空氣源熱泵雙末端系統冬季供暖性能試驗研究

戴春祥,夏 燚,韓 偉,朱益秀

(1.南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023) (2.揚州頤和投資發展有限公司,江蘇 揚州 225000)

輻射末端因其高舒適性及良好的穩定性而得到廣泛應用[1],但供暖惰性大,房間升溫速度慢,不能使房間盡快達到熱舒適的狀態. 而風機盤管末端升溫速度快,能夠使室內空氣溫度快速達到熱舒適的溫度.

國內外學者對地板輻射及風機盤管兩種供暖末端進行了廣泛的研究. 其中,一部分研究通過幾種不同供暖末端的對比,來分析地板輻射及風機盤管末端室內空氣溫度分布的均勻性. 例如,文獻[2-4]對風機盤管和地面輻射兩種供暖末端進行研究,得出地面輻射末端下的室內溫度垂直方向溫度梯度小,更為均勻,舒適度較高,但是風機盤管末端垂直溫度梯度大. Daniel等[5]利用CFD 軟件模擬計算和評估,對地板輻射供暖、通過通風系統供暖和風機盤管三種供暖末端進行研究. 研究表明,地板輻射供暖的室內溫度分布最為均勻. Hasan等[6]通過對地板和墻面輻射兩種系統進行分析對比,針對不同供水溫度對室內空氣流動和熱量傳遞進行數值模擬研究. 結果表明,地板輻射供暖具有更好的舒適性,且室內溫度分布更為均勻,溫度梯度小于1 ℃/m. 另一部分通過對兩種不同供暖末端室內舒適性的對比,探討哪一種末端更加舒適. 例如,文獻[7-9]通過對幾種不同供暖末端下舒適度的對比,得出地面輻射末端下更為舒適. Stanislavs等[10]認為在建筑物內持續供暖時,風機盤管和地面輻射兩種供暖末端都能夠滿足室內熱舒適的要求. 曾璟等[11]通過對蓄能型空氣源熱泵地板輻射供暖系統的試驗測試,得出蓄能型空氣源熱泵地板輻射供暖系統具有良好的室內熱舒適性. Antonio等[12]比較了同一熱區內輻射地板和風機盤管兩種不同末端單元組合的循環供暖系統的幾種控制策略. 結果表明,地面輻射系統升溫速度慢,使得室內較慢達到舒適感,風機盤管雖然舒適度較差,但可通過提高溫度設定值來解決.

從現有的研究來看,大多數學者的研究集中在風機盤管和地面輻射供暖末端的熱舒適性以及室內空氣溫度分布均勻性,而對兩種供暖末端到達室內溫度分布均勻性與熱舒適度的所需時間、地暖末端不同裝飾材料供暖特性以及冬季環境溫度對空氣源熱泵性能影響卻鮮有研究,但是供暖末端的升溫速率卻直接影響到人們在室內達到熱舒適性的速度. 對此,本文研究以空氣源熱泵為熱源的兩種供暖末端系統,分析兩種空調末端的升溫速度、化霜過程對末端性能的影響以及地板輻射末端不同裝飾材料的供暖特性.

1 實驗簡介

1.1 實驗對象

該試驗對象是南京市某住宅小區五層單元房的第四層和第五層[13],它位于西側,為南北向型,總建筑面積為286.9 m2,試驗測試的時間段為2019年1月26日19:00到1月27日10:00. 該住宅的實際使用面積為250.6 m2,地板采暖面積為170 m2,該房間的房屋類型和風機盤管的布局分別如圖1、圖2所示. 該住戶相鄰的區域均未集中供暖,該住宅建筑圍護結構傳熱系數如表1所示.

表1 建筑圍護結構傳熱系數Table 1 Heat transfer coefficient of building envelope

1.2 實驗系統

空氣源熱泵雙末端系統聯合運行性能測試系統見圖3. 空氣源熱泵雙末端系統主要包括空氣源熱泵機組、地面盤管系統、風機盤管系統、分集水器等部件,其中風機盤管安裝在天花板下方.

該系統所采用的熱源主機為某品牌的變頻空氣源熱泵機組,采用的制冷劑為R410a,壓縮機為直流變頻噴氣增焓壓縮機,室外機風機為直流變頻風機,循環水泵額定功率為0.55 kW. 熱泵機組名義制冷量為28 kW,名義制熱量為30 kW,額定制冷輸入功率為8.4 kW,額定制熱輸入功率8.5 kW,制冷系數EER 3.33,制熱系數COP 3.55[13]. 地暖末端為濕式地暖系統,如圖4所示. 地暖盤管采用的材料為耐熱聚乙烯管,其內外徑分別為12 mm/16 mm,盤管間距為150 mm,布置成回字型,風機盤管末端采用三排管風機盤管.

