基于空气源热泵与新型通水地板的辐射供暖系统应用分析

乔桂楠，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 300450）

0 引言

空气源热泵在开采低品位可再生能源方面起着重要作用，“十三五”期间，随着京津冀一体化进程和压缩燃煤治理雾霾的推动，空气源热泵在替代分散燃煤方面将起到关键作用，从现有技术设备性能看，基本上具备寒冷地区推广应用的条件。对于住宅热水供暖系统，可以采用35 ℃热水小温差换热末端达到室内舒适性要求，由此可以大大拓宽寒冷地区的适应性及节能性[1]。

广大的北方严寒地区和寒冷地区，地板辐射供暖已经应用到各类建筑当中，已成为目前我国常用的供暖形式之一。低温地板辐射供暖将辐射热量直接投射到人体，在建立同样舒适条件的前提下，室内设计温度可以比对流供暖时降低2～3 ℃，由此可降低室内外空气对流热损失，从而供暖热负荷可减少10%～15%，供暖季耗热量降低13%～22%[2]。低温辐射供暖的换热温差小，热媒水温度低，可以合理利用太阳能、空气能等低品位热源[3-4]。

新型通水式辐射地板基本结构形式如图1所示，上部是卡扣式可换面层，中间是通水基板，下部分为挤塑保温板，并由连接管、异型螺母、水连接件等连接起来。每条通水地板中，有12个通道，多孔通水道小于9 mm，保证内压与外压的承重力。循环水与地表面垂直距离只有3.5 mm，地板热阻很小，开始供暖后房间温度上升比较快。在通水基板下铺设厚度3 cmXPS（挤塑聚苯板）保温层，具有绝热性、隔音性。经实验测试，在不同供水温度工况下，供水温度分别为30，35，40 ℃时，单位面积散热量分别在 30～35，49～55，70～76 W/m2范围内变化[5-6]，均能满足JGJ 142-2012辐射供暖供冷技术规程[7]中的相关规定。

图1 新型通水式辐射地板结构形式Fig.1 Structural style of the new type water-passing radiant floor

由此可见，空气源热泵是作为辐射供暖系统的有效热源设备之一，而新型通水板作为辐射供暖末端，其敷设方式相比传统地板辐射形式具有更均匀的加热表面，因而与供暖空间换热效果会进一步提升，可以进一步降低热媒水温，进而提高空气源热泵运行能效[8]。本研究针对天津地区典型办公建筑的实际应用情况进行运行监测，通过运行监测数据分析了该空气源热泵与新型辐射地板集成系统的运行性能。

1 工程应用概况

本次研究项目位于天津市某单位办公楼，共有4层，建筑面积1 208 m2，地面均匀敷设新型通水式辐射地板。该办公建筑为既有厂房改造建筑，主体建筑材料为24空心砖，楼体西侧、北侧外墙无保温，传热系数为1.3 W/（m2·K）；楼体东侧、南侧外挂大理石岩棉保温（大理石2 cm，岩棉 10 cm），传热系数为 0.34 W/（m2·K），外窗采用PVC塑料低辐射中空单层玻璃，导热系数为2.0 W/（m2·K）。选取其中的两间典型房间（办公室、会议室）进行了数据监测，如图2所示。

图2 建筑模型及测试房间平面Fig.2 Building model and test room plan

室内设计热负荷计算主要依据文献[9]中对于办公建筑单位面积热指标的推荐值（60～80 W/m2），考虑到该建筑的外围护结构的保温性能，将单位面积热指标确定为70 W/m2，进而得到该建筑的冬季热负荷约为84.6 kW。确定热负荷后对系统设备进行选型，选取两台-7 ℃制热量为43.8 kW的空气源热泵机组并联运行，热泵机组制热参数见表1。

表1 空气源热泵机组参数Tab.1 Parameters of air source heat pump unit

供暖系统原理如图3所示。两台空气源热泵并联运行，热媒水由热泵接至各楼层分水器，通过新型通水地板对室内进行供暖。该办公建筑在非办公时间也有人员活动，供暖系统全天运行，在室内活动人员较少的节假日期间会适当降低热媒水的供水温度以及未使用房间的末端热媒水流量。

图3 供暖系统原理Fig.3 Schematic diagram of the heating system

2 测试方案及评价指标

2.1 测试方案

通过测量热泵机组的流量、供回水温度以及电功率来确定系统供热量、耗电量以及能效比；通过在典型房间布置测点测量室内温湿度分布情况来分析室内的供暖效果。

运行能耗涉及测点布置如图4所示，在空气源热泵机组供回水干管上安装了热电阻温度传感器；并在回水干管上安装了涡轮流量计用来测量循环水流量；采用功率计量仪确定每台机组的电功率。所测参数设置为每隔1 min记录一次数据，最终连接至彩色无纸记录仪读取数据。

