行为模式对户式空气源热泵地暖系统供热性能的影响

武群飞 南晓红 王筠涵

(西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院 西安 710055)

我国越来越重视能源环境问题与可持续发展，相继提出“绿水青山就是金山银山”的理念和三大攻坚战之一的“蓝天保卫战”。针对传统的小型分散燃煤锅炉等效率低、污染大的采暖系统提出了“煤改清洁能源”工程，其中空气源热泵以高效、节能和环保的优势在一众“煤改电”设备中脱颖而出，被迅速推广使用[1]。2020年9月，我国政府正式提出碳达峰和碳中和的目标，可以预见空气源热泵的使用将进一步增加，前景持续向好[2]。

地板辐射供暖系统具有节能、卫生条件好和舒适性高等优点，供暖所需热水温度较低，可与空气源热泵很好的结合，使空气源热泵在高效的状态下运行。目前空气源热泵地板辐射供暖系统已得到广泛使用[3-4]。

对于使用者来说，相比于集中供热，户式空气源热泵供暖系统在运行时更加灵活，使用者可以根据舒适、经济和节能等因素自行调节供水温度和供暖时间。使用者设置的系统运行参数及控制策略对系统的供暖效果和能耗有重要影响，国内外学者对此进行了大量研究[5-7]。张寅等[8]分析实验测试数据发现减小地板供暖管敷设间距可以适当降低供水温度，进而提高空气源热泵的工作效率。吴学红等[9]发现环境温度为-12 ℃，供水温度由25 ℃增至55 ℃时，系统能耗增加105%，系统能效下降47.6%。张杨杰[10]指出供水温度越高，管网的传热能力越强，辐射地板的散热量越大，室内温度越高。此外，一些学者提出的间歇控制策略[11-13]和预测控制策略[14]可以在保证室内舒适性的前提下降低能耗，同时提高经济性。

对于北方高校随新校区建设而配套的教职工公寓或住宅，普遍存在入住率低、入住人数少以及不定期等诸多情况，采用户式空气源热泵地暖系统供热具有显著优势，可以通过改变供水温度以及控制分集水器上的阀门来满足个性化的供暖需求。因此，研究不同行为模式下的采暖系统运行特性对于探究采暖系统的舒适性及节能性非常必要。

大多数户式供暖研究使用测试室和计算机建模，然而实际系统的性能通常与实验室测试或使用计算机模型计算的性能不同，因为实际使用时环境条件处于变化之中。本文对西咸新区某住宅户式空气源热泵地板辐射供暖系统进行实验，分别研究了改变供水温度和供暖回路数量后系统的供暖效果和运行特性。

1 实验系统与方法

1.1 实验对象

在位于西咸新区的中国西部科技创新港内有2 000余套住宅使用户式空气源热泵二联供系统进行冬季采暖，采暖时有热风和地暖两种选择。本实验选取其中一套住宅作为测试对象，主要针对地暖系统进行研究与分析。测试住宅建成于2020年，围护结构各项参数满足陕西省DBJ 61-65-2011《居住建筑节能设计标准》[15]的规定，面积为167.55 m2，处于其所在高层住宅楼的中部，无人居住且无家具摆放，同一层及上下层相邻住宅均不采暖。

根据文献[16]中的热负荷计算方法，规定供暖室内设计温度为18 ℃，计算得到热负荷为8.3 kW。根据文献[17]对机组的有效制热量进行修正后选取的空气源热泵参数如表1所示。供暖系统设计供回水温度为45 ℃/40 ℃，住户可根据需要自主运行系统为连续供暖或停止供暖。

表1 空气源热泵性能参数Tab. 1 Performance parameters of air-source heat pump

住宅内地埋管采用湿式埋法，地暖盘管选择PE-RT管，管外径为20 mm，管间距由设备厂家根据供暖设计参数计算得到，分别为150 mm(主卧、书房、主卫、客卫)和200 mm(次卧、客卧、客厅、餐厅)等。系统初调节已完成，由设备厂家实施。

实验测试住宅及温度测点平面布置如图1所示，其中客厅采用瓷砖铺设，卧室和书房采用地暖专用复合木地板铺设。

a空气源热泵室外机；b空气源热泵室内机；c分集水器；d客卧温度测点；e客厅温度测点；f次卧温度测点g主卧温度测点；h书房温度测点。图1 住宅及测点布置平面图Fig. 1 Layout plan of residence and measuring points