1.3 測試儀器

表2為本次試驗主要的測試項目以及測試所需儀器儀表的精度和測溫范圍. 數據采集儀Agilent34970A如圖5所示.

表2 主要測試項目和試驗儀器儀表Table 2 Main test items and experimental instruments

表中,T1為室外機供水溫度;T2為室外機回水溫度;T3、T4、T5分別風機盤管房間內為地面溫度、距離地面1 m、2 m溫度;T6為風機盤管送風溫度;T7～T9為地暖盤管供回水溫度;T10為地暖房間內地面溫度.

1.4 實驗方案

為了研究空氣源熱泵雙末端系統在冬季的運行特性,本試驗對目標房間進行了15 h的性能測試,測試的時間段為2019年1月26日19:00到1月27日10:00. 在試驗測試之前打開所有房間的門窗進行通風,1 h后再將門窗進行關閉. 測試對象為兩個不相鄰的房間及客廳,其中一個房間和客廳只打開地暖,另一個房間只打開風機盤管. 設定室外主機回水溫度為45 ℃,開啟熱泵主機、兩個房間的末端及客廳的末端,測試兩個房間和客廳內兩種末端溫度以及房間內室內溫度變化情況,并且使用數據采集儀Agilent34970A來記錄相關數據,記錄數據的時間間隔為2 min.

2 實驗結果與分析

2.1 熱泵主機供回水溫度與兩種末端溫度的比較分析

在整個試驗周期內,將空氣源熱泵機組的回水溫度設置為45℃. 圖6為該供暖系統在運行周期內,主管的供回水溫度、風機盤管下的送風溫度以及大理石地面表面溫度隨著時間而變化的曲線分布圖. 從圖6可見,(1)當空氣源熱泵機組開啟之后,主機的供回水溫度、風機盤管下的送風溫度以及大理石地面的表面溫度都開始逐漸上升并且溫升速率逐漸增加. 當熱泵機組運行400 min后,主機回水溫度到達設定溫度45 ℃. 當回水溫度達到溫度設定值時,壓縮機的運行頻率相應降低,并且實現無極調節,使得回水溫度在45 ℃左右. 由曲線的變化趨勢可知,空氣源熱泵機組回水溫度調節性好,可以保持45 ℃左右的回水溫度. 熱泵機組供水溫度整體波動較小且相對穩定,室內溫度無明顯波動,能達到人們熱舒適要求.

(2)在化霜期間,主機供回水溫度下降. 這主要是由于空氣源熱泵主機化霜時,通過四通閥切換,原先從室外空氣中吸熱的“氟-空氣換熱器”由蒸發器轉換為冷凝器進行熱力除霜,而原先給循環水加熱的“氟-水換熱器”由冷凝器轉變為蒸發器,從循環水中吸熱導致供回水溫度下降.

(3)熱泵機組在運行到520 min時,室外空氣為零下0.5 ℃,化霜成周期性,共出現兩次除霜周期,并且每次除霜時間為4 min. 當熱泵除霜時,供回水溫度出現一個較大的下降趨勢,使得供水溫度從46.1 ℃下降到35.9 ℃,下降了22.1%,回水溫度從43.5 ℃下降到35.9 ℃,下降了17.3%.

(4)在第一次化霜周期中,風機盤管的送風溫度從40.9 ℃下降到32.9 ℃,下降了19.5%. 在第二次化霜周期中,風機盤管的送風溫度從40.0 ℃下降到31.3 ℃,下降了21.7%. 試驗表明風機盤管末端的送風溫度受化霜的影響較大. 而混凝土地面具有良好的蓄熱性,使得大理石地面溫度短時間內不受化霜的影響,仍然繼續上升.

2.2 風機盤管末端出風溫度及地暖末端溫度對房間溫度影響分析

由于地暖輻射末端加熱地面主要通過熱輻射為房間供熱,風機盤管末端送熱風主要通過熱對流為房間供熱. 根據《輻射供暖供冷技術工程JGJ142—2012》的要求,當地板輻射供暖時,在人員經常停留的地面,宜采用的平均溫度為25～27 ℃,平均溫度的上限值為29 ℃[14]. 因此從圖7、圖8中可以看出,地暖輻射末端下,地板表面溫度從14 ℃上升到25 ℃,共需292 min. 而風機盤管末端下,它的送風溫度從8 ℃上升到25 ℃,共需26 min. 由此可以看出,從系統啟動到達設計溫度25 ℃時,風機盤管末端的起溫速度是地暖輻射末端的11.2倍.

