摘要：空氣源熱泵作為冷熱源的系統(tǒng)既解決了夏季空調(diào)的需要，又可在冬季提供舒適的溫水地板采暖。本實(shí)驗(yàn)研究以上海地區(qū)的一棟獨(dú)立別墅住宅為對(duì)象，經(jīng)過(guò)采暖期中一個(gè)月的實(shí)測(cè)，系統(tǒng)地測(cè)得了空氣源熱泵地板采暖的特性參數(shù)和運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，把握了空氣源熱泵地板采暖的運(yùn)行規(guī)律。本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。 
關(guān)鍵詞：地板輻射采暖 冷熱源 風(fēng)冷熱泵 
1 引言
　　我國(guó)上海地區(qū)地處夏熱冬冷地區(qū)，日平均氣溫低于5℃的天數(shù)將近60天。不設(shè)采暖空調(diào)時(shí)，冬季室內(nèi)溫度低于熱環(huán)境衛(wèi)生學(xué)下限標(biāo)準(zhǔn)，影響工作﹑生活和健康。由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，不但在夏季采用空調(diào)制冷已經(jīng)相當(dāng)普遍，而且對(duì)冬季的采暖需求也日趨增強(qiáng)。
　　空氣源熱泵夏季可制冷，冬季可提供低溫?zé)崴５镜牡蜏責(zé)崴趥鹘y(tǒng)的空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中難以發(fā)揮出令人滿意的采暖效果，而低溫?zé)崴ㄒ话阍?0-45℃左右）理論上卻恰好滿足地板輻射采暖系統(tǒng)的需要，從而有可能使能源得到梯級(jí)利用，提高能源的利用效率。同時(shí)將夏季供冷和冬季供熱系統(tǒng)進(jìn)行了合理整合。這樣的系統(tǒng)形式雖然已經(jīng)在北方地區(qū)得到應(yīng)用，但對(duì)于在不同地區(qū)的適用性尚有待研究。
　　對(duì)地板輻射采暖的研究在最近幾年得到展開(kāi)，從傳熱模型的建立到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，也有一些地區(qū)的實(shí)際住宅的實(shí)測(cè)報(bào)告。大多數(shù)研究重點(diǎn)在對(duì)系統(tǒng)傳熱特性的研究上。然而系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與熱源方式，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地區(qū)氣候，居住習(xí)慣等諸多因素有關(guān)，系統(tǒng)的適用性尚有待進(jìn)一步的考察驗(yàn)證。為此，筆者于2003年冬季對(duì)上海地區(qū)的一幢獨(dú)立別墅住宅進(jìn)行采暖期間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)地測(cè)得了空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的特性參數(shù)，分析了在上海地區(qū)將空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的可行性。
2 實(shí)驗(yàn)概要
　　測(cè)試對(duì)象的住宅為上海地區(qū)的一幢三層別墅，建筑面積約280 m²，地板采暖面積為164m²（總敷設(shè)率約為59%，對(duì)象房間敷設(shè)率接近100%）,地面裝飾材料為實(shí)木復(fù)合地板。墻體為厚240mm的空心磚墻（未做保溫），窗戶為鋁合金中空雙層玻璃窗。地板采暖采用濕式施工（混凝土預(yù)埋管），埋管采用PEX管，管徑規(guī)格為12/16mm（內(nèi)徑/外徑），雙回型布置，管間距150mm。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察了位于住宅中位于二層的一間臥室，房間約14 m²，有南北東三面外墻，一面內(nèi)墻，南，北面各有一扇外窗。如圖1，圖2示。
　　系統(tǒng)采用空氣源熱泵作為冷熱源，夏季空調(diào)（水-空氣式）和冬季供暖（輻射地板采暖）整合為一個(gè)系統(tǒng)（圖3）。本實(shí)驗(yàn)對(duì)地板，室內(nèi)溫度，室外溫度，維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，供回水溫度，水流量，機(jī)組耗電量進(jìn)行了測(cè)試，所有數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)觀察和自動(dòng)記錄。

圖1 測(cè)試對(duì)象房間埋管及測(cè)點(diǎn)布置平面圖
Fig.1 Plane figure of heating pipe and test point 

圖2 測(cè)試對(duì)象房間斷面圖
Fig.2 Sectional drawing of room and test point
