辐射供暖房间空调器的特性分析

李梦竹张宝怀

东南大学能源与环境学院

辐射供暖房间空调器的特性分析

李梦竹张宝怀

东南大学能源与环境学院

辐射供暖房间空调器（RHRAC）是在传统房间空调器的基础上增设地埋冷凝管，以制冷剂为热媒直接进行地板辐射供暖。针对夏热冬冷地区的住宅建筑，模拟计算了RHRAC供热工况的冷凝温度，利用压缩机的性能曲线计算了其供热能效比EER，将RHRAC系统与常用的采暖方案进行初投资、运行费用的比较分析。得出结论：RHRAC供热工况的冷凝温度仅35℃即可满足采暖需求，供热能效比达3.17，运行费用最低，是夏热冬冷地区住宅建筑采暖的一种良好选择。

辐射供暖 地埋冷凝管 初投资 运行费用

0 引言

空气源热泵无水地暖系统作为一种新型的采暖方案得到了国家的认可。文献[1～2]对空气源热泵无水地暖系统进行了实验研究和热力性能分析，根据实验实测数据分析了郑州地区冬季不同室外环境下系统的供热能效比，分析结果表明空气源热泵无水地暖系统具有良好的节能性。

本文针对夏热冬冷的南京地区，以住宅建筑为供热对象，采用R410a为制冷工质对辐射供暖房间空调器进行供热冷凝温度及能效比EER的计算，并且将本系统与夏热冬冷地区住宅建筑常用的采暖方案进行初投资和运行费用的对比分析，为夏热冬冷地区选择采暖方案提供参考。

1 地埋冷凝管的铺设方式

辐射供暖房间空调器利用制冷剂为热媒直接进行地板辐射供暖，为降低制冷剂各管路之间的压力损失，使各管路之间分液均匀，制冷剂进出干管采用同程式设计，其中一组盘管的铺设方式如图1所示，每组地暖盘管使用分歧管与进出干管相连接。在盘管上焊有铁丝网，铁丝网不但有利于传热和散热均匀，而且在铺设过程中有利于地埋冷凝管保持原来的形状，避免铺设过程中出现太大的偏差。

图1 地埋冷凝管的铺设方式

2 供热能效比的计算

2.1 冷凝温度的确定

对于辐射供暖房间空调器，冷凝温度关系到地板辐射采暖的地板表面温度分布、热流密度以及能否满足人体热舒适的要求，关系到系统运行的经济性、节能性。

确定冷凝温度时选取的模型为：盘管间距150mm，管材为紫铜管；保温层厚度30mm；填充层厚度30mm；室内设计温度18℃；冷凝温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃；地板表面装饰层材料为瓷砖。对这四种不同的运行工况进行模拟计算得到地板表面温度分布和热流密度分布，如图2所示。

图2 不同冷凝温度下地板表面的温度分布和热流密度分布

从图2（a）看出地板表面温度分布近似为一条余弦曲线，最高温度出现在地暖盘管的正上方，最低温度出现在管间距1/2处，并且中间温度低，两端温度高，成对称“马鞍状”分布。从图2（b）看出地板表面热流密度分布与地板表面温度分布趋势一致。冷凝温度为30℃时，地板表面温度为23.46～24.31℃，温差0.85℃，地板表面热流密度为48.74～56.10W/m2，差值为7.36W/m2；冷凝温度为35℃时，地板表面温度为25.73～26.93℃，温差1.20℃，地板表面热流密度为73.01～84.09W/m2，差值11.08W/m2；冷凝温度为40℃时，地板表面温度28.00～29.55℃，温差1.55℃，地板表面热流密度为97.29～112.02W/m2，差值14.73W/m2；冷凝温度为45℃时，地板表面温度为30.28～32.17℃，温差1.89℃，地板表面热流密度为121.66～140.09W/m2，差值18.43W/m2。随着冷凝温度的增大，地板表面温差越大，地板表面的温度均匀性越差，即“马鞍状”越明显。地板表面热流密度大小及其最大值最小值的差值均随着冷凝温度的增加而增加。

根据《辐射供暖供冷技术规程》JGJ142-2012规定，低温地板辐射采暖地板表面温度要满足表1的要求。故RHRAC系统的冷凝温度为35℃即可满足采暖需求。以冷凝温度35℃来计算辐射供暖房间空调器的供热能效比。

