空气源热泵直接地暖系统实验研究及热力性能分析

我国目前民用建筑能耗占商品能耗的20%以上，其中采暖能耗占建筑能耗的56%～58%［1］，低温地板辐射采暖通过以辐射为主的换热方式向室内供暖，因其室内卫生、舒适性强、比传统供暖方式节能20%～30%等优势［2］，得到了广泛的推广和应用。按供热热媒划分，地板辐射采暖主要有电热和热水2种形式；按供给热源分类时，又可分为集中供热、燃气壁挂炉、加热电缆、热泵等形式［3-5］。在诸多采暖系统中，空气源热泵冬季从室外空气中提取热量制取热水，可稳定地向室内进行低温热水地板辐射采暖［6-8］，其能量转换效率高，尤其对单一家庭供暖来说，空气源热泵系统具有明显的经济性优势［9，10］。但以水为热媒，热泵需要对水进行二次换热，供热输配循环水泵能耗约占供热系统总耗电量的40%［11］，大大降低了供热热源效率，而直接采用制冷剂为传热介质，传递热量为水的10倍、空气的20倍［12］，系统无需二次热媒，省却能量传递的中间环节，减少了一个能量传递环节和传热热阻，而且也不需要循环泵等输送系统，减少了输送耗能及冷热媒输送中能量损失。
 

本文设计建造了以制冷剂为热媒的直接地板辐射采暖实验平台，采用热力学第一定律和第二定律分析方法，建立热力分析模型，利用实验实测参数，详细计算了系统能量转换率和各组成部件损失系数及系统效率，并对比分析评价了不同采暖系统能量综合热力性能，为优化系统和各组成部件能效特性提供理论和实际依据。
 

空气源热泵直接地板辐射采暖实验系统如图1所示，包含一台空气源热泵机组、两台风管室内机和两间地板辐射采暖。系统供热运行时，经压缩机压缩的制冷剂蒸气作为加热热媒直接进入采暖房间地板盘管，冷凝放热使地板升温，达到低温地板辐射采暖要求进行室内供暖。为保证系统采暖负荷与压缩机输出容量匹配，采用风机盘管和地板采暖两个末端，其中地板采暖辅设面积为34.6m2，地板供热盘管采用φ8mm钢管，管间距100mm，采用直列型排管方式铺设，铺设厚度90mm。

     
 

系统采用数码涡旋多联式空气源热泵机组作为热源，热泵运行额定制热量13kW，制冷剂为R22，压缩机额定输入功率4kW，排气量14.4m3/h。数码涡旋压缩机的操作分为负载状态和御载状态，通过由外部PWM电磁阀控制动静涡旋盘周期性啮合与分离实现。电磁阀常闭时，压缩机传递全部容量和制冷剂流量；电磁阀通电时，动静涡旋盘脱离，压缩机御载，无容量和制冷剂流量通过压缩机。通过控制电磁阀通电，改变负载和卸载时间，压缩机负荷可在10%～100%容量范围内进行无级变容［13］。
 

空气源热泵直接地板辐射采暖热力循环压焓图如图2所示，可看出系统热力循环是一个基本的蒸气压缩热泵循环。经压缩机压缩的高温高压制冷剂气体（过程1-2），直接进入室内地板，在地板冷凝盘管冷凝成高温高压液体（过程3-4），在该过程中制冷剂释放热量，加热地板向室内供热，然后，该高温高压液体制冷剂通过电子膨胀阀，膨胀成低温低压两相流（过程5-6），经节流膨胀后的低温低压两相流制冷剂进入室外蒸发器，吸收环境空气的热能，气化成低温低压制冷剂气体（过程6-1）返回压缩机，完成一个热泵循环。由于系统采用地板盘管作为系统冷凝器，制冷剂输送管路较长，流体流动阻力损失大，所在压焓图中，过程2-3，4-5为实际循环过程中系统管路制冷剂液体流动过程。

     
 

2.1 热力学第一定律分析指标
 

热力学第一定律是基于焓分析方法的热力性能分析，主要揭示了热力过程中能量守恒与转换的关系。根据第一定律，可得系统能量平衡方程如下［14］：

     
 

在热力学第一定律性能评价中，通常采用供热性能系数COP作为热泵供热的性能评价指标，而数码涡旋空气源热泵机组采用的变容量数码涡旋压缩机，通过由外部PWM阀通断电控制动静涡旋盘周期性啮合与分离,改变负载和御载状态周期时间，实现10%～100%变容量调节，压缩机容积效率达到0.99［12］。由于压缩机运行中制冷剂输出状态和压缩机输入功率随时变化，热泵系统瞬时COP变化较大，引入小时能效比HEER作为系统性能评价指标［15］：
 