3.1 空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的熱泵主機(jī)特性
　　空氣源熱泵冬季制熱供水溫度低，不足以滿足傳統(tǒng)的熱風(fēng)系統(tǒng)熱交換的需要，一些產(chǎn)品則只好添置電加熱器助力。顯然這不符合節(jié)能高效原則。圖2目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的溫水循環(huán)式地板輻射采暖系統(tǒng)熱源以壁掛式熱水鍋爐為主，在北方采用城市熱網(wǎng)集中供暖的地方可通過(guò)板式水-水換熱器換熱降溫后提供采暖溫水，但這些都是屬于高品位熱源的利用，而空氣源熱泵在冬季制熱工況下的供水溫度正好吻合地板輻射采暖的條件。把握空氣源熱泵的溫水循環(huán)及傳熱特性對(duì)于空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。

圖3 風(fēng)冷熱泵空調(diào)/地板采暖系統(tǒng)示意圖 
Fig.3 Schematic drawing of floor heating system with air source heat pump
　　泵地板采暖的供回水溫度變化特性，測(cè)試時(shí)室外氣溫約為0.3℃，熱泵開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)供回水溫度逐漸升高，經(jīng)過(guò)4.5小時(shí)，供水溫度達(dá)到45℃，回水溫度達(dá)到35℃。開(kāi)機(jī)后供回水溫差很快達(dá)到9.3℃，并穩(wěn)定下來(lái)呈周期性的變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該熱泵機(jī)組的除霜間隔時(shí)間為45分鐘，除霜時(shí)間很短，約為2～3分鐘。除霜時(shí)，四通閥換向，進(jìn)入制冷工況，室外風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)排氣直接進(jìn)入翅片管換熱器，除去翅片表面的霜，供水溫度迅速降低（圖中供水溫度瞬間低于回水溫度是由于除霜反向運(yùn)行所致）。雖然除霜時(shí)供水溫度明顯降低，但室溫及地板表面溫度下降幅度小，表明除霜期間對(duì)地板采暖效果影響不大，主要是因?yàn)槌獣r(shí)間短，而溫水式地板采暖的熱容性較大。 

圖4 熱泵系統(tǒng)供回水溫度特性
Fig.4 Performance of water system of air source heat pump

圖5 燃?xì)鉅t熱源系統(tǒng)供回水溫度特性
Fig.5 Performance of water system of gas furnace 
　　筆者對(duì)燃?xì)鉅t熱源方式的供水情況也進(jìn)行了對(duì)比考察，結(jié)果是：燃?xì)鉅t供水溫度迅速達(dá)到設(shè)定值，回水溫度逐漸上升，供回水溫差有一個(gè)先增加再減小的過(guò)程（圖中供回水溫差較大是由于采用了不同于傳統(tǒng)埋管方式的板狀散熱結(jié)構(gòu)的地板采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容另撰文介紹）。
　　風(fēng)冷熱泵供水溫度漸近上升的特征在一定程度上影響了地板的快速預(yù)熱能力及供暖能力。
　　空氣源熱泵需要采取除霜控制來(lái)保證系統(tǒng)在濕冷的氣候條件下正常運(yùn)行，一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)室外的相對(duì)濕度大于50％時(shí)，氣溫在-1～7℃左右最容易結(jié)霜[1]。
　　筆者通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵機(jī)組隨室外溫度的變化，出現(xiàn)了三種工況并影響供水模式：
　　① 發(fā)生除霜的連續(xù)運(yùn)行
　　當(dāng)室外溫度較低，低于5.5℃左右時(shí)，機(jī)組按這種方式運(yùn)行，除霜周期為45分鐘，除霜時(shí)間為2～3分鐘，雖然除霜時(shí)間很短，但除霜還比較干凈。室外溫度
較高時(shí)，除霜周期變長(zhǎng)，除霜周期為45～60分鐘。
　　② 無(wú)除霜連續(xù)運(yùn)行
　　隨著室外溫度的升高（5.5℃～7.5℃），室外盤(pán)管的溫度一直高于除霜設(shè)定的下限值，此時(shí)熱泵機(jī)組不需要除霜，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。
　　③ 過(guò)熱保護(hù)間歇運(yùn)行

圖6 空氣源熱泵的三種供水模式
Fig.6 Three supplying water models of air source heat pump

圖7 室內(nèi)環(huán)境條件（室外7.3℃,運(yùn)行8小時(shí)后）
