空气源热泵结合热水地板辐射采暖系统研究

王江波

摘要：随着社会经济的快速发展，人们的生活越来越好，使人们对生活品质的要求也不断地提高，所以，人们对能源的需求也在急剧增加，直接导致建筑能耗不断增大。而建筑能耗中又有一部分为采暖能耗。对于采暖系统的优化已经成为建筑节能的重要方向，因此，我们可以通过提高能源利用率和防止能源浪费等方面对采暖系统进行优化。热管具有极强的导热能力和良好的等温性，使其作为低温地板采暖系统的末端散热装置可以提高供暖效果，同时，降低热源温度以节约能源。

关键词：空气源热泵;热水地板辐射;采暖系统

一、空气源热泵地板辐射采暖系统描述

空气源热泵地板辐射采暖系统由空气源热泵机组，地板辐射采暖系统，以及备用热源组成。该系统运行时，流出地板辐射采暖热水盘管中的热水，在机组的冷凝器中，与进入蒸发器内的制冷剂蒸汽进行热交换，之后重新进入地板辐射采暖系统的热水盘管中进行供热。

二、热管与空气源热泵的匹配

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，可以在无须外加任何作用力的条件下，将大量熱量通过很小的横截面积远距离传送。文中选取的热管为铜-水常温热管，充液量为热管腔体总体积的1/8～1/5，作为地板辐射采暖系统的末端装置。该热管与空气源热泵地板辐射供暖具有良好的匹配性，原因为：（1）常用空气源热泵机组的额定出水温度为55℃，最高出水温度为60℃，满足地板辐射采暖的温度不高于60℃的要求，常温铜—水热管的温度范围为30～250℃，所以，热管和空气源热泵地板辐射采暖在温度方面具有良好的吻合性。（2）空气源热泵具有高效节能、无污染等优点，而热管也具有较高的导热性和优良的等温性，现将两者结合运用在地板采暖系统，可以得到一个更优化的地板采暖系统。（3）空气源热泵机组出水温度的增高制约空气源热泵机组的制热能力，而热管具有高传热性，可以快速降低水温，两者结合可以提高空气源热泵机组的制热能力。（4）热管是每一个都分散布置的，某一根热管出现问题不会影响其他热管的工作，相比于聚乙烯地盘管，热管用于供暖的检修也较为方便。

三、数值模拟结果及空气源热泵能效比分析

（一）工程概况

通过分析已给出的小区建筑图纸，得知房间的地板构造以及房间的大小位置均已确定。另外图纸显示，在地板构造中的填充层中敷设的是直径为20mm的塑料管，作为地板辐射采暖的加热盘管。房间都为两室一厅的布局模式，房间净层高为2.9m，每层楼均为一梯三户。

（二）地板数值模拟

1、供水温度不同时的数据分析

运用Fluent软件对三维地板模型进行模拟计算，分别取加热盘管的供水温度为35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃六种温度进行模拟。在上述条件下，统一设置入口流速为0.3m/s。低温地板辐射采暖系统的地板温度分布有三个明显的区域，一个是中心区域，盘管敷设和靠近围护结构的区域。其中中心区域温度较低，主要原因是房间采用回折型方式敷设，管间距从外向内敷设，受到房间尺寸影响，房间的中心区域很可能满足不了200mm的管间距，因为中间区域的管间距较大。对于靠近围护结构的温度分布来看，与内墙相邻的地板表面温度较高，与外墙相邻的地板表面温度较低。

2、供回水温差下不同时的数据分析

运用Fluent软件对三维地板模型进行模拟计算，分别取供回水温度差为5℃、7℃、9℃三种情况进行模拟。对供回水温差进行深入分析时，得出供暖系统在运行过程中的成本控制及热流密度分布情况，同时供回水温差的大小将对房间内的温度分布产生较大影响。供回水温差应小于或等于10℃且不宜小于5℃，通过改变出口温度从而来控制温差。a）温差5℃b）温差7℃c）温差9℃随着供回水温差的不断增大，地板表面的平均温度几乎没有变化，不过地板表面相对应的温度均匀性变差。虽然在增大供回水温差时，辐射地板表面的平均温度的变化不大，但是辐射地板表面的中间区域出现了一定局部温降的相关情况，原因在于回折型盘管敷设方式，供回水在中间区域的平均温度达到了最小值。

3、流速不同时的数据分析

为使水流具有一定的速度且可以把水中所带有的空气排出，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的规定可知，在无坡度敷设时，加热盘管内水流速度不得小于0.25m/s，从而避免空气的聚集，影响供暖效果。因此本文在固定管间距为200mm的情况下，模拟实验中分别设置管内水流速为0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s来进行分析比较。地板表面的整体温度也有所提高，地板表面的温度分布形状基本没有变化。根据数据可知，随着加热盘管内的水流速增大，地板表面的热流密度及平均温度均有所升高。尤其是当入口流速变为0.5m/s时，整体地板温度会出现明显温升，说明流速增大对地板表面温度有影响。由于减小水流速度可减少系统中水泵能耗，因此在加热盘管内的水流速可以将管内的空气带走防止聚集时，应该尽可能的减小水流速，从而可以达到进一步节能的目的，也能使地板表面温度分布更加均匀。

四、结语：

当室外温度比较低时，为保证空气源热泵地板辐射采暖系统满足室内供暖需求，可以与相变蓄热技术相结合，稳定的对室内提供热量。空气源热泵地板辐射采暖系统具有较强的供热与节能效果，在北方采暖地区具有很强的推广意义。但是该系统在推广的过程中还有蒸发器的表面结霜问题、润滑油积存等问题，有待进一步开展研究解决。

参考文献：

[1]王园园，张超，梁年良，等.空气源热泵冷剂直热式建筑采暖系统研究现状[J].建筑节能，2017，43（7）：21-24.

[2]辛宏.空气源热泵地板采暖技术在民用住宅上的应用[J].应用能源技术，2017（8）：32-36.