表1 辐射采暖表面平均温度

2.2 供热能效比计算

利用压缩机的性能曲线计算RHRAC系统的供热能效比：采用R410a为制冷工质，冷凝温度为35℃，过冷度Δtk=5℃，南京地区的采暖室外计算温度-1.6℃，取蒸发温度-10℃，压缩机吸气温度-1℃。满足相同热舒适的情况下，采用分体式空调进行热风采暖的冷凝温度为50℃，其它参数与RHRAC系统相同。从一款房间空调器用压缩机（制冷剂R410a）的性能曲线上读取所需温度点对应的的压缩机制冷量和输入功率，见表2。压缩机规格值：额定制冷量3840W，输入功率1370W。

表2 压缩机制冷量和制冷功率

考虑到风扇电机功耗的影响，一般为50～100W，室内外侧的风扇电机功耗均取80W，结合表2数据计算得到RHRAC系统供热能效比为3.17，分体式空调供热能效比为2.56。

3 经济性分析

为综合比较辐射供暖房间空调器的经济性，针对南京地区单户住宅采暖，对以下5种采暖方式进行初投资和运行费用的比较分析。

方案1：空气源热泵空调器采暖；

方案2：空气源热泵低温热水地板辐射采暖；

方案3：燃气壁挂炉低温热水地板辐射采暖；

方案4：电热膜地板辐射采暖；

方案5：辐射供暖房间空调器采暖。

为满足冬季热舒适的要求，当采用分体热泵空调器进行热风采暖时室内设计温度为20℃；当采用地板辐射采暖时，参照《辐射供暖供冷技术规程》JGJ142-2012，室内设计温度可降低2℃，因此辐射采暖室内设计温度为18℃。根据南京地区室内外的气象资料计算可得：使用热泵空调器进行热风采暖时，热指标56.9W/m2；使用地板辐射采暖时，热指标51.2W/m2。

3.1 不同采暖方案初投资计算

根据家用冷暖空调的市场价格及南京市的物料价格计算得到RHRAC系统的初投资费用，见表3。

表3 RHRAC的初投资费用组成

除方案1以外，其它方案的采暖方式均为地板辐射采暖，各采暖方案的热源投资、末端投资以及折算年值如表4所示。

方案1、方案2和方案5（RHRAC系统）是冷热源一体的系统，这3种方案的初投资包含了夏季制冷的初投资费用。方案3或方案4只能进行冬季采暖，而当夏季制冷时则需要另设制冷设备。采用方案3+单冷型户式空调制冷的初投资费用为282元/m2，折算年值38.9元/(m·2a)；采用方案4+单冷型户式空调制冷的初投资为335元/m2，折算年值为40.1元/(m·2a)。

表4 各采暖方案的初投资

3.2 不同采暖方案运行费用计算

采用方案1进行冬季热风采暖时需要的冷凝温度为50℃；采用方案2进行冬季地板辐射采暖时需要40～45℃的低温热水[3]，由于制冷剂与热媒水之间存在传热温差，则空气源热泵机组的冷凝温度需达到45～50℃；由模拟计算结果知，RHRAC冬季采暖时，冷凝温度35℃即可满足冬季热舒适要求。冷凝温度的降低提高了空气源热泵的制热能效比EER。

当采暖热源的动力为电能时，运行费用的计算公式[6]：

当采暖热源的动力为燃气时，运行费用的计算公式[6]：

式中：M为运行费用，元；Q为采暖系统供给室内热量，kW·h；EER为制热能效比，W/W；P电为用电价格，元/ kW·h；P燃为燃气价格，元/Nm3；M燃为燃气壁挂炉的运行费用，元；M泵为循环水泵的运行费用，元；q低为燃气低位热值，MJ/Nm3；η燃为燃气壁挂炉的热效率，%；η泵为采暖循环泵的全效率，%；H为采暖循环泵扬程，mH2O；Δt为采暖系统供回水温差，℃。