Fig.7 Indoor environment of floor heating system 
　　當(dāng)室外溫度繼續(xù)升高到7.5℃左右時(shí)，供水溫度達(dá)到50℃左右，出于對(duì)機(jī)組的保護(hù)，主機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，循環(huán)水泵仍工作，等供水溫度下降達(dá)到40℃左右以后，主機(jī)又開(kāi)始工作，如此間歇運(yùn)行，間歇周期不定，隨室外溫度升高，周期變短，由于地板采暖對(duì)水溫不敏感，為了不讓機(jī)組頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)，可以讓水溫的下限設(shè)定值更低一點(diǎn)，加大調(diào)節(jié)幅度。
　　由于室外溫度不同，從而導(dǎo)致熱泵供水模式的不同，雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用對(duì)溫度波有較大的衰減，但是室外溫度的降低還是引起室內(nèi)溫度的明顯降低。筆者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的采暖工況測(cè)試，取幾次典型測(cè)試結(jié)果，以說(shuō)明不同室外溫度時(shí)，室內(nèi)溫度的差異，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 室外溫度對(duì)房間溫度的影響 Table 1 Effect of out air temperature to Indoor temperature 測(cè)試日室外溫度（℃）開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)）地板表面平均溫度（℃）室內(nèi)空氣溫度（℃）非采暖房室溫（℃）1月25日2.81321.615.7　2月13日5.2520.816.613.02月11～12日7.3822.617.412.92月13日13.21325.818.814.3　　表1中，比較1月25日（室外溫度2.8℃）與2月13日（室外溫度5.2℃），地板表面溫度的測(cè)試值前者高于后者，原因是其開(kāi)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間后者較短，還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定工況。1月25日和2月13日的測(cè)試均是開(kāi)機(jī)13小時(shí)后所測(cè)結(jié)果，此時(shí)地板采暖系統(tǒng)已基本穩(wěn)定。從2月11～12日和2月13日的測(cè)試結(jié)果看，地板采暖房比非采暖房室溫高4.5℃左右。
3.2 風(fēng)冷熱泵為熱源的溫水式地板采暖效果及其影響因素分析　　針對(duì)風(fēng)冷熱泵的供回水溫度特性對(duì)地板采暖系統(tǒng)的供熱能力的影響問(wèn)題，筆者通過(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)當(dāng)室外氣溫在2℃～13℃變化時(shí)，空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度基本上處在15.5℃～19℃，地板表面平均溫度基本上處在20℃～24℃，溫?zé)岣衅汀D7，表2所列數(shù)據(jù)為熱泵開(kāi)機(jī)運(yùn)行8小時(shí)后所測(cè)。 表2空氣源熱泵地板采暖效果able 2 Heating effect of floor heating system with air source heat pump 室外溫度（℃）室內(nèi)溫度（℃）地板表面平均溫度（℃）地板表面最大溫差（℃）平均輻射溫度（℃）實(shí)感溫度（℃）地板總散熱量（W/m²）地板向上散熱量（W/m²）地板向上散熱比例7.317.422.6316.917.294.454.558％　　注：上表中的地板向上發(fā)熱量采用ASHRAE算法【2】計(jì)算。
　　影響該系統(tǒng)的采暖效果的因素是多方面的，不僅和熱泵的供水特性有關(guān)，如供水溫度和流量，還和地板構(gòu)造有關(guān)，如管徑，管間距，構(gòu)造層厚度，地面敷設(shè)材料，保溫材料和厚度。此外，不容忽視的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性的優(yōu)劣程度嚴(yán)重影響了地板采暖系統(tǒng)的效果，特別是外墻和外窗的比例較大（如獨(dú)立別墅）的住宅。筆者在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，有三面外墻的房間室內(nèi)溫度為15.5℃，同樓的只有兩面外墻的房間室內(nèi)溫度為16.8℃，溫度要高1.3℃，可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地板采暖效果影響很大。
