效果，课题组利用实验室的实验平台，进行了为期一周的实测，以期验证空气源热泵与地板辐射供暖结合的优越性。

1. 实验方案

1.1实验对象

课题组以空调实验室内一铺设地板辐射末端的恒温室为研究对象，进行测试分析。实验室面积14.44㎡，实际采暖面积10㎡。墙体为110mm厚度的保温墙，窗户均为双层中空玻璃（3mm+3mm+3mm），地板为复合木地板。地暖管采用干式铺垫法，PEX埋管，直径DN20*2.0（外径20mm，壁厚2.0mm，U型布置，管间间距200mm)，管道铺设分布如图1所示。

                                           图1 地暖管道分布图

1.2热源

地板供暖系统热源是一台SJC-05H型风冷热泵空气源机组，名义制冷量16.3KW，名义制热量19.5KW，压缩机功率6.6KW，总输入功率7.5KW，采用R22制冷剂，对机组安装专用电表，对能耗进行记录。实验系统流程如图。

图2  实验系统流程图    

1.3测点的布置及测量仪器

实验房间尺寸3.8m×3.8m×2.4m，实验采用间歇测量的方式，对室内外各温度，湿度，风速，水流量和机组耗电量，进行为期一周的实测记录。

（1）测试仪器

（2）室内外温度，湿度，风速测量

采用温湿度测试仪，每隔20min测量一次室内外温度，湿度，风速。

（3）围护结构内表面温度测量（各墙体布点如图2（a））

采用JTDL-80建筑热工温度与热流数据采集器对各个测点处进行了间歇性温度读取（时间间隔20min）。

（4）水箱水温测量

将Pt100测温探头置于热水进出口端，每隔5min记录所测温度，取平均数值记录。

（5）水流量的测定

利用安装在地暖盘管出口端的转子流量计测试地暖管循环水流量。

（6）地暖管进出水口温度

使用JTDL-80建筑热工温度与热流数据采集器在进出水管处分别安装一个探头测水温，以10min为时间间隔对数据进行实测存储（用保温材料包裹探头以减小误差）。

（7）室内空间布点温度测量

如图2（b）所示，将热电偶探头分别布置在距地面0.5m,1.2m,1.8m处，另一端口接入JTDL-80建筑热工温度与热流数据集器上，进行温度采集自动记录。

（a）周围围护结构温度测点分布              （b）地板表面及室内温度测点分布

图3 房间布点示意图

1.4测试步骤

（1）初始运行实测

机组在经过检测能运行正常后开始启动，并设定回水温度为37.5℃来控制机组的开停机后量机组的供回水温度以及地板与室内温度的温升。每间隔20分钟测量1次，直至供回水温度达到稳定状态。

（2）间歇运行实测

提前4个小时开机，待水温稳定在45℃后从7：00，开始记录数据，循环机组持续工作至下午16：00关闭空气源热泵及机组，间歇运行5天，测量其在间歇运行工况下室内温度、室内采暖效果及能耗情况。

2. 实验测试与分析

2.1 初始运行试验

2.1.1 空气源热泵机组供回水温度 

机组在停机10h后启动，机组的开停由机组进水温度控制，设置机组的进水温度为37℃~42℃。当机组进水温度达到42℃时机组停机；当机组进水温度降到37℃时 ,机组自动启动 。机组开机后，每间隔20分钟测量1次，测得机组的进出水特性( 如图3)。测试时室外气温为4.6℃ ，热泵开机后供回水温度缓慢上升，前6个小时，比较均匀的增长。经过2.5个小时后，机组供水温度达到 41.7℃ 约经8.5小时后，机组达到稳定状态，机组的进水温度达到设定值 37℃~38℃，供水温度达到 41.7℃，供回水温差稳定在3.3℃  

图3 热泵机组供回水温度变化曲线图

实验当天空调外机所处位置的相对湿度达到74.1%，机组运行大概40分钟结霜 ，一般说来当室外的相对湿度大于50％时，气温在-1～7℃左右最容易结霜，实验测得机组除霜间隔时间为44分钟 ，除霜时间为4分钟。除霜过程机组进入制冷循环，供回水温度理论上有所下降。由于除霜时间短且地板热容性较大，除霜对地板及室温的影响非常小^[2]。

2.1.2 地板与室内空气温升特性

正常运行阶段地板及室温温度变化如图4。空气源热泵地板采暖系统升温过程相对平缓，室温均匀上升，地板温度在开机一个半小时后上升较明显，经过7小时10分钟，室内空气温度由12℃上升到19．6℃平均温升速率为1.06℃／h；地板温度由8.7℃ 达到22.3℃，平均温升速率为1.9℃／h，地板采暖预热时间比较长。

