張川，陳金峰，王如竹

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

上海地區(qū)空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管末端的供暖空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

張川，陳金峰，王如竹*

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

為解決夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管末端的分布式空調(diào)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究表明：在冬季典型工況下采用35℃左右的熱水供暖，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)（COP）可達(dá)3.0；在夏季典型工況下采用10℃左右的冷水制冷，系統(tǒng)制冷COP也在3.0以上。結(jié)果表明通過(guò)使用小溫差換熱末端降低了機(jī)組設(shè)定出水溫度，改善了機(jī)組的運(yùn)行工況，提升系統(tǒng)的能效比。系統(tǒng)解決了目前空氣源熱泵在冬季低溫工況下供暖能效低、舒適性差等問(wèn)題，為解決我國(guó)南方冬季供暖問(wèn)題提供了可行方案。

空氣源熱泵；小溫差換熱末端；風(fēng)機(jī)盤管；南方供暖；夏熱冬冷

0 引言

近年來(lái)長(zhǎng)江流域夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖問(wèn)題開(kāi)始得到廣泛關(guān)注。解決上述地區(qū)的冬季供暖問(wèn)題的主要備選方案有：1）集中供暖模式：集中供暖系統(tǒng)的管網(wǎng)建設(shè)投資太大，鍋爐房排放量大，不宜廣泛推廣[1]；2）太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)：長(zhǎng)江流域的冬季日照時(shí)間數(shù)偏少，2011年1月份上海的日照時(shí)間為123小時(shí)，武漢為106小時(shí)，杭州為95小時(shí)[2]，成都、重慶等城市更低，太陽(yáng)能系統(tǒng)的保證率較低，經(jīng)濟(jì)性差；3）電供暖或者燃?xì)夤┡哼@兩種方式以一次能源或者高品位能源供暖，能源利用效率低，安全性差，從節(jié)能減排的角度講不適應(yīng)大規(guī)模推廣；4）以熱泵為熱源的分布式供暖系統(tǒng)：其中空氣源熱泵作為適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能效果好的熱源，包括制冷劑直接與室內(nèi)空氣換熱的系統(tǒng)（房間空氣調(diào)節(jié)器）以及利用空氣源熱泵熱水機(jī)組的熱水供暖系統(tǒng)，正在得到越來(lái)越廣泛的推廣和應(yīng)用。

但是量大面廣的空氣源熱泵房間空氣調(diào)節(jié)器最大問(wèn)題是供暖工況的氣流組織很不合理，另外由于室內(nèi)機(jī)尺寸小，往往需要45℃以上的冷凝溫度，而室外機(jī)的蒸發(fā)溫度可能在零下5℃～10℃，使得空氣源熱泵能效很低，造成房間供熱量不足。此外，間斷性的除霜使得常規(guī)空氣源熱泵空調(diào)器供暖舒適性受到影響。

空氣源熱泵熱水機(jī)組的熱水供暖系統(tǒng)已經(jīng)在商用建筑中獲得較多應(yīng)用。GB/T 18430. 2-2008《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組》[3]規(guī)定，空氣源熱泵制熱名義工況下熱水出水溫度為45℃，風(fēng)冷側(cè)的空氣干球溫度7℃，融霜工況的室外空氣干球溫度為2℃。作為商用系統(tǒng)往往配備了鍋爐可以作為輔助，以滿足中央空調(diào)冬季供暖需求。