　　另外，從表2的數(shù)據(jù)得知，室內(nèi)平均輻射溫度（地上1.1m）低于該點(diǎn)的空氣溫度，從表1得知，但室外氣溫降到3℃以下時(shí)室內(nèi)溫度將難以達(dá)到冬季室內(nèi)溫度設(shè)定下限值（16℃）。這是因?yàn)槭覂?nèi)外墻多且圍護(hù)結(jié)構(gòu)未做保溫，導(dǎo)致室內(nèi)并未完全形成輻射采暖應(yīng)具有的熱舒適環(huán)境。所以，采用地板采暖系統(tǒng)的建筑應(yīng)該執(zhí)行夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能規(guī)范，對(duì)外墻做保溫處理。這樣的問(wèn)題應(yīng)得到重視和研究。
 　　對(duì)于空氣源熱泵地板采暖，由于室外溫濕度會(huì)影響熱泵除霜特性，進(jìn)而影響供水溫度特性和COP，因此，室外溫濕度對(duì)空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的影響要大于其他熱源方式的地板采暖系統(tǒng)。上述中的眾多影響因素綜合作用決定了地板采暖的效果。熱源方式和運(yùn)行方式，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（保溫），供回水溫度，地板表面溫度，室溫和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各內(nèi)表面溫度，這些因素之間相互影響和作用，形成復(fù)雜的傳熱及耦合過(guò)程，限于篇幅，筆者將在別篇通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬詳細(xì)討論這個(gè)問(wèn)題
。　　
一般來(lái)說(shuō)間歇運(yùn)行條件下低溫?zé)崴匕宀膳到y(tǒng)預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，本系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)的前5個(gè)小時(shí)內(nèi)，有效發(fā)熱量與時(shí)間基本上呈二次曲線關(guān)系（圖9）。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，開(kāi)機(jī)后11小時(shí)，回水溫度才穩(wěn)定，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（圖10）。預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)的特性在一定程度上限制了地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用，即使采用不同的熱源方式，例如間歇運(yùn)行條件下的電熱水鍋爐的地板采暖系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間一般也需要10～11小時(shí)【3】。地板采暖系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間的短縮將成為地板采暖推廣應(yīng)用的一個(gè)要素。圖8 空氣源熱泵地板采暖預(yù)熱特性Fig.8 Warming-up performance of floor heating system with air source heat pump圖9 空氣源熱泵地板采暖預(yù)熱時(shí)間Fig.9 Warming-up time of floor heating system with air source heat pump 　　
從圖10，圖11看出，對(duì)于空氣源熱泵地板采暖，在開(kāi)機(jī)后的前5個(gè)小時(shí)內(nèi)，地板溫升和室溫溫升與時(shí)間的關(guān)系基本上呈線性關(guān)系。其上升的快慢與室外溫度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫條件有關(guān)。蓄熱階段，地板溫降和室溫溫降與時(shí)間的關(guān)系在關(guān)機(jī)后的5個(gè)小時(shí)內(nèi)也基本上呈線性關(guān)系。其下降的快慢也和室外溫度有關(guān)，室外溫度較高時(shí)，曲線下降變緩。圖10 地板表面溫度和室溫溫升Fig.10 Temperature rise of floor surface and indoor air圖11 地板表面溫度溫降和室溫溫降Fig.11 Temperature drop of floor surface and indoor air
3.3 運(yùn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性　　