图4 能耗测点布置示意Fig.4 Schematic diagram of energy consumption test point arrangement

主要涉及的测量仪器及参数见表2。依据JGJ/T 347-2014建筑热环境测试方法标准[10]对典型房间做了温湿度测点布置，如图5，6所示：在房间中心的地板表面布置了1个温度测点；在办公室、会议室分别放置了4，3个测杆，并根据室内人员的主要活动情况在每个支架上布置了5个测点，高度依次为 0.1，0.6，1.0，1.7，2.2 m，分别对应人体部位的脚踝、坐姿腹部、站姿腹部/坐姿头部和站姿头部以及房间上部；在办公室工位和会议室1.0 m高度处分别布置了6，1个温湿度测点。温湿度自记仪每隔5 min自动记录一次数据。

表2 测试仪器性能参数Tab.2 Performance parameters of test instrument

图5 办公室测试现场及测点布置Fig.5 Office room test site and test point arrangement

图6 会议室测试现场及测点布置Fig.6 Conference room test site and test point arrangement

2.2 评价指标：

3 测试结果分析[14-20]

测试期间室外温度变化范围为-9.7～14.2 ℃，统计了测试期间2月4日～3月5日共30天的全部有效数据，其中包含了热泵机组的除霜工况对实际耗电量、供热量的影响。

3.1 运行能耗分析

通过分析日耗电量、单位面积供热量与室外温度的关系如图7所示。从图可以看出，测试期间日耗电量变化范围为506～941 kW·h，平均值为707.7 kW·h；单位面积供热量范围为50～65 W/m2，平均值为54.6 W/m2；耗电量和供热量随室外平均温度升高而降低。

图7 日耗电量、单位面积供热量与室外温度关系Fig.7 Relationships between daily power consumption，heating capacity per unit area and outdoor temperature

3.2 运行能效分析

辐射供暖系统及热泵机组的能效如图8所示（其中COPsys为系统能效，COP为不含水泵能耗的热泵机组能效）。可以看出，COPsys在1.8～2.5之间，平均值为2.20，忽略水泵能耗后，热泵机组的COP可提升6%～10%左右。

图8 日平均COP变化Fig.8 Daily variation of COP

3.3 最冷日系统逐时性能分析

测试期间系统最不利工况出现在2月11日，当日室外干球温度-9.7～-0.8 ℃，相对湿度10%～26%，气候呈现“干冷”的特点，对机组进行低温低湿工况可靠性分析如图9，10所示。可以看出，该日机组耗电量基本处于稳定状态，日间的供热量高于夜间的供热量，并且出现几次供热量为负值情况，为热泵机组在处于除霜运行模式。机组供水温度在28.4～36.0 ℃之间，平均供水温度为 34.0 ℃。将供水温度下降的时间 A，B，C，D，E，F视为机组除霜运行时间，每次除霜1～2 min，除霜后机组切换回供热状态。

图9 耗电量、供热量及室外温度变化Fig.9 Hourly variation of power consumption，heating capacity and outdoor temperature

图10 最冷日供回水温度变化Fig.10 Hourly variation of supply/return water temperature

根据计算，该日供热量为75.1 kW，耗电量为32.9 kW，COPsys为 2.3。

图11示出该日室内平均温度变化范围，可以看出，室内温度均在21.0 ℃以上，达到设计规定温度，供暖效果良好。

图11 室内平均温度变化Fig.11 Hourly variation of average indoor temperature

3.4 供暖效果分析

以办公室室内工位温度、会议室1.0 m处温度表征室内平均温度，测试期间室内平均温度变化情况如图12所示。可以看出，办公室平均温度变化范围为21～28 ℃，平均温度为25.0 ℃；会议室平均温度变化范围为18～26 ℃，平均温度为22.9 ℃。

图12 室内温度变化Fig.12 Daily variation of indoor temperature

测试期间房间不同高度的测点温度变化情况如图13所示。室内0.1 m处地表温度最高，1.0，1.7 m处温度最低，2.2 m处温度有一定的回升，同一位置不同高度的温差最高为3.3 ℃。

