新型通水地板耦合空气源热泵辐射供暖性能实验

高 峰 王 宇 李艳菊 李胜英 郭春梅

(1 天津城建大学能源与安全工程学院 天津 300384；2 天津住宅科学研究院有限公司 天津 300000)

为实现我国建筑节能和可持续发展，提出新的有效措施来降低建筑中暖通空调领域的能耗具有重要的现实意义[1]。空气源热泵具有高效、节能、环保的独特优势，在我国北方，特别是京津冀地区具有良好的应用前景[2]。但寒冷的北方地区和高湿寒冷的南方，低温适应性和除霜制约着空气源热泵的发展[3-5]。因此了解空气源热泵供暖系统在低温环境下的运行状况，需要大量的现场测试数据支撑，针对这一问题，周超辉等[6]在北京某教学楼测试了不同运行方案对热泵能效和能耗的影响。艾凇卉等[7]在室外温度为-8 ℃时开展实测，实验表明热泵机组在测试期间运行稳定，平均出水温度为42.0 ℃，能效比保持在2.8以上。白晓夏等[8]在北京地区-15.2～-5.1 ℃的室外低温环境中进行实测，当温度低至-15.2 ℃时，热泵制热量衰减幅度高达55%。肖婧等[9]进行了为期3个月的现场测试，研究了热泵机组在-16.5～-6 ℃的低温环境中的运行特性、供热性能与末端供热效果。

供暖系统的合理匹配需从源端和末端综合考虑。低温辐射供暖末端传热温差小，热媒水温度低，冬夏兼用的空气源热泵、直燃机热泵、太阳能空调等前端设备，可以提供低温辐射地板冬季供暖所需要的35～45 ℃的热媒水。辐射供暖系统与传统散热器相比，在建立相同舒适条件的前提下，室内设计温度可降低2～3 ℃，从而降低室内外空气对流热损失，供暖热负荷可减少10%～15%，供暖季耗热量降低13%～22%[10]。宋春晖[11]提出了两种辐射侧板末端形式，分别进行测试，并通过模拟软件对各工况下室内空气速度场、温度场、PMV以及PPD的分布情况进行分析；张俊芳[12]对本文研究的新型通水地板进行实验测试，确定了地板表面的综合传热系数，并利用数值模拟的方法分析相同室温下，不同供水温度、不同流速对散热量的影响。张晓伟等[13]用VB编程模拟出低温辐射地板采暖系统的水流速在0.01～0.03 m/s范围内为最佳。董浩川等[14]对新型通水地板进行了实验测试，分析了不同组合优化方法及节能性分析，并利用模拟软件对地板的PPD-PMV进行了估算。

新型通水地板作为一种低温辐射供暖末端，主要运用硬聚氯乙烯材料，制成可通水式地板条，地板条通过连接件连成一个整体，热水在板内流动向房间提供热量。其构成如图1所示，上部为卡扣式可换面层，中间为通水基板，下部分为挤塑保温板，并由连接管、异型螺母、水连接件等连接。

图1 通水地板构成Fig.1 Composition of radiant floor

新型通水地板结构参数如表1所示。在通水基板下铺有厚度为3 cm的挤塑聚苯板作为保温层，具有良好的绝热性、隔音性。

表1 通水地板结构参数Tab.1 Structural parameters of radiant floor

目前，新型通水地板的研究主要集中在理论分析和实验验证[15-17]，本文对新型通水地板耦合空气源热泵辐射供暖系统在我国热工分区中寒冷地区天津市的实际运行情况开展了76 d现场实测，测试工况为-10.1～2.1 ℃的低温工况，重点考察该系统在北方寒冷地区供暖季实际运行的性能表现。

1 工程概况及测试方案

1.1 测试工程

测试工程位于天津市西青区某住区管理机构用房，层高2.75 m，供暖面积48.72 m2。图2所示为测试工程的建筑平面图，室内(阴影部分)铺设新型通水地板作为供暖末端。