從圖7、圖8中可以看出,地板輻射供暖時,供暖房間中1 m和2 m處的室內空氣溫度基本相等,在整個試驗測試周期內,同一時刻這兩種高度的最大溫差為0.6 ℃,溫度梯度為0.6 ℃/m,其平均溫差為 0.2 ℃. 室內空氣溫度基本保持了相對穩定的變化,T1、T2穩定時的溫度為24.7 ℃、24.6 ℃. 風機盤管供暖時,在同一時刻,風機盤管的室內溫度梯度比地板輻射供暖時的大,1 m與2 m最大溫差3.6 ℃,溫度梯度為3.6 ℃/m,其平均溫度為2.9 ℃,T1、T2穩定時的溫度為23.7 ℃、26.8 ℃. 由此可以得出地板輻射供暖工況下室內溫度分布的均勻性優于風機盤管供暖工況.

根據《中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定》(GB/T 18049—2000)[15],冬季在有供暖的室內從事輕(主要是坐姿)的活動,舒適溫度在20～24 ℃. 對比兩種末端下1 m處的室內空氣溫度,輻射末端下1m處的室內空氣溫度從12 ℃上升到20 ℃需要575 min,而在風機盤管末端下,溫度升高到20 ℃只需182 min. 因此可以得到在本試驗周期內,系統啟動后,室內1 m處的空氣溫度在風機盤管末端下達到熱舒適狀態的速度是地面輻射末端下的3.16倍.

從圖7、圖8中可知,當空氣源熱泵機組進入除霜的狀態時,風機盤管末端下1m處的室內空氣溫度迅速下降,而地板輻射末端1 m處的室內溫度仍然繼續穩步上升. 這是因為地板表面溫度的降低具有滯后性,所以較短時間內的除霜幾乎不會令地面溫度產生波動.

2.3 不同地面裝飾材料下地暖輻射末端供暖性能分析

不同的地面裝飾材料對人體的熱舒適性有較大的影響[16]. 因此本實驗選擇木地板和大理石兩種裝飾材料進行比較. 大理石和木地板的溫度分布如圖9所示. 可見,(1)在相同的供水溫度下,木地板和大理石的地面溫度不同. 當系統開啟之后,地板的地面溫度開始低于大理石的地面溫度,這是由于木地板的導熱系數為0.12～0.30 W/(m·K),而大理石的導熱系數為2.9 W/(m·K)[17],在供水溫度相同的情況下,傳熱系數越小,傳熱溫差就越大,因此木地板的地面溫度低于大理石地板的地面溫度.

(2)在相同的供水溫度下,大理石和木地板的回水溫度不同. 這主要是由于木地板的熱導系數比大理石的熱導系數小,從而導致木地板與盤管換熱量小,使得木地板的回水溫度高,導致木地板的供回水溫差比大理石的供回水溫差小.

(3)熱泵機組啟動后,大理石地面溫度從18 ℃上升到25 ℃所需時間為178 min,而木地板地面溫度從18 ℃上升到25 ℃所需時間為298 min,大理石地面的升溫速度是大理石的1.67倍,因此大理石地面能更快達到舒適溫度的需求.

3 結論

(1)機組化霜對風機盤管末端有較大的影響,而由于混凝土地面有良好的蓄熱性,使得結霜對地面輻射末端沒太大影響.

(2)對于風機盤管和地面輻射兩種末端,在測試范圍內,風機盤管末端送風溫度到25 ℃的速度是地暖輻射末端地面溫度到25 ℃的11.2倍. 室內1 m處的室內空氣溫度在風機盤管末端下到20 ℃的升溫速度是地面輻射末端下的3.16倍,兩種空調末端供熱,風機盤管末端能更快達到室內舒適的溫度.

(3)對于風機盤管和地面輻射兩種末端,在供暖房間1 m和2 m處,風機盤管末端下的溫度梯度為3.6 ℃/m,地面輻射供暖下的溫度梯度為0.6 ℃/m,由此可知地板輻射供暖下的室內溫度的分布均勻性是優于風機盤管供暖工況,因此地面輻射末端更加舒適.

(4)對于地面輻射供暖末端,在相同的供水溫度下,木地板的地面溫度比大理石的低,回水溫度比大理石高;大理石地面溫度的升溫速度是木地板的1.67倍,因此大理石地面能更快達到熱舒適.

(5)空氣源熱泵雙末端系統具有高舒適度,但要大范圍推廣應用該系統,需要合理設計地板結構、完善系統控制策略等工作,所以對該系統存在的不足仍需進一步開展深入研究.