当室内稳定供热时，室内得热可近似为：
 

           Q≈qm（h3-h4）           (7)

2.2 热力学第二定律分析指标
 

热力学第一定律是对能量的数量关系分析，而热力学第二定律则是基于的能量品质分析。是以平衡的环境状态为基准，理论上能最大限度地转化为功的能量［16］。能量的值越大，表示能量可转变为有用功的部分越多，能量的价值越高，有用程度越大。热力系统循环满足平衡方程：
 

           Ein=Eout+D+△E            (8)

空气源热泵直接地板辐射采暖系统热力循环主要分为4部分，本文在进行系统热力性能分析时，将整台机组作为一个稳定流动开口系统处理，系统平衡方程可表示为：
 

各部件损失计算公式分别为［16，17］：
 

1）压缩机的损失：
 

制冷剂压缩过程损失为：
 

         E1-E2=H1-H2-T0（S1-S2）     (11)

2）冷凝器损失：
 

制冷剂冷凝器进出口损失为：
 

         E3-E4=H3-H4-T0（S3-S4）     (13)

地板采暖获得制热为：
 

3）节流阀可视为等焓节流，其损失为：
 

          D3=E5-E6=T0（S6-S5）      (15)

4）蒸发器损失：
 

       D4=E6-E1=H6-H1-T0（S6-S1）    (16)

5）管路损失：
 

D5=E2-E3+E4-E5
 

 =H2-H3-T0（S2-S3）+H4-H5-T0（S4-S5） (17)
 

为全面、本质地分析各部件能量利用状况，采用效率作为系统热力性能分析指标，效率是指在系统或设备进行的热力过程中，被利用或收益的与支付或耗费的的比值，是衡量系统或设备的技术完善程度或热力学完善程度的统一指标。效率越接近于1，表示设备或系统的热力学完善程度越好，损失越小［17］。从平衡方程中可得到空气源热泵直接地板采暖系统效率：
 

3.1 典型室外环境系统运行特性
 

在郑州地区气象条件下，于2008年12月～2009年3月对系统进行了性能实验。图3为2008年12月26日实验实测数据，测试日室外气温为3.1℃，湿度26%～32%。系统开机后，排气温度迅速上升，制冷剂进入地板盘管冷凝效热，经过短期预热后，地板温度达到20℃，室内温度达到16℃，调节热泵30%负荷运行，对室内进行稳定供热。

     
 

由图3还可发现，由于压缩机容量调节特性，压缩机吸排气压力出现周期性波动。在负载周期内，排气压力上升，吸气压力下降，压缩机传递全部容量和制冷剂流量，压缩后制冷剂气体进入地板盘管冷凝换热，由于地板管路流动损失以及为保证制冷剂冷凝出口具有一定过冷度，提高系统制热系数，地板进出口制冷剂存在0.02～0.04MPa的压差；在卸载周期内，吸气压力上升而排气压力下降，压缩机无容量输出和制冷剂压缩，地板盘管无制冷剂流量通过，制冷剂地板进出口压力相等。另一方面，随着负载变化，压缩机排气温度波动显著，而吸气温度和地板进出口温度波动较小，这主要是因为数码涡旋压缩机负荷调节周期较短（一般小于18s），且系统加设储液器，以保持制冷剂流量和进入蒸发器液流［13］，使得采暖运行时地板盘管进出口温度波动很小，保证制冷剂向地板稳定供热。
 

3.2 实验结果及热力性能分析
 

为更全面分析系统供热热力性能，表1选取不同室外环境下，空气源热泵30%负荷运行时稳定供热实测详细数据。
 

从表1可看出，调节热泵机组30%负荷稳定供热时，地板表面温度达到26℃，室内温度达到22℃，完全满足室内供暖要求。系统运行期间小时能效比HEER随室外温度的上升而增大，在室外温度为7.8℃时，系统HEER达到3.42。空气源热泵室外机在冬季湿冷气候下供热运行时易结霜，尤其当室外温度在50%以上，气温在-1～7℃时，最易出现结霜情况［7］。表1中室外温度为-2℃和3.6℃时，热泵室外机均出现不同程度的结霜，使得蒸发效率降低，但系统HEER仍在2.4以上，而在正常供热运行模式下，系统HEER大于2.5，具有较好的节能潜力。另外，从表1中还可得出，实验过程中压缩机出口到地板盘管及制冷剂地板冷凝出口与室外机膨胀阀前压力压差均较大，达到0.06～0.08MPa，这是因为一方面室外热泵机组与室内地板盘管连接管路较长造成流动阻力损失，另一方面压缩机排气压降也与实际循环中热泵机组排气阀的节流降压相关。
 