图2 建筑平面Fig.2 Building plan

1.2 供暖系统及运行测试方案

测试工程应用的空气源热泵机组规格参数如表2所示。

表2 空气源热泵机组参数Tab.2 Performance parameters of air-source heat pump

图3所示为测试方案流程。在热泵供、回水管路设有热电阻温度传感器测量供、回水温度；利用液体涡轮流量计测量地板循环水流量；利用功率计量仪测量热泵机组的电压、电流，通过无纸记录仪存储以上测试数据。通过温湿度自记仪测量室内外温湿度，通过电脑软件输出数据并进行计算分析。

图3 测试方案流程Fig.3 Schematic of test process

主要测量设备参数及采样周期如表3所示。

表3 主要测试设备参数Tab.3 Parameters of main test equipments

热泵机组瞬时制热量：

Qh=cvr(tsupply-treturn)

(1)

地板单位面积散热量：

(2)

热泵机组瞬时功率：

Eh=UI

(3)

热泵机组运行能效系数：

(4)

式中：Qh为机组瞬时制热量，kW；c为机组循环水的比热容，c=4.2 kJ/(kg·℃)；vr为机组循环水体积流量，m3/h，tsupply为机组供水温度，℃；treturn为机组回水温度，℃；q为新型通水地板单位面积散热量，W/m2；F为铺设通水地板面积，m2；Eh为热泵机组瞬时耗电功率，kW；U为机组工作电压，V；I为机组工作电流，A；COP为机组能效系数。

测试过程中相关测量参数的误差分析如下：

1)水温测量引起的误差：

热电阻的测温精度±0.2 ℃，测试过程中供水温度tsupply与回水温度treturn之差最大为15 ℃，ZX8100彩色无纸记录仪的测温精度为±0.28 ℃。

(5)

2)空气温度测量引起的误差：

(6)

式中：t为空气温度，℃。

3)时间测量引起的误差：

采集器最大时间间隔60 s；系统运行总时间最短取24 h。

(7)

4)功率测量引起的误差：

(8)

5)系统制热量误差：

(9)

6)系统瞬时能效系数COP计算误差：

(10)

综上计算得到系统性能误差约为3.8%。

1.3 供暖效果测试方案

测试室内温湿度要考虑人员在不同平面区域、高度时温湿度感知的差异。根据JGJ/T 347—2014 《建筑热环境测试方法标准》[18]对于四边形平面房间温湿度测点布置的规定，当房间面积小于16 m2时，应在房间平面对角线交点处布点；房间面积为16～30 m2时，取房间平面最长的对角线作为布点定位线，应在其3等分点处布点。具体要求如表4所示。

表4 空气干球温度和相对湿度测点布置方法及表征意义Tab.4 Measurement point arrangement method and characterization significance of air dry bulb temperature and relative humidity

测试位置处用RR002单项温度记录仪记录地板辐射表面温度，依托铝型材测杆，在测试位置离地板10、60、110、170 cm高度处分别垂直放置温湿度自记仪记录室内温湿度，如图4所示。通过该测点布置方法，测得的温度分布更加贴近人体真实感受。图中3个测试位置的测点布置情况均与测试位置1相同，地板表面温度、0.1 m处空气温度、0.6 m处空气温度、1.1 m处空气温度以及1.7 m处空气温度分别用ts、t0.1、t0.6、t1.1、t1.7表示，根据JGJ/T 347—2014《建筑热环境测试方法标准》[18]的规定，t1.1表示室内工作区域温度。

图4 测试位置布置Fig.4 Layout of test location

2 测试结果分析

2.1 系统整体运行性能

2019年12月—2020年2月在天津市进行了为期76 d的现场实测。如图5所示，2019年12月30日-2020年1月1日(本文图中日期标记为年/月/日)，室外温度最高为2.1 ℃，最低为-10.1 ℃，该3天为测试期内集中出现的最冷测试日。

图5 测试期内部分室外温度变化Fig.5 Changes of outdoor temperature during the test period

根据GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[19]的要求，局部舒适度评价应考虑冷吹风感、垂直空气温度差和地板表面温度。由于辐射供暖风速小于0.2 m/s，无需考虑冷吹风感。按式(11)～式(12)计算垂直空气温度差局部不满意率和地板表面温度局部不满意率：