空氣源熱泵地板采暖可以采用連續(xù)運(yùn)行方式和分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行方式，考慮到連續(xù)運(yùn)行方式運(yùn)行費(fèi)用較高[4]，筆者試圖找到一種既能滿足采暖舒適要求，又能節(jié)能的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。考慮到普通居民的作息時(shí)間安排，筆者設(shè)立了一種分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行的模式，即當(dāng)天凌晨03：00開(kāi)機(jī)，運(yùn)行4小時(shí)至早上07：00關(guān)機(jī)，下午16：00再開(kāi)機(jī)，運(yùn)行4小時(shí)到晚上20：00關(guān)機(jī)。圖12表明采用此種分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行模式，關(guān)機(jī)后室溫不會(huì)下降很多，室溫波動(dòng)只有2℃。為了考察此種模式的運(yùn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性，筆者測(cè)試了熱泵機(jī)組的耗電量（耗功率），計(jì)算出COP，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。其中室內(nèi)溫度一樓臥室（三面外墻）為15.5℃，一樓廚房（兩面外墻）為16.8℃。若以此種模式運(yùn)行，按照上海的分時(shí)計(jì)價(jià)，每平方米每個(gè)月需要的采暖費(fèi)為5.27元，100m²采暖住宅每月的采暖費(fèi)約為527元（面積為采暖對(duì)象面積）。表3 空氣源Table 3 Parameter of continuous running periodically of floor heating system with

 air source heat pump室外溫度（℃）室內(nèi)溫度（℃）供回水水溫差（℃）水流量（L/min）平均制熱量（kW）平均耗電量（kWh/h）平均COP4.715.5/16.89.41610.53.82.7圖12 分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行采暖溫度的變化Fig.12 Temperature change of continuous running periodically
4 結(jié)論　　
通過(guò)對(duì)上海地區(qū)獨(dú)立別墅住宅的實(shí)測(cè)調(diào)查，初步把握了空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的運(yùn)行特征和效果。通過(guò)分析得出下面的見(jiàn)解。
　　1）在上海現(xiàn)狀的大多數(shù)住宅保溫條件下（未保溫）室內(nèi)溫度大多尚不能滿足采暖設(shè)計(jì)要求。當(dāng)室外溫度在2℃～13℃變化時(shí)，空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度基本上處在15.5℃～19℃，地板表面平均溫度在20℃～24℃。采暖效果與圍護(hù)結(jié)構(gòu)等眾多因素有關(guān)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和保溫條件對(duì)室內(nèi)空氣溫度影響較大，外墻未作保溫的室內(nèi)平均輻射溫度低于空氣溫度。有兩面外墻的房間室溫比有三面外墻的室溫高1.3℃。
　　2）預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)。熱泵開(kāi)機(jī)后，供回水溫度逐漸上升。室外溫度較低時(shí)，約經(jīng)過(guò)11小時(shí)系統(tǒng)才基本穩(wěn)定。系統(tǒng)的應(yīng)用普及需要進(jìn)一步探討速熱功能或運(yùn)行方式。
　　3）空氣源熱泵的周期性除霜對(duì)系統(tǒng)供熱影響甚微。供回水溫度，水溫差呈周期性的變化，但短暫時(shí)間的除霜對(duì)地板采暖影響不會(huì)太大。
　　4）空氣源熱泵地板采暖受室外氣溫影響較大，隨室外氣溫的變化，會(huì)出現(xiàn)三種供水模式，除霜間隔時(shí)間可以適當(dāng)拉長(zhǎng)，避免頻繁融霜。由于地板采暖對(duì)水溫不敏感，可以將水溫的下限降低，調(diào)節(jié)幅度加大，避免頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)，影響機(jī)組壽命。
　　5）為了既達(dá)到采暖要求又節(jié)電減少運(yùn)行費(fèi)用，可以根據(jù)作息方式進(jìn)行分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行模式。其運(yùn)行的效果費(fèi)用比的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。 
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