北京地区空气源热泵供暖系统的应用研究

胡文举，张 帅，李德英，张啊文

（1.北京建筑大学 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100044；2.天津大学，天津 300072）

1 前言

与常用的空气源热泵分体式热泵空调器系统相比，空气源热泵散热器供暖系统具有温度分布均匀、人体热感觉舒适性好等优势［1～4］。但由于空气源热泵热水机组受出水温度的限制，其末端形式通常采用风机盘管或低温地板辐射供暖［5～9］，而对于使用散热器作为末端设备的系统研究相对较少［10，11］，尤其是系统的实际运行效果及经济性与建筑围护结构、地区气候、居住习惯等诸多因素有关，系统的普遍适用性尚有待考察验证。为此，笔者对北京地区的一幢农村住宅进行了为期15天的现场测试，测得了空气源热泵散热器供暖系统的特性参数，得到了系统的供热量、耗电量、室内外空气温度以及围护结构内表面温度等数据，对机组的运行状况和室内的舒适性进行了探索研究，分析了在北京地区空气源热泵散热器供暖系统的技术可行性和适用性。

2 测试对象及供暖系统

2.1 测试对象

测试对象为北京市某农村住户，所处地区在我国热工分区图上属于寒冷地区，供暖期从11月中旬到次年3月中旬，长达120多天。测试对象建筑为平房，占地面积约为172 m2，实际供暖面积为96.8 m2，建筑布局及散热器布置情况如图1所示。该建筑为独立建筑，四周为外墙。该住户经过了北京市新农村改造，在测试之前对建筑物进行过外墙加保温板等保温措施。图1中庭院顶部采用玻璃板，既保证采光，还具有一定的保温作用。本试验选择主卧（即卧室3）进行重点研究。该房间有两面外墙，两面内墙，无外窗。

图1 建筑布局及散热器布置

2.2 供暖系统

用户之前采用的热源为电锅炉，热媒为水；末端散热设备为四柱760型铸铁散热器，每组散热器为16～20片，其中中片高682 mm，足片高760 mm，每片散热器宽度为143 mm，长度为60 mm，接口间距为600 mm。测试时，将热源改为空气源热泵。机组额定制热量11.4 kW，额定制热输入功率2.81 kW，最大输入功率4.4 kW，-12 ℃制热量为6.4 kW，-12℃制热输入功率为2.55 kW，机组内置一台循环水泵，水泵额定流量为2 m3/h，额定扬程为12 m。整个系统根据回水温度控制机组启停。

3 测试方法

3.1 供热量和电量测量

整个系统制热量计算式［10］：

式中 Q——机组供热量，kJ

ρ——热水密度，kg/m3，由于水温变化不大，可近似认为水密度不变

cp——热水的定压比热，kJ/（kg·K）

V——热水流量，m3/h

tg——供水温度，℃

th——回水温度，℃

τ——时间，h

根据式（1），只需测出热水流量和供回水温度即可得出瞬时供热功率；在某一时间段内进行热量累积计算，即可得到该时间段内的供热总量。测试期间，采用P600便携式超声波流量计，每天定时测量系统水流量，取其平均值。根据测试发现，系统水流量每天变化不大，基本处于稳定状态。分析可知是由于水泵未采用变频控制，且水泵不会停止运行。因此水流量变化不明显。测量水温时，通过测温球阀将测温探头插入水中直接进行测量，并做好保温，测供回水温度。

为了准确得到机组耗电量情况，为机组单独配置电表测量耗电量。采用W400型智能电量测量仪，精度一级，每10 min测量一次整个供暖系统的耗电量。

3.2 温度测量

采用温度自记仪测量室内外温度，自记仪精度为±0.3℃。测量室外温度时，将自记仪悬挂在远离建筑物的位置，以免受到建筑物散热影响，破坏测量准确性，并且要避免太阳直射。室内温度测点设置在距离地面1.4 m处，远离散热器以及其他热源，同时也要避免太阳直射。除了在每个房间设置温度测点外，在选定的测试房间（卧室3）内，分别在距地面高度0.1，1.1，1.7 m的地方布置温度测点进行测量［8］，以便得到整个房间内温度分布情况。

除了测量室内外温度以外，也对散热器表面温度进行了测量。根据文献［7］，将散热器表面分成6部分，测量每部分中心位置温度，取其平均值。测量时，采用的是TY280型非接触式红外线测温仪，测温范围为-50～380℃，精度为±5%。

4 试验结果及分析

4.1 室内温度分布

图2为测试期间各个房间日平均温度变化情况。从图可以看出，测试期间室外日平均温度处于波动状态，且室外温度都在5℃以下，有时甚至在-5℃左右，但是室内温度基本保持恒定，最低室内温度还保持在15℃以上，有的房间可以达到19℃，这对于农村住户来说已经满足供暖要求。