LPD1=100-94e(-1.387 +0.118 ts-0.0025ts2)

(11)

(12)

式中：LPD1为地板表面温度局部不满意率，%；LPD2为垂直空气温度差局部不满意率，%；Δt为头部和脚踝之间的垂直温差，℃；ts为地板表面温度，℃。式(12)仅适用于头部与足踝部垂直温差小于8 ℃时。

根据GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准中》[19]的规定，将建筑室内热湿环境细分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级3个等级，分别对应 90%以上人群满意的环境，75%～90%人群满意的环境，75%以下人群满意的环境。图6所示为测试期内局部不满意率指标情况。测试位置3受围护结构影响，出现LPD2处于Ⅱ级指标的情况，但整体上，超过90%测试日中各位置的LPD1、LPD2处于Ⅰ级指标，其余全部处于Ⅱ级指标内，室内整体舒适度较高。

图6 测试期室内局部不满意率Fig.6 Local dissatisfaction rate of indoor locations during the test period

图7所示为测试期76 d机组的日平均制热量、日平均功率以及日平均COP情况。机组的日平均制热量变化范围是1.5～6.9 kW，平均值4.2 kW；日平均功率变化范围是0.6～3.2 kW，平均值1.6 kW；日平均能耗量0.79 kW·h/m2。机组日平均能效系数COP变化范围是1.43～3.54，平均值为2.31。

图7 测试期机组日平均制热量、功率及COPFig.7 Daily average heating capacity,power and COP of unit during the test period

图8 单位面积散热量随的变化Fig.8 Variation of heat dissipation per change

2.2 最冷测试日供暖效果

2019年12月30日0时至2020年1月2日0时3 d内，室外环境温度最低值为-10.1 ℃，最高值为2.1 ℃，平均值为-4.2 ℃；室外空气相对湿度平均值为33%，变化范围为16%～58%。该连续低温工况的温湿度变化如图9所示。传统空气源热泵在室外空气温度高于-3 ℃时，均可安全可靠运行[20]，而这一期间低于-3 ℃的工况时间占比达到了80%，因此重点分析最冷测试日系统的性能，考察系统在最不利室外气象条件下的性能表现。

图9 最冷测试日室外温湿度参数变化Fig.9 Variation of outdoor temperature and humidity parameters in the coldest test days

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[21]的规定，冬季室内舒适性温度参数为18～22 ℃，采取地板辐射供暖时室内温度范围比规范中设定值略低，为16～20 ℃。最冷测试日，室外温度变化范围为-10.1～2.1 ℃，室内所有测点瞬时环境温度始终不低于16.4 ℃，室内工作区域温度t1.1平均值为21.4 ℃，在室外温度为-10 ℃时，测试位置3(带外窗房间)的t1.1出现10 min瞬时温度为17.9 ℃的情况，除此之外的全部时刻，各测试位置的工作区域瞬时温度均大于18 ℃。如图10所示，计算3个测试位置同一高度所有瞬时温度的平均值分析垂直空间温度分布，随着高度增加，室内平均温度不断降低，地板表面平均温度变化范围为26.1～31.2 ℃，最高处平均温度变化范围为18.0～22.1 ℃，室内不同高度温度差异较小，供热效果良好。

图10 垂直空间温度分布Fig.10 Temperature distribution in vertical space

根据式(5)和式(6)计算最冷测试日室内各测试位置局部不满意率，结果如表5所示。经计算可得，最冷测试日室外温度变化范围为-10.1～2.1 ℃时，室内LPD1、LPD2全部处于Ⅰ、Ⅱ级标准范围，人员对室内环境的满意度较高。

表5 最冷测试日室内各位置局部不满意率Tab.5 Local dissatisfaction rate of indoor locations in the coldest test days

2.3 最冷测试日运行性能

在满足供暖需求的前提下分析系统在最冷测试日的运行特点。图11所示为最冷测试日不同环境温度下机组瞬时制热量、瞬时功率以及瞬时COP的变化情况。随环境温度上升，3者均呈上升趋势；瞬时功率变化范围为2.9～3.3 kW，平均值为3.2 kW；瞬时制热量变化范围为6.1～10.9 kW，平均值7.7 kW。瞬时COP变化范围为1.91～3.49，平均值为2.41。