图13 室内垂直温度变化Fig.13 Variation of indoor vertical temperature

室内空气的温湿度以及空气流动速度等因素共同决定了在某一特定环境下人体的热舒适度，由于辐射供暖不会出现冷吹风感，所以主要考虑温度对热舒适性的影响。

根据测试数据计算每天的不满意率结果如图14所示。办公室地板表面温度局部不满意率LPD1＝18.52%处于Ⅰ级标准，66.67%处于Ⅱ级标准，14.81%处于Ⅲ级标准，垂直空气温度差LPD2均处于Ⅰ级标准；会议室地板表面温度局部不满意率LPD1处于Ⅰ级标准和Ⅱ级标准的比例分别为89.66%和10.34%，垂直空气温度差局部不满意率LPD2均处于Ⅰ级标准范围。室内人员对室内环境的满意度较高。

图14 局部不满意率Fig.14 Results of local thermal uncomfort

4 季节供热性能评价及能效提升途径

4.1 季节供热性能评价

天津市供暖季为每年11月15日到次年3月15日，共计121天，以每日室外天气平均温度将测试期间划分为初冷日（t≥5 ℃）、典型日（-2 ℃≤t＜5 ℃）、深冷日（t＜-2 ℃）3种类型日，统计测试期间这3种类型日的能耗情况，并根据当年室外气象参数得出整个供暖季中3种表征日的天数，评估整个供暖季的能耗情况；按不同类型日累计情况估算季节能效系数HSPF，得到表3，4。将kW·h换算成GJ，可得出整个供暖季系统总供热量为684.1 GJ，耗电量为312.0 GJ，季节供热性能系数HSPF为2.19。

表3 建筑能耗情况Tab.3 Building energy consumption

表4 供暖季建筑能耗估算Tab.4 Estimation of building energy consumption in heating season

4.2 运行性能提升途径

不同室外天气条件下机组供水温度与耗电量的关系如图15所示。

图15 不同典型日供水温度与耗电量变化Fig.15 Daily variation of water supply temperature and power consumption in different typical days

由最冷日系统分析可知，测试期间最冷日平均供水温度为34.0 ℃，此时室内温度仍在21 ℃以上，符合供热规范要求。当供水温度从40 ℃降至34 ℃时，初冷日可节约耗电10.2%，典型日6.4%，深冷日9.8%，有一定节能提升潜力。

建筑室内外温差与单位面积供热量之间的线性关系如图16所示。建筑室内外温差与单位面积供热量呈线性正相关，室内外温差降低1 ℃，单位面积供热量降低1.47 W/m2。

图16 单位面积供热量与室内外温差关系Fig.16 Relationship between heating capacity per unit area and indoor/outdoor temperature difference

由室内温度的监测结果可知：测试期间室内的平均温度为23.9 ℃，远高于设计温度（18～20 ℃），系统未进行节能运行设计。

低温地板辐射供暖将辐射热量直接投射到人体，设计温度可以比对流供暖时降低2～3 ℃。通过单位面积供热量与室内外温差的线性关系计算室内温度降低至18 ℃时的运行能耗见表5，不同典型日节能率分别为15.8%，11.4%，7.0%，整个供暖季节电约9 052.4 kW·h，节能率10.4%。

表5 室内温度降低至18 ℃时运行能耗Tab.5 Operating energy consumption when the indoor temperature is reduced to 18 ℃

5 结论

（1）辐射供暖系统日平均供热量1 569.5 kW·h，日平均耗电量 715.5 kW·h，COPsys平均值 2.20，单位面积供热量平均值为54.6 W/m2，有一定的节能效果。

（2）测试期间办公室和会议室单位面积供热量在30～60 W/m2之间，办公室平均温度25.0 ℃，会议室平均温度22.9 ℃。最冷日平均供热量75.1 kW，耗电量为32.9 kW，COP值为2.30，运行能效良好，室内温度在21.0 ℃以上，满足供热需求，可进行推广使用；室内基本达到90%以上人群满意的环境，室内人员对室内环境的满意度较高。

（3）该建筑季节供热性能系数HSPF为2.19，有一定节能效果。测试期间室内平均温度23.9 ℃，未进行节能运行，如果室内温度降低至18 ℃，整个供暖季节电约9 052.4 kW·h，节能率10.4%。

可以看出，系统运行能效还有一定的提升空间，供暖季可按不同室外天气条件设置不同的运行工况，以提升系统的季节能效比。该新型通水地板由于可以快速提升温度的特性，可采取分时段分区域的运行调控策略，进一步挖掘运行节能潜力。此外，该建筑为既有厂房改造的办公建筑，提升建筑围护结构的热工性能，系统供热效率将进一步提升。