空气源热泵热水供热系统性能研究

摘　要 本文对两套采用空气源热泵系统的住宅进行了供热性能测试，对比了夏热冬冷地区散热器末端和地暖末端的机组性能和供热效果。测试结果显示，两套系统均能够稳定运行，并满足供热需求。相同的热环境下，散热器系统要求的供水温度更高，因此能效比低。散热器系统测试期间平均能效比为2.24，地暖系统为2.98。地暖系统的热舒适性更好。

关键词 空气源热泵；喷气增焓；夏热冬冷；地暖；散热器

0 引言

随着国民经济发展，人们的收入得到显著提高，从而提升了生活水平，对舒适度有了更高的要求。夏热冬冷地区[1]冬季日平均温度低于5℃可达将近90天，最低温度可降至0℃以下，且相对湿度大。如此湿冷的环境下，供暖必不可少。

在没有集中供暖的条件下，家用和商用空调都面临着机遇与挑战。加之节能与环保意识的提高，高效、节能、环保、舒适的采暖方案有着很大的需求，更使户式供暖系统从机组到末端的各个环节都被广泛关注。

值得一提的是，一个节省能耗的热源方式、一个效果舒适的末端形式，加之技术的优化和系统的匹配组成了一个高效的采暖系统，亦需要通过这三方面来解决效率、环境和经济等问题。

住建部科技计划项目认定低温空气源热泵与地暖组合的系统是可靠的采暖系统。很多国内学者也对空气源热泵搭载不同热水供热末端系统进行了模拟、测试及调研[2-5]。

在此议题下，本文对夏热冬冷地区两套住宅分别安装了空气源热泵散热器系统和地暖系统，长期监测了两系统的运行特性及供热效果，对比分析了不同末端系统对热泵机组的要求、季节性能、供热效果、预热特性、舒适性及经济性。

1 测试系统与方法

1.1 系统概况及机组结构原理

试验地点为江苏省溧阳市的某两套小区住宅。如图1所示，该两套房型相近，均为三室两厅96m2和92m2，并且分别采用散热器末端和地暖进行供热。

测试机组名义参数如表1所示，图2所示的是两套待测系统的原理示意图。

热源均采用空气源热泵（1～7），散热器末端采用同程敷设（8～9），地暖盘管采用湿式铺法（10～11）。该空气源热泵搭载了喷气增焓技术，在涡旋压缩机的涡旋盘设置了一个中间补气口。冷媒经室外换热器后至涡旋压缩机进气口（1），压缩至高温高压状态（2）后进入室内板式换热器，高温高压液态冷媒（3）进入经济器（4）后，一路经膨胀阀a节流进入室外换热器（6），另一路与器后膨胀阀b节流后的两相冷媒（7）换热成中压冷媒（5）喷射至补气口，提高了制冷剂流量并增大了焓差，从而提高了系统的制热量和能效比^[6-7]。

1.2 测试内容与方法

散热器系统的测试时间为2015年2月1日至2015年3月27日，地暖系统的测试时间为2015年2月19日至2015年3月31日，测试期间均无人居住。本测试分别对供回水温度、循环水流量、功率电量、室内热环境进行了长期监测，数据记录间隔时间为1min，其测试仪器的性能参数如表2所示。

图3所示的是室内热环境温度传感器的布置方法。为了充分考虑地面温度、脚踝温度、坐姿体感等影响，在测试房间中布置了地板温度、壁面温度和垂直温度分布的测点（高度分别为0、0.1m、1.1m、2.3m、2.8m）。

散热器系统的测试方案分为三个阶段：第一阶段为2015年2月1日至3月8日，设置回水温度45℃，全部散热器连续供热；第二阶段为3月9日至3月13日模拟上班启停，全部散热器间歇供热，8:30～17:00停机；第三阶段为3月14日至3月27日，局部散热器连续供热，只开启卧室和客厅散热器。地暖系统的测试方案也分为三个阶段：第一阶段为2月19日至3月3日，设置供水温度50℃，连续供热；第二阶段为3月4日至3月8日及3月13日至3月31日，设置供水温度40℃，连续供热；第三阶段为3月9日至3月12日，与散热器系统同步模拟上班启停，间歇供热，8:30～17:00停机。

2 测试结果与分析

2.1 机组的季节性能

三个测试阶段分别在供水温度和供热方式上有所不同，其中间歇供热是模拟生活中上班的情景。

如图4所示，散热器系统测试期间平均能效比为2.24，其中三个阶段平均能效比分别为2.20、2.28、2.39，日均制热量分别为183.7、137.4、99.3kWh，日均耗电量分别为83.8、60.2、41.5kWh。由图5可知，地暖系统测试期间平均能效比为2.98，其中三个阶段平均能效比分别为2.79、3.28、2.58，日均制热量分别为187.6、108.5、99.9kWh，逐日均耗电量分别为67.28、33.1、38.73kWh。在2月19日～28日这一典型共同时间内，散热器系统能效比为2.19，地暖系统能效比为2.79，可见上述测试结果的可靠性以及系统运行的稳定性。

测试期间最低室外温度为-4℃，平均气温8℃。散热器系统的能效比低于地暖系统。相应地，耗电量则高于地暖系统。制热量随室外温度的升高和供水温度的降低而降低。当室外温度升高时，房间热负荷减小，定流量系统中末端循环的回水温度升高，使得制热量减小，系统能效比增大。在满足供热需求的情况下，降低供水温度设定值，可有效提供机组的能效比，使运行更加经济。

