武汉地区住宅用空气源热泵地板辐射供暖研究

程舒婷周慧程方圆吴超张桠熙张春枝指导老师

摘要：论文对空气源热泵地板辐射供暖性能进行了实验研究，分别测量了空气源热泵地板辐射供暖模式和空气源热泵送风供暖模式下的室内空气温度、围护结构内表面温度、地板表面温度、能耗与性能系数，同时与常规供暖系统的热舒适性以及节能环保性进行了比较。实验结果表明，空气源热泵地板辐射供暖相比于常规供暖系统，不仅能较好的满足热舒适性要求，同时又节能环保，节省运行费用。

关键词：空气源热泵；地板辐射供暖；热舒适；节能环保

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%。以前普遍采用冷暖空调和电暖器取暖，不仅能耗高，而且舒适性较差。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，特别是2017年冬季天然气气荒，武汉某些别墅区出现不能使用天燃气壁挂炉供暖，导致别墅内舒适度降低，老人孩子倍感寒冷，故选择适合的供暖方式非常重要。武汉地区2013年才开始实行集中供暖，根据近10年来武汉年鉴，在集中供暖方式出现前，利用空调设备进行供暖的居民所占比例由57.8%升至75.2%，在集中供暖方式出现后，居民自行选择供暖方式所占比例由82.8%上升至84.9%，这说明由于武汉地区冬季寒冷，居民冬季供暖需求量逐年增加，对于供暖方式的选择要求也越来越高。武汉地区夏热冬冷，住宅区因建筑条件不同，建筑所用的供暖方式多样。但对于任何一个完整的供暖空调系统，其基本的组成都必须有三个部分组成，即冷热源、管路系统和末端装置。如何合理地选择空调系统的冷热源及末端装置，对于供热空调系统非常重要。

1武汉地区住宅用技术供暖路径分析

1.1热力公司热网集中供暖

随着城市高档住宅区的新建和城中电厂余热的再利用，武汉地区现有部分住宅由热力公司集中供暖，这种供暖方式是热网集中供暖，是北方采用最传统的供暖方式，运行稳定且运行费用较低，但武汉地区，受众面小，管网由热力公司统一配套，配套上网费较高，目前热力公司处于亏损运营状态。

1.2燃气壁挂炉供暖

燃气壁挂炉供暖是区别于传统的集中供暖的一种单元化、独立式的供暖方式。与集中供暖相比，热力、外网及楼内管道的热损失至少可以减少15%左右，另外用户可以根据自己的实际情况调试室内温度、采暖时间和采暖区间，可以为用户节约运行费用30%左右[1]。所以分户式壁挂炉采暖与集中供热相比，节能效果较显著。天然气虽然是清洁燃料，但把热源分散到各家，特别是高层住宅，同时使用时二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳等对环境的影响不可低估。而且小炉子燃烧效率低，供暖成本高。日常要进行使用和维护，比较麻烦。

1.3分体空调供暖

住宅区采用分体空调供暖则不需要另设热源，对建筑条件要求低，且体积小，自动化程度高，安装使用简单。但其制冷性能系数低，冬天供热能力随室外温度降低而下降，不适于室外温度过低的地区使用。

1.4土壤源热泵供暖

在别墅区采用土壤源热泵机组夏季制冷、冬季制热，同时提供生活热水，高效节能，且运行费用低，不污染周边环境，环境效益显著[2]。但埋地换热器受土壤性能影响较大，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响[3]，连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动，同时土壤导热系数较小，换热量较小。所以当供热量一定时，换热盘管占地面积较大，埋管的敷设无论是水平开挖布置还是钻孔垂直安装，都会增加土建费用。

1.5空气源热泵地板辐射供暖

空气源热泵作为热泵机组的形式之一，是以室外空气为热源的热泵型整体式空调装置，因其安装使用十分方便，对环境的污染也较小，在难以安装冷却塔、锅炉等设备的情况下，空气源热泵机组得到广泛的应用。并且地板辐射供暖系统以其舒适性的优势也得到越来越多的关注。其中以空气源热泵作为冷热源的系统既解决了夏季空调的需要，又可在冬季提供舒适的低温水地板采暖，近几年在华北等地区得到了推广应用。

为了考察夏热冬冷地区的空气源热泵地板供暖的技术经济可行性，在保证环保、安全和室内温度等要求的前提下做到最大幅度的节约能源的目的，本课题组进行了一系列空气源热泵地板辐射供暖的相关数据测试。

2空气源热泵地板辐射供暖与常规系统的比较

空气源热泵地板辐射供暖模式与空气源热泵风机盘管送风供暖模式下的比较。

2.1实验方案

2.1.1实验流程

采用空气源热泵作为地板供暖系统的热源，整个测试系统由空气源热泵机组，室内地板辐射供暖系统，热水输送系统组成，流程图如下所示。

2.1.2测试仪器

建筑热工温度采集器（JTDL-80），手持式风速仪（SwemaAir300），温湿度测试仪（HE810-TH），温度采集仪（KEITHLEY2700）。

2.1.3测点布置

空气源热泵地板辐射供暖时供暖室温度测点布置如图3.1、图3.2、图4所示。分别在地板表面中心及各墙角至中心的中点共取5个测点、围护结构即四周墙壁中心各取一个测点共4个测点、墙上窗户各面中心取点共6点、房间入口即门边缘取1点。空间测点以地面四点（如图3.2）为基准，取人体膝盖高0.5m、坐下时呼吸道高1.2m以及站立时头部高1.8m的平面各布置4点，共12个测点。空气源热泵送风供暖时增添西南，西北方向的送风口下方高0.5m、1.2m、1.8m处共6个测点（如图4）。在一个供暖期的稳定运行工况下，实验测量室内热环境各项指标。