1.2 实验系统

实验系统如图2所示。本实验采用分体式空气源热泵，包括室外机和室内机。室内机由套管式换热器、电加热器、膨胀水箱、水泵和Y型过滤器等装置组成，通过套管式换热器实现制冷剂与地暖水的热量交换，制备低温热水用于冬季采暖。由于存在室内机，整个水系统均处于室内，相比于水系统在室外的整体式空气源热泵，可以更好地实现防冻。

1风机；2翅片式换热器；3四通换向阀；4压缩机；5电子膨胀阀；6套管式换热器；7电加热器；8膨胀水箱；9 水泵；10分水器；11集水器；12Y型过滤器。图2 实验系统Fig. 2 Experimental system

1.3 实验方法

1.3.1 实验A

为考察户式空气源热泵地暖系统在冬季不同供水温度时的供暖特性，综合考虑房间使用功能、朝向和地板材质，于2021年1月11—16日对客厅、卧室及书房内的空气温度和地面温度进行了测试，同时还测试了室外温度、供回水温度及系统耗电量等参数，测试仪器如表2所示。

表2 测试物理量及测试仪器性能参数Tab. 2 Test physical quantity and performance parameters of test instrument

供、回水温度测点如图2中T1和T2所示。室内空气温度测点方面，考虑到人员的生活习惯， 客厅在垂直方向上布置了两个测点，分别为0.6 m(坐姿腹部)和1.1 m(坐姿头部)；主卧在0.6 m(床上平躺高度)处设置了一个测点；书房在1.1 m(坐姿头部)处设置了一个测点；客厅和书房温度测点在水平方向上布置时考虑到室内人员预期所处的位置，卧室温度测点均布置在房间中心，如图1所示。地面温度测点与室内空气温度测点的水平位置相同，紧贴地板表面。

空气源热泵供水温度可设定范围为25～55 ℃，实验A选取高限55 ℃和较低温度30 ℃进行测试，根据供水温度不同，可以分为如下阶段：

(1)1月11日13∶00至1月14日09∶00，供水温度设定为55 ℃；

(2)1月14日09∶00至1月15日19∶00，关闭机组，自然降温；

(3)1月15日19∶00至1月16日09∶00，供水温度设定为30 ℃。

1.3.2 实验B

测试住宅内的客厅、书房和卧室等房间的地暖盘管回路均为独立设置，关闭客厅对应的盘管回路不会影响书房和卧室内盘管的正常供暖。实验B主要研究改变供暖回路数量后的室内温度和耗电量的变化规律，根据供暖回路数量不同，可以分为两个阶段：

阶段Ⅰ：2020年12月17日19∶00至2021年1月1日14∶30，供水温度为45 ℃，所有地暖盘管回路阀门均打开，即全屋供暖；

阶段Ⅱ：2021年1月1日14∶30至2021年1月9日00∶00，供水温度为45 ℃，关闭次卧和客卧对应的地暖盘管回路的阀门，即次卧和客卧停止供暖，其他房间正常供暖。

实验B对客厅、书房和3个卧室的空气温度以及系统耗电量进行了测试，空气温度测点平面布置如图1所示，每个房间一个测点，高度为1.1 m，测试仪器与实验A相同。

为了保证测试结果的准确性，将实验使用的所有温度自记仪置于房间内同一位置，一段时间后，判断各温度测试仪器的读数误差是否在±0.5 ℃内，若是，则认为温度自记仪符合实验要求。结果表明，各温度自记仪的读数误差能保证在±0.4 ℃内，可以用于实验测试。

1.4 热环境评价指标

当地板温度过暖或过冷时，人们由于足部的热感可能感觉不舒服，对于穿着较薄室内鞋的人而言，影响舒适的因素主要来自地面温度而不是地板覆盖材料[18]。基于对站立或静坐人们的研究，提出地板表面温度局部不满意率，可按式(1)计算：

(1)

式中：PD为地板表面温度局部不满意率，%；tf为地板表面温度，℃。该式不适用于长时间使用电加热地板的人。

文献[18]将建筑室内热湿环境分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级共3个等级，分别对应PD<15%、15%≤PD<20%和PD≥20%。