查南京地区的物价标准可知，南京市电价：0.55元/kW·h（8:00～21:00）、0.35元/kW·h（21:00～8:00）；天然气的价格：2.3元/Nm3，低位热值33.44～37.62MJ/Nm3，本文取35.0MJ/Nm3。单户住宅采用地板辐射采暖时，其供回水温差一般为l0℃，循环水泵扬程一般为20mH2O左右，循环水泵的全效率较低，一般取60%左右。南京地区设计计算用采暖期天数为79天，全天候采暖。将以上数据分别代入式1和式2计算，可得到各种采暖方案供给室内1kW·h热量所需的运行费用及一个采暖季的运行费用，计算结果见表5。

表5 各采暖方案的运行费用

3.3 结果分析

从表3和表4可知，由于RHRAC系统的地埋冷凝管需要用紫铜管或者邦迪管，导致系统的初投资较高，与方案4+单冷型户式空调制冷的总投资接近。采用方案一冷暖型分体式空调的初投资最低，仅为本系统初投资的50%左右。

从表5知，采用冷暖型空气源热泵机组作采暖热源比燃气壁挂炉作采暖热源的运行费用低，电热膜采暖的运行费用最高。对于以冷暖型空气源热泵机组作采暖热源的方案一、方案二和方案五而言，机组的制热能效比EER越高，运行费用越低。因此本系统的运行费用最低，是方案一的72%，方案二的85.8%。

综合考虑采暖的可靠性、舒适性和运行费用，辐射供暖房间空调器是值得在夏热冬冷地区推广使用的一种采暖方式。

4 结论

针对夏热冬冷的南京地区，以R410a为制冷剂，模拟计算了RHRAC系统的供热冷凝温度，利用压缩机的性能曲线分析了其供热能效比；将RHRAC系统与常用的采暖方案进行初投资和运行费用的比较，得出结论：

1）地埋冷凝管上焊接铁丝网起到强化传热和散热均匀的作用。在满足冬季热舒适要求的情况下，辐射供暖房间空调器制热工况的冷凝温度降低至35℃，降低了压缩机的压缩比，提高了制热能效比EER，平均制热能效比达3.17。

2）在本文对比分析的5种采暖方案中，辐射供暖房间空调器的热舒适性较高且运行费用最低，是夏热冬冷地区住宅建筑采暖的一种良好选择。但是辐射供暖房间空调器的末端投资较高，在后续的工作中，将会进一步优化地埋冷凝管及地板结构层以降低初投资。

[1]吴锦晶,卢纪富,曾传章,等.空气源热泵直接地板辐射供暖运行模式实验研究[J].暖通空调,2010,41(1):71-74

[2]曾传章,吴锦晶,魏新利,等.空气源热泵直接地板辐射采暖系统实验研究及热力性能分析[J].太阳能学报,2011,32(8):51-57

[3]肖益民,付祥钊.户式空气源热泵地板供暖系统实测分析[J].湖南大学学报(自然科学版),2009,36(12):14-18

[4]方乐平.燃气壁挂炉采暖的应用及经济性分析[J].科技信息, 2010,33:56

[5]刘丽波.电热膜采暖应用中几个问题的探讨[J].林业科技情报, 2007,39(2):70-71

[6]江连昌.夏热冬冷地区住宅建筑采暖系统的比较分析[J].中国住宅设施,2011,(5):38-39

The Prope rty Ana lys is of the Ra dia tion He a ting Room Air Conditione r

LI Meng-zhu,ZHANG Bao-huai
School of Energy and Environment,Southeast University

The Radiation Heating Room Air Conditioner(RHRAC)has embedded condenser pipes more than the traditional room air conditioner.Refrigerant is used as heat medium for direct floor radiant heating.For the residential construction in area with hot summer and cold winter,the condensing temperature and energy efficiency ratio of RHRAC under heating condition are calculated by simulation and the compressor performance curve.Comparative analysis is made about the initial investment and heating operating cost of the RHRAC and some other heating ways which are commonly used.Conclusions are drawn:Under heating condition,the RHRAC has lower condensing temperature(35℃), higher EER(3.17)and the lowest operating cost.It’s a good choice to use RHRAC for residential construction heating in area with hot summer and cold winter.

radiation heating,embedded condenser pipes,initial investment,operating cost

1003-0344（2015）02-022-4

2014-1-23

李梦竹（1991～），女，硕士研究生；江苏省南京市玄武区四牌楼2号东南大学能源与环境学院（210096）；E-mail:lmz9110@163.com

国家自然科学基金（No.50976020）