2.2实验结果分析

选取室外气象条件相近的1月23日（空气源热泵地板辐射供暖）和1月26日（空气源热泵送风供暖）的实测数据进行处理，分别得到两种供暖模式下的室内空气平均温度tn、围护结构内表面平均温度twp、地板表面平均温度tf和实感温度t0[4]。根据测试期间各参数随时间变化曲线图（图5，图6），说明空气源热泵地板辐射供暖与常规系统供暖在舒适性、节能性、环保性方面的比较。

式中Ai为围护结构i元素的面积权重系数，ti为对应元素的表面温度。

当空气源热泵地板辐射供暖系统运行时，房间温度升温较慢，但也能升温至18℃以上，相对湿度也能保持在50％～60％之间，达到ISO7730的热舒适推荐值。从图5可以看出，当水箱温度加热到45℃关机后，由于地板管道热水的蓄热作用，地板表面平均温度tf仍然会继续上升，同时由于辐射供暖的特点室内空气平均温度tn、围护结构内表面平均温度twp和实感温度t0也会随着一起上升，大约持续升温一个小时之后才缓慢的降温。实际上，在整个过程中由于地板管道里面的热水水温一直高于室内温度，地板会持续向房间辐射热量直至两者达到平衡。可以看到升降温过程都特别均匀，即三者温度相差很小，更能满足人体活动操作时对环境的要求。

从图6可以看出，空气源热泵送风供暖时，此时供暖形式类似于常规分体空调。房间温度升温很快但是室内空气平均温度tn、围护结构内表面平均温度twp和实感温度t0的温度相差较大。室内平均温度tn在某一时间段高达30℃，这是由于实验室内的风机盘管的送风气流以锥体形式射出，经过人的头顶上方，卷吸空气斜向下流动，在此过程中卷入部分热浮升气流，在这个主流线性的右上方形成一个涡流区，同时热源左右区域均形成一个强涡流区。从而导致温度短暂性的升高[6]。此时人体就会产生过热反应，外加热流的直接吹拂甚至会导致头晕、胸闷等不良症状，对老人的小孩及其不适宜，热舒适性大大降低。而当关闭机组停止供暖时，三者也迅速的降温。相对于常规供暖系统那种迅速升温一旦停机后就会迅速降温的特点，空气源热泵地板辐射供暖这种慢速均匀的升降温的过程更能让人体接受适应，由于它是针对整个房间的整体均匀辐射热量，这不仅避免了“吹风感”，又让整个房间处于一个舒适平均的温度里面，就算机组关机停止供暖了，也能在较长的时间里面持续保持很舒适的温度。

2.2.2节能性比较

由于供暖系统的实际耗电量取决于具体的运行环境，若用额定功率来计算实际运行能耗会给实验结果带来很大误差，所以本实验中根据空气源热泵送风模式下的热泵运行情况进行能耗分析。在1月26日的实验中，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0.20m/s，管径70mm，可算得水流量，通过实测进出口水温差进而可以算出热泵系统的平均制热量约为12.83kW，由此可算得热泵机组的平均COP为2.61。相对于常规供暖系统例如电炉供暖、锅炉供暖、热电联产供暖和其他热泵供暖，空气源热泵的性能系数较高，节能效果较好。

同时从图5图6中可以看出，常规系统供暖终止后房间热量散失很快，而空气源地板辐射供暖时由于地板具有较好的蓄热性，使得在停止供暖之后房间温度仍然会继续上升持续大约一小时，这说明这种模式下热量散失很少，同时也说明在要求相同时间的供暖前提下，空气源热泵地板辐射供暖可以减少开机时间以减少能耗。

2.2.3环保性比较

空气源热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，由于它的低品位热能来源于自然界中的空气，利用少量电做功即可向人们供给可被利用的高品位热能，其冷热源广泛又环保。而常规系统供暖一般需要消耗大量的电能，能源的大量消费又会造成一系列能源短缺与环境问题。因而从热源来源来看，空气源热泵地板辐射供暖系统具有更好的环保节能性。一般认为，地板辐射采暖比传统的采暖方式节能20%~30%。在实验过程中，地板盘管的进出口温度远远低于传统壁挂式散热器所需的进出水温度，在此条件下，将会节省大量的加热费用，既节能又环保，符合现代绿色建筑的要求。

结论

通过实验可以得知，在夏热冬冷地区，住宅用空气源热泵机组来集中供冷供暖，不仅可以提高舒适度，还可以为住户节省运行费用。当选择供水温度可控的机组时，还可以根据住户的个性化需求来控制室内温度，更大程度上实现了节能和运行费用，可以更快地收回初投资。

参考文献

[1]陈煜,张依,张辉.燃气壁挂炉采暖的应用现状与面临的问题[J].上海工程技术大学学报,2009,23(02):106-110.

[2]施秀琴,梁军.北京某别墅土壤源热泵空调系统设计[J].暖通空调,2004,34(5):80-82.

[3]赵军，张春雷，王健等．地源热泵在实际工程中的应用与研究[J]．天津建设科技，2003，(5)：14-16．

[4]陆耀庆.供暖通风设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1987.262-274.

[5]OlsenBW.Possibilitiesandlimitationsofradiantfloorcooling.ASHRAETrans,1997,103(1).

[6]付冰，刘亮.空气源热泵机组节能分析[J].节能与环保，2008,09:29-31.