图11 最冷测试日瞬时制热量、瞬时功率及瞬时COP 随环境温度的变化Fig.11 Variation of instantaneous heating capacity,instantaneous power and instantaneous COP with ambient temperature on the coldest test day

如图12所示，测试周期内系统瞬时能效系数COP出现过低于GB 29541—2013《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级》[22]中规定的能效限定值，可通过配置高制热能力热泵或与壁挂炉等多种能源联用，改善冬季最不利工况下的制热性能、提高用户用热体验。3个测试位置的t1.1平均值为21.4 ℃，高于GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[21]中规定的最小值18 ℃。

图12 瞬时COP、供水温度、室外温度、工作区域温度随时间变化Fig.12 Variation of instantaneous COP,water supply temperature,outdoor temperature and working area temperature with time

如图13所示，COP随供水温度和室外温度之差(tsupply-tw)的增大而减小。当供水温度和室外温度之差集中在36.5～45.2 ℃时，机组瞬时COP集中在2.01～3.49。

图13 供水与室外温度之差对瞬时COP的影响Fig.13 Influence of difference between water supply and outdoor temperature on instantaneous COP

图14所示为供水温度对机组性能的影响。在实际工况中筛选室外温度和室内办公区域温度基本相同的工况，分析COP、能耗(功率)随供水温度变化的规律。以室外温度(0±0.2)℃，室内工作区域温度(22.5±0.2)℃的工况为例，若供水温度从38.5 ℃降至约36 ℃，瞬时COP呈上升趋势；能耗由3.17 kW降至3.07 kW，节能3.3%。相同室外温度下，在保证室内供暖达标的基础上适当降低供水温度，可降低机组能耗，使系统更节能。

图14 供水温度对机组性能影响Fig.14 Influence of water supply temperature on unit performance

图15所示为供回水平均温度与室外温度之差和热泵瞬时COP的关系。室外环境温度与水箱温度分别影响热泵机组蒸发器和冷凝器的换热情况，以供回水平均温度代表水箱温度，分析供回水平均温度ta与室外温度tw之差变化同热泵运行能效系数COP的关系。热泵瞬时COP随供回水平均温度与环境温度之差的增大而减小，系统稳定运行时温差范围集中在34～43 ℃，此时机组瞬时COP集中在1.92～3.19。

图15 瞬时COP随(ta-tw)的变化Fig.15 The variation of instantaneous COP with (ta-tw)

3 结论

本文对新型通水地板耦合空气源热泵辐射供暖系统在天津市进行了76 d现场测试，并对该系统的实际供暖效果及运行性能进行了分析。得到如下结论：

2)最冷测试日时，室内工作区域瞬时温度t1.1的平均值为21.4 ℃。在室外温度为-10 ℃时，室内工作区域共出现10 min瞬时温度为17.9 ℃的情况，除此之外的全部时间室内工作区域瞬时温度均大于18 ℃。计算用户局部不满意率，室内LPD1、LPD2全部处于Ⅰ、Ⅱ级标准范围，人员对室内环境的满意度较高，不会出现忽冷忽热的不适感。新型通水地板耦合空气源热泵辐射供暖系统在北方寒冷地区运行时，可以满足冬季供暖需求。

3)最冷测试日时，环境温度变化范围为-10.1～2.1 ℃，相对湿度变化范围为16%～58%。此时系统瞬时制热量变化范围为6.1～10.9 kW，瞬时功率变化范围为2.9～3.3 kW，瞬时COP变化范围为1.91～3.49。以室外温度0 ℃，室内工作区域温度22.5 ℃时工况为例，若供水温度从38.5 ℃降至36 ℃，系统的实际供暖温度仍高于规范中的室内设计温度，但能耗由3.17 kW降至3.07 kW，节能3.3%，瞬时COP也呈上升趋势。因此，在满足室内供暖温度和热舒适性的前提下，根据用热端负荷需求情况调控供暖负荷，是使系统进一步节能的可行研究方向。