2.2 系统的供热效果

数据监测期间，两套试验场地均门窗紧闭，并且无人居住。相对湿度是反映供热效果的重要指标之一，与人体的健康和舒适度息息相关。图6描绘的是溧阳室外相对湿度和两套系统供热的室内温度关系。该地区的室外相对湿度较高，平均在85%左右，室内相对湿度平均在38%～52%的范围，并且可以看到室内相对湿度均随着室外的波动而有小范围的波动。

图7、8所示的是整个测试期间客厅中心的垂直温度分布。散热器系统地面温度比0.1m处高，是因为测点布置离供水管路比较近。空间温度从低到高呈现先上升后下降的趋势，测点的极大值出现在2.3m处。可以看到地暖系统垂直温度梯度为0.15℃/m～0.3℃/m，供热效果非常均匀。散热器系统的垂直温度梯度高于地暖系统。地暖系统的地面温度明显高于散热器系统，可以得到“头凉脚暖”的热感觉。

2.3 采暖间歇运行特性

图9、10显示的是两系统模拟住户上班的情况下，同步进行启停机测试的垂直温度变化，即8:30～17:00停机进行间歇供热。

早上停机后，两房间室温均开始下降，降温趋势逐渐变缓。停机期间，散热器系统温度降低5℃～6℃；地暖系统不同高度的温降差别较大，顶面降低约1.5℃，高度越低，温降越大，地面降低10℃左右。

下午开机后，散热器系统约60min回升至较稳定状态；地暖系统位置越高，温度回升越慢，约80min回升至较稳定状态。

另外，开机前温度的一段骤降是由于试验人员开门所致。开门处与客厅温度测试位置距离很近，当人员进入场地时，随之带入一股冷气流，与室内空气进行对流换热，导致温度骤降。可见人员的行为活动（例如走动、出入、门窗开关等）对热环境有着明显的作用。

2.4  舒适性分析

随着经济发展，收入的提高带动了用户对生活环境舒适性要求的提高，因此本文对散热器末端和地暖系统供热的热舒适性进行了对比，该结果是在两个系统的平均供热效果条件下进行的计算。

蓝色区域为符合ASHRAE标准的，预测不满意百分比PPD小于10%的范围，其条件为代谢率为1met、冬季室内典型1clo衣服热阻、风速分别为0.1m/s及0.01m/s、平均辐射温度分别为22.3℃及23.0℃。散热器系统预测平均投票数PMV为-0.28，预测不满意百分比PPD为7%；地暖系统PMV为0.04，PPD为5%。

可见两系统均能满足基本的舒适性要求，而散热器系统PPD比地暖系统高2%，地暖系统有较好的热舒适性。对比PMV值，散热器系统体感微凉，地暖系统体感微暖，不同体感要求的人群可根据该特性选择末端。

2.5  经济性分析

溧阳市的居民用电可采用峰谷电价方式：8:00～21:00时段标准为0.5583元/kWh；21:00～次日8:00时段收费为0.3583元kWh。燃气价格为2.28元/m³，热值取3557kJ/m³。

按此方式计算电费，并考虑不同阶段的运行方式，空气源热泵与燃气壁挂炉、电采暖方式的费用比较结果如图11所示，该结果结合了空气源热泵的试验数据和相应的理论推算，即其他形式的采暖系统运行费用是在试验测定的相同的制热量下进行的推算。

由图可知，散热器系统空气源热泵的运行费用比燃气壁挂炉和电采暖方式分别节省24%、55%以上，地暖系统则分别节省41%、59%以上。两组启停试验是在相同时间段进行的测试，可以看到地暖系统的花费比散热器系统低。

空气源热泵系统具有很大的优势，第一组和第三组制热量相当的情况下，地暖比散热器系统节省10元/(m2·季)。第二组和第四组的启停试验阶段，在水温较低的情况下，地暖的优势更加明显。

3 结论

本文通过对溧阳市两套住宅建筑的户式空气源热泵供热系统进行了季节监测，分别采用散热器和地暖末端，证明了在夏热冬冷地区空气源热泵运行稳定，均可满足供热需求。

测试结果还表明：

1)散热器系统测试期间平均能效比为2.24，地暖系统为2.98，该结果计算包含循环水泵功耗。

2)地板采暖供水温度比散热器系统低，空气源热泵机组能效比较高。地板辐射采暖效果在垂直方向上比散热器更加均匀。

因此，可用低温热水得到舒适的小梯度热环境。

3)在每日的启停测试中（8:30停机，17:00开机），开机后该夏热冬冷地区的地暖热水供热系统的室温约80min达到稳定状态，散热器系统室温为60min，比地暖快20min。

4)两系统均能满足基本的舒适性要求。散热器系统PPD比地暖系统高2%，地板辐射采暖的热舒适性优于散热器。

5)空气源热泵给夏热冬冷地区冬季供热带来了很好的经济性，可比燃气壁挂炉和电采暖方式分别节省24%、55%以上。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.GB 50176－93 民用建筑热工设计规范[S].北京：中国计划出版社，1993

[2]周翔，张淇淇. 上海地区住宅冬季室内环境调研及热需求分析[J]. 暖通空调，2013，43（6）：64-67

[3]王恩丞，谭洪卫. 上海地区空气源热泵地板采暖系统应用研究[J]. 建筑热能通风空调，2004，23（6）：25-29

[4]吕雪涛.室内地板辐射采暖与散热器采暖流场的数值模拟[J]. 建筑节能，2015，（1）：6-9

[5]余丽霞.空气源热泵在长江流域的气候适宜性研究[J]. 暖通空调，2011，41（6）：96-99

[6]马国远，彦启森. 涡旋压缩机经济器系统的性能分析[J]. 制冷学报，2003，(3)：20-24

[7]Neil J.Hewitt. Advanced air source heat pumps for UK and European domestic buildings [J]. Applied Thermal   Engineering，2011，（31）：3713-3719