2 实验A结果及讨论

2.1 阶段(1)供暖效果

阶段(1)测试期间，室外温度为-7.2～16.5 ℃，平均气温为2.2 ℃；相对湿度为24.3%～88.9%，平均相对湿度为59.7%。设定供水温度为55 ℃，测得的室内空气温度和地面温度分别如图3和图4所示。可以看出在客厅高度方向上，地面温度最高，1.1 m处空气温度最低，坐下时脚暖头凉且温差始终未超过1.5 ℃，符合人体热舒适要求。以客厅0.6 m和1.1 m处空气温度的平均值来代表客厅空气温度，达到较稳定状态时，客厅、主卧和书房空气温度分别约为26、22、21.5 ℃，客厅和主卧地面温度分别约为33 ℃和28.5 ℃。

图3 阶段(1)室内空气温度随时间的变化Fig. 3 Variation of indoor air temperature with time in stage (1)

图4 阶段(1)地面温度及PD随时间的变化Fig. 4 Variation of ground temperature and PD with time in stage (1)

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[16]规定，人员长期逗留区域室内空气温度应取18～24 ℃；人员经常停留的地面宜采用的温度为25～27 ℃。可知达到较为稳定状态时，客厅空气温度和地面温度均已超过了规范推荐的范围，不利于节能。

根据式(1)计算地板表面温度局部不满意率，结果如图4所示。初始地面温度较低，PD较高，机组开机后，客厅PD和主卧PD均迅速下降，5 h后PD降至20%以内。随着供暖的进行，主卧PD始终可以保持在15%以内，舒适性较好；而客厅由于地面温度过高，反而导致PD越来越高，并在1月13日上午回到20%以上，室内热湿环境处于Ⅲ级，舒适度较低。实际1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外气温较低，平均气温为-2.3 ℃，但PD仍然可以保持在20%以上。可知过高的供水温度会造成局部热不适，表明用户虽然可以自行设定供水温度，但不宜设置过高。

2.2 不同供水温度供暖效果的对比

选取室外温度相近的两个夜间进行不同供水温度下供暖效果的对比。1月13日19∶00至1月14日09∶00，室外温度为-6.4～5 ℃，平均值为-2.3 ℃，供水温度为55 ℃；1月15日19∶00至1月16日09∶00，室外温度为-7.2～3.8 ℃，平均值为-1.83 ℃，供水温度为30 ℃。

图5和图6所示分别为两种供水温度下不同房间的室内温度和地面温度。供水温度为55 ℃时，客厅室温与主卧室温平均差值在3.5 ℃以上，与书房室温平均差值在4 ℃以上；供水温度为30 ℃时，客厅室温与主卧室温平均差值在1 ℃以下，与书房室温平均差值在1.5 ℃以下。可知不同房间室内温度的差值会随供水温度的升高而增大，而过大的温差会使人员从高温房间进入低温房间时感到寒冷与不适，因此供水温度不宜设置过高。

图5 不同供水温度下室内空气温度对比Fig. 5 Comparison of indoor air temperature under different water supply temperatures

图6 不同供水温度下地面温度对比Fig. 6 Comparison of ground temperature under different water supply temperatures

2.3 不同供水温度耗电量的对比

1月13日19∶00至1月14日09∶00和1月15日19∶00至1月16日09∶00这两段时间室外温度相近，热负荷相似，耗电量具有可比性，具体耗电量如表3。可知采用55 ℃供水温度比采用30 ℃供水温度耗电量增加191%，可知相同的设备供水温度越高，向室内释放热量越多，耗电量也越大。根据实验观察，采用55 ℃供水温度进行供暖时，电加热一直保持开启状态(不包括除霜期间)，这也是耗电量更高的原因之一。因此考虑节能方面，应在满足人体热舒适性的前提下选择较低的供水温度，减少机组在运行过程中的耗电量。

表3 不同供水温度下的耗电量Tab. 3 Power consumption under different water supply temperatures

3 实验B结果及讨论

实验B供水温度为45 ℃，2020年12月17日19∶00开机，运行至2021年1月9日00∶00关机，共533 h。实验B测试期间，室外温度为-11.9～11.3 ℃，平均气温为-1.7 ℃；相对湿度为23.3%～93.5%，平均相对湿度为61.2%。