根据表1实验数据，分别在压焓图上确定制冷剂各状态点位置，得出焓、熵等热力参数，然后根据公式（1）～（18）分别计算出系统小时能效比HEER、各部件损失系数及系统效率，计算结果见图4。

     
 

从图4可见，空气源热泵直接地板辐射采暖系统效率大于30%，且随室外温度的上升而下降，这是由于热泵系统采暖室内空气与室外环境温差减小，导致室内得热能级差下降。各主要组成部件中，压缩机的损失占比例最大（约占24%），这是因为实际循环过程中，制冷剂在压缩机进行不可逆非等熵压缩过程，虽然实验热泵机组采用涡旋式压缩机等熵效率比达到0.98［12］，但不可逆做功过程造成压缩机损失较大。其次为地板盘管冷凝器和蒸发器（约占13%，11%），这是因为冷凝器和蒸发器的工质温度与室外环境温度存在传热温差，温差越大，损失也越大。再者，为使制冷剂地板冷凝出口温度具有一定过冷度，地板进出口制冷剂存在0.02～0.04MPa的压降，这也导致制冷剂的部分损失，而另一方面，制冷剂地板出口制冷剂过冷，使系统吸热量增加同时也减小进入膨胀阀节流前后温差，使膨胀阀内制冷剂膨胀过程损失大大降低，损失系数只占系统的5%。由于制冷剂输送管路的流动损失压降及对外散热等因素，系统管路损失所占比例达到12%，通过合理设计管路、采取保温等措施，可有效降低管路输送过程能量损失，提高系统效率。
 

表2为不同建筑采暖方式系统综合热力性能的对比，从表中可知空气源热泵直接地板辐射采暖系统效率与集中供热、普通空气源热泵采暖系统相当，远远高于电热采暖，而低于热电联产集中供热系统；而从能源转换率可以看出，空气源热泵热源系统利用小部分电能，从空气中获得加倍的能量，相比其他形式热源具有明显的节能优势。综合比较分析可以看出，采用空气源热泵直接地板辐射采暖系统在热力性能上优于集中供热、单户壁挂炉、电热采暖等系统，而通过管路优化设计，合理匹配采暖负荷与热泵机组，系统将表现出优于空气源热泵热水地板采暖的热力性能。虽然采用空气源热泵直接地板辐射采暖系统具有良好的热力性能，但在推广应用过程中系统还存在一系列有待解决的问题，如地板盘管管路优化设计、管道安装要求高，特别是制冷剂防漏及保温、冬冷地区空气源热泵运行稳定性等，这都需要进一步的研究解决。

     

     
 
 

本文采用热力学第一定律和第二定律分析方法，通过建立空气源热泵直接地板辐射采暖系统热力分析模型，结合实验实测数据进行能效分析和效率分析，得到如下结论：
 

1）采暖期内，空气源热泵直接地板辐射采暖系统，在实验条件下，空气源热泵运行供热稳定，地板表面温度达到26℃，室风温度达到22℃，完全满足室内供暖要求；
 

2）在低温环境下，系统运行期间小时能效比HEER随室外温度的上升而增大，正常供热运行模式下，室外温度为2℃时，HEER为2.76，室外温度为7.8℃时，系统HEER达到3.42。而热泵室外机出现结霜情况下，HEER仍达到2.4以上，具有良好的节能效果；
 

3）空气源热泵直接地板辐射采暖系统效率在30%以上，系统各部件损失中，压缩机所占比例最大，地板盘管和蒸发器次之，膨胀阀最小。且系统管路输送系统损失所占比例达12%，通过优化管路设计，合理配置系统，可进一步提高系统效率；
 

4）综合比较分析不同建筑采暖系统的热源效率和效率，空气源直接地板辐射采暖系统具有良好的节能和能量利用特性，尤其是单一家庭用户采暖系统。但在推广应用过程中系统还存在有待解决的问题，如地板盘管管路合理设计，管道安装要求高，特别是制冷剂防漏及保温，冬冷地区空气源热泵运行稳定性等，都需要进一步研究解决。
 

符号表
 

D—损失，kJ

ein —入口值，kJ

Eout—出口值，kJ

EQ—地板得热值，kJ

H—状态点焓值，kJ

h—状态点比焓值，kJ/kg

Q—地板供暖室内得热，kJ

Qc—地板冷凝散热，kJ

Qe—热泵蒸发得热，kJ

qm—制冷剂质量流量，kg/s

qv—制冷剂体积流量，m3/s

S—状态点熵，kJ/K

Ti—室内温度，℃

T0—环境温度，℃

Wi—压缩机指示功率，kW

We—压缩机输入功率，kW

vi—压缩机进气吸气比容，m3/kg

ηe—系统效率

ηm—压缩机机械效率

ηV—压缩机容积效率
 

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编辑：潮小楠