图2 室内日平均温度的变化情况

图3为测试期间最冷日（1月27日）各个房间温度变化情况（间隔40 min）。从图可以看出，室外气温波动很大，昼夜温差明显，且室外温度大部分时间都在-5℃以下，最高气温也不超过7℃，但室内各个房间气温仍然保持恒定，保持在15℃以上，有的房间保持在18～20℃，这和整个测试期间的日平均温度测试结果吻合。从测试结果看，采用空气源热泵散热器供暖系统后，在室外温度波动较大情况下，整个测试期的室内日平均温度和最冷日时室内逐时温度都能保持稳定，满足住户供暖需求，为住户创造了一个舒适的居住环境。

图3 最冷日各房间的温度变化

如前文所述，在选定的房间内分别在距地面高度0.1，1.1，1.7 m的地方布置温度测点进行测量［10］，其温度变化如图4所示。从图同样可以看出，同样在室外温度波动较大情况下，不同高度的室内温度仍然可以保持一个稳定状态，不会出现波动，室内不同竖直高度的温度受到室外温度影响很小；从图中还可以看出，1.7m处的温度和0.1 m处的温度温差为2.7℃，满足ASHRAE标准中规定的“人体头部和脚部温差小于3℃”的要求［12］，基本满足室内人员舒适度需求。

图4 室内温度在不同高度的分布

4.2 供热系统性能

4.2.1 供回水温度

采用便携式超声波流量计对用户供回水流量进行测量，根据测量结果，可以发现系统供回水流量不会发生明显变化，基本处于2.2 m3/h，循环水泵性能稳定；利用测温仪器测量水温变化（如图5），从图5可以看出，虽然外界气温有波动，但是供回水温度变化较小，供回水温度处于稳定状态，说明机组运行状态稳定，基本不会受到室外气温的影响；出水温度一般维持在40℃以下，有效降低了热泵冷凝温度，降低了压缩机压比，提高压缩机性能；从图5还可以发现，供回水温差很小，供回水最大温差不超过4℃，有时仅为1.5℃左右。分析可知，这是由于系统流量过大而引起的。水泵耗功功率与流量成三次方的正比关系，系统供回水温差过小，水流量大，增加了输配系统的能耗，后期循环水泵的选取应该重新进行考虑。

图5 系统供回水温度

4.2.2 系统供热量和COP

图6为系统供热量和COP随室外温度变化关系，其中COP是指系统供热量与整个系统耗电量（包含机组和循环水泵耗电量）的比值。从图中可以看出，在测试期间，室外气温不断变化，呈现起伏波动状态，但是机组供热量一直处于较稳定状态，平均每小时供热量维持在4.2～4.5 kW/h，且不会呈现随室外气温波动的情况。从图中还可以看出，即使室外气温不断变化且较低，甚至大部分时间都处于0℃以下时，供热系统COP仍保持2.5以上，系统COP平均值在2.75左右；在室外气温高时，COP也会上升至约3.2，表现出良好性能。分析其原因可知：虽然空气源热泵的性能理论上受室外气温影响较大，但是本系统采取控制回水温度来控制机组的启停，且水泵不间断运行，持续向房间提供热水，保证了室内环境舒适性和机组稳定性。

图6 系统供热量、COP与室外温度关系

4.2.3 散热器表面温度与室内温度

散热器主要的换热方式为对流换热和辐射换热，而对于低温供暖系统，散热器表面温度是研究散热器表面传热机理的重要参数，选定卧室3，针对测试期间散热器表面温度与室内温度进行了测试，如图7。传统供热系统的供回水温度较高，一般为95℃/70℃或者85℃/60℃，最低的也要70℃/50℃，散热器表面温度比较高，最低也要在50℃左右，散热器表面温度与室内环境温度相差较大，室内末端换热温差大，大量损发生在室内末端。采用空气源热泵进行低温供暖时，末端散热器表面温度一直处于35℃左右，室内温度保持在18℃左右，散热器表面与室内温差仅为17℃左右，远远小于传统供暖系统的温差，减少了末端 损失；且这种低温散热器供暖的方式，辐射换热在整个热量交换中占据了更大的比重，使室内温度更加均匀，提高了室内舒适性。

图7 散热器表面温度与室内温度的关系

5 结语

针对北京农村地区空气源热泵散热器供暖系统进行测试研究，测试结果表明该系统性能稳定，即使室外温度波动较大，系统供热量仍能保持在相对稳定的状态，而且系统COP也不会出现较大波动，一直维持在2.5以上，平均值保持在2.75；散热器与室内温度相差较小，传热过程中可以减少 损失，提高室内舒适性；房间温度恒定，基本保持15℃以上，能满足住户需求；室内温度分布均匀，不同高度处的温度相差不大，不会产生明显不舒适感。但是对于该系统而言，系统供回水流量过大，供回水温差相差较小，这就必然导致水泵耗电过大，因此进一步优化系统中热泵机组和循环水泵的控制是下一步工作的方向。

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