3.1 改变供暖回路数量对室温的影响

由图1可知，主卧与次卧相邻而与客卧相距较远，客厅与次卧和客卧均相邻且处于两个房间之间，书房与次卧和客卧均不相邻。可以预见，当次卧和客卧不再进行供暖时，与这两个房间相邻的房间室温必然会受到影响。因此根据房间的相邻关系选取主卧、次卧、客厅和书房作为代表性房间，对这些房间室温的变化进行分析，各房间空气温度在整个测试期间的变化如图7所示。

图7 实验B室内空气温度随时间的变化Fig. 7 Variation of indoor air temperature with time in test B

由图7可知，阶段Ⅰ机组开机后，室内温度迅速上升，经过100 h，所有房间室温均达到稳定状态，此时室外温度的变化对室内温度影响较小。至阶段Ⅱ时，由于次卧停止供暖，空气温度迅速下降，最终维持在约14 ℃且波动较小，与阶段Ⅰ次卧室温的稳定值相比，下降约8.5 ℃。主卧、客厅和书房室温同样存在不同程度的降幅，以阶段Ⅱ开始时刻为中心，前7 d与后7 d室外气温相近，分别计算前7 d和后7 d各房间室温的平均值来代表两个阶段各房间室温的平均值，计算结果如表4所示。由表4可知，室温降幅由大到小依次为：客厅>主卧>书房，这是由于各房间的位置关系导致。从数值来看，主卧和书房室温分别降低了1.4 ℃和0.5 ℃，对于地暖供热而言这是可以接受的；客厅室温降低了2.9 ℃，温降较大，会对室内热舒适性产生不利影响。由此可知，用户在减少室内供暖房间数量时，应考虑到各房间的位置关系，避免正常供暖的房间有两个或两个以上邻室停止供暖。

表4 阶段Ⅰ与阶段Ⅱ各房间平均室温Tab. 4 Average room temperature of each room in stage Ⅰ and stage Ⅱ

3.2 改变供暖回路数量对耗电量的影响

实验期间的日耗电量如图8所示，在阶段Ⅰ刚开始供暖时，日耗电量较高，最高达到140 kW·h，随后逐渐趋于稳定，保持在约75 kW·h。至阶段Ⅱ时，由于关闭了两路地暖盘管，向室内的供热量减少，机组耗电量也有所降低。以阶段Ⅱ开始时刻为中心，不包括1月1日当日，分别计算前7 d和后7 d机组日耗电量的平均值来代表两个阶段日耗电量的平均值，计算得到阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的平均日耗电量分别为76.1 kW·h和 61.9 kW·h。说明关闭两路地暖盘管后，耗电量减少18.7%，节能效果显著，对于户式空气源热泵地暖系统，可以采用减少供暖回路的数量来实现节能运行。

图8 实验B日耗电量随时间的变化Fig. 8 Variation of daily power consumption with time in test B

4 结论

本文针对不同的供暖行为模式对户式空气源热泵地暖系统节能与舒适性的影响进行了实验研究，得到如下结论：

1)设定过高的供水温度不仅不利于节能而且会由于高温造成过热不舒适。室外平均温度为-2.3 ℃，按照机组最高供水温度55 ℃运行时，会导致室内温度过高，地板表面温度局部不满意率超过20%，耗电量相对于供水温度为30 ℃时增加了191%。

2)随着供水温度的提高，户内各房间的温差变大，过大的温差会使人员从高温房间进入低温房间时感到寒冷与不适，因此供水温度不宜设置过高。

3)按需减少供暖回路数量的行为模式对正常供暖房间室温的影响程度与各房间的位置关系相关，应避免正常供暖的房间有两个或两个以上邻室停止供暖。室外平均温度为-1.7 ℃，次卧和客卧停止供暖后，主卧、客厅和书房室温比全屋供暖时分别降低1.4、2.9、0.5 ℃。

4)按需减少供暖回路的数量可以显著降低系统耗电量。次卧和客卧停止供暖后，系统耗电量降低了18.7%。合理减少供暖回路数量，可以在保证室内热舒适性的前提下实现系统的节能运行。