图5 运行阶段室温及地板温度变化

2.2间歇运行试验

   空气源热泵地板辐射采暖系统可以采取连续运行和间歇运行两种模式，考虑到国人的消费习惯，当家中无人时，一般会停机，因此大多采用间歇运行方式。实验模拟开机时间为每天早上7：00开机至下午16：00停机。间歇运行模式下的室内温度变化情况如下图5所示。7：30左右，机组内出水管温度达到45℃，由图5可以观察到8：00至16：00室内温度在维持在16℃以上，在14：00时室内温度达到峰值19.6℃。木地板传热效果延缓同时具有蓄热功能，16：00机组停止工作后，室温下降速度不是很快，三个小时内室内温度波动只有2℃。间歇运行时间极其操作可根据个人习惯进行适当调整机组出水温度，在个人感觉舒适的环境下进行节省运行费用，从而间接实现了节能减排，促进我国能源的可持续发展道路^[3]。另在实验进行时将墙体及其窗户上的温度变化分别与地板温度变化情况进行比较，如图6、图7所示，墙体与窗户的温度在机组运行过程前期及机组关闭后，温度变化幅度均大于地板，尤其是窗户上的温度变化，墙体与窗户材料不同，其在保温性能上也有所差异。本次试验对象地板装饰为复合地板，热传导较慢，但是保温性能强，关闭机组后，地面温度下降速度缓慢，武汉其他建筑大多采用瓷砖等散热较快材质为地板装饰，系统进行间歇运行模式时，可根据实际情况调整运行时间，同时对于正在建造的并使用此系统进行供暖的房屋，可建议其在选取地板装饰材料时，将保温性能强一点的材料作为考虑对象，在给人们带来舒适体验的同时，最大限度减少能耗^[4]。

图6 间歇运行阶段地板及室内外温度变化      图7 间歇运行墙体及室内温度变化

3. 实测结果分析

（1）运行能耗分析

空气源热泵机组开机1.5h，耗电量约7.37kWh，平均耗电量4.91kWh/h。热泵稳定运行时，管道内平均水流速约为0.185m/s，管径70mm，可算得水流量，计算出热泵系统的平均制热量约为11.87kW,算得热泵机组的平均COP为2.42。

（2）舒适性分析

以该实验房为例，在初始运行阶段，室内温度以及围护结构内表面温度上升平稳；升温后温度达到平稳状态后，房间室内温度处于16~20℃之间平稳波动，平均湿度52.4%，符合《室内空气质量标准（GB/T18883-2002）》中明确规定冬季采暖温度16-24℃，湿度30%-60%地板温度处于17~25℃的要求，垂直方向上各高度分布如下图8所示，接近地板采暖的理想温度分布^[5]。从热舒适性上看空气源热泵地板采暖系统的热舒适性大大高于常规的采暖方式，能够更好的满足人们对于冬季采暖的需求。

图9 系统运行时实验房垂直方向温度分布图

（3）经济性分析

表2 两种供暖方式的能耗经济比较

从经济角度分析，在供暖月份武汉地区实行电价分档第一档位电价0.573元/千瓦时，第二档价电价0.623元/千瓦时，而武汉由于燃气紧张实行一口价原则2.53/立方米。如表2所示单一从能耗费用得出空气源热泵地板采暖系统的能耗费用要低很多，在年能耗费用中有望达到燃气壁挂炉地板采暖系统运行能耗费用的一半，但初期运行投资空气源热泵地板采暖系统的投资费用会略高于燃气壁挂炉系统，综合考虑能源耗费和初期投资在长年的运行情况下在2年~3年内初期投资高出的费用就可收回。

4. 结论

通过对此实验室系统进行间歇运行和初始运行相关系数的测量以及分析，初步了解空气源热泵地板辐射供暖系统在当地的运行特点及采暖效果，通过对所获数据进行计算分析可知,空气源热泵地板辐射采暖系统的热舒适性大大高于常规的采暖方式，能够更好的满足人们对于冬季采暖的需求。其单独工作运行时，可考虑使用一些辅助加热手段（例如电加热等）减少加热时间，使室内快速达到热舒适。在对房间回水温度的设定上，可根据房间地板材料的种类进行适当调整，既满足房间取暖需求且减少能耗。以武汉地区实测为例，在冬天整个采暖季间歇运行比连续运行省电，可大力推广此种运行方式，减少能耗，响应节能减排的号召。

参考文献  

[1]王恩丞.上海地区空气源热泵地板采暖系统应用研究[J].建筑热能通风空调，2004，23（6）：25-29.

[2]李雄志.长沙地区空气源热泵地板采暖系统实测分析[J].制冷与空调，2007，7（6）：71-76.

[3]陆海荣.倪美琴.刘光远.吕媛.空气源热泵直接地板辐射供暖在江淮地区应用的经济性研究.[c].空调制冷.第七届全国建筑环境与能源应用技术交流大会文集.北京：《暖通空调》杂志社，2017：112-114.

[4]李永斌.空气源热泵无水地暖系统经济性舒适性分析[J].建筑热能通风空调，2007，36（1）：45-48.

[5]付祥钊.夏热冬冷地区供暖探讨.[J].暖通空调HV&AC.2013.43(6).78-81.