上海最冷月室外平均溫度在1.5℃左右，顯然設(shè)定機(jī)組熱水出水溫度在45℃，機(jī)組無(wú)法運(yùn)行或者即使勉強(qiáng)運(yùn)行也會(huì)頻繁除霜，COP極低。由于冬季供暖的舒適性室內(nèi)溫度在20℃左右，應(yīng)用小溫差換熱末端可以有效解決上述問(wèn)題，所謂小溫差換熱末端可以是風(fēng)機(jī)盤管末端，其冷熱水與室內(nèi)空氣的換熱溫差較??；也可以是地板供暖輻射末端或輻射供冷板，但由于輻射末端與既有建筑不能較好搭配，且不能同時(shí)有效解決夏季制冷和冬季供暖，因此本文選用了一種小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管末端，這種末端通過(guò)小溫差換熱降低對(duì)冷熱源供水溫度的需求（夏季10℃，冬季35℃），克服機(jī)組運(yùn)行能效低的問(wèn)題。以R134a空氣-水熱泵系統(tǒng)的理論循環(huán)為例，假定夏季工況下環(huán)境溫度30℃，如果通過(guò)增加末端換熱面積使機(jī)組的出水溫度增加至12℃，機(jī)組的COP比7℃下高6%，出水溫度15℃高15%；同理冬季工況下環(huán)境溫度0℃，如果通過(guò)增加末端換熱面積使機(jī)組的出水溫度降低至45℃，機(jī)組的COP比60℃下高14%，出水溫度35℃高24%。在此設(shè)計(jì)理念下，我們以上海地區(qū)某建筑面積100 m2的家庭住宅為例，搭建了一套空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端的供暖空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其冬夏季性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，驗(yàn)證了其供暖和制冷的高效性和舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試住宅位于上海交通大學(xué)閔行校區(qū)，建筑面積約100 m2，建筑平面簡(jiǎn)圖如圖1所示，屬于2室2廳典型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)臥室各布置1臺(tái)落地式風(fēng)機(jī)盤管、客廳布置了3臺(tái)落地式風(fēng)機(jī)盤管。外墻結(jié)構(gòu)為砌塊加50 mm厚擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)為0.57 W/(m2·K)；屋面結(jié)構(gòu)為多孔混凝土加80 mm厚硬聚氨酯，傳熱系數(shù)為0.31 W/(m2·K)；外窗為L(zhǎng)ow-E中空玻璃斷橋鋁合金窗，玻璃厚度5 mm，空氣層厚度7 mm，傳熱系數(shù)為2.5 W/(m2·K)，建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為7.5 kW。

圖1 測(cè)試住宅建筑平面簡(jiǎn)圖

空氣源熱泵及小溫差換熱末端系統(tǒng)的示意圖如圖2所示，其中空氣源熱泵冷熱水機(jī)組選用開(kāi)利42VL型機(jī)組（3匹機(jī)組），設(shè)計(jì)出水溫度（45℃）下額定制熱量為8.4 kW，由于設(shè)計(jì)初衷在于通過(guò)使用小溫差換熱末端降低機(jī)組出水溫度，所以機(jī)組選型時(shí)適當(dāng)增大機(jī)組的制熱量，保證在低溫位熱水出水下仍可以滿足設(shè)計(jì)需求；水泵選用歐馳達(dá)水泵，在設(shè)計(jì)流量下的揚(yáng)程可以克服系統(tǒng)各部分的阻力損失；室內(nèi)換熱末端選用JAGA的小溫差換熱（Low-H2O）末端，這種末端與市場(chǎng)上的常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管相比，給出了在低溫位進(jìn)水溫度（35℃）下的制熱量[4]，單個(gè)末端在設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)風(fēng)量下的制熱量為1.4 kW，其在房間中的平面安裝位置見(jiàn)圖1，各設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示。

測(cè)試系統(tǒng)主要包括溫度測(cè)量、流量測(cè)量、電量測(cè)量三部分。溫度測(cè)量采用清華同方RHLOG溫度自記儀，測(cè)量溫度范圍為-20℃～80℃，測(cè)量誤差為±0.2℃，滿足測(cè)試需求。溫度測(cè)量主要有三類：一是室內(nèi)空氣溫度測(cè)量，各溫度傳感器均勻放置在室內(nèi)各處離地面1.5 m高的平面上（如圖1）；室外空氣溫度測(cè)量，傳感器放置在空氣源熱泵機(jī)組的風(fēng)冷換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)，用以測(cè)量進(jìn)風(fēng)空氣溫度（如圖2）；機(jī)組進(jìn)出水溫度測(cè)量，傳感器的安裝位置如圖2。流量測(cè)量采用渦輪流量傳感器，安裝在向室內(nèi)末端供應(yīng)冷熱水的總管路上，用以測(cè)量機(jī)組的出水流量，計(jì)算機(jī)組的供熱供冷量。電量測(cè)量采用ZW3432B型電量采集儀一臺(tái)，安裝位置在空氣源熱泵冷熱水機(jī)組和水泵的總線上，分別測(cè)量空氣源熱泵冷熱水機(jī)組和水泵的耗電量用以計(jì)算系統(tǒng)性能，數(shù)據(jù)采集通過(guò)Labview軟件進(jìn)行。

圖2 空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端系統(tǒng)圖

2 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各傳感器實(shí)測(cè)的溫度、流量、電量分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)參數(shù)和指標(biāo)，詳細(xì)介紹如下。

室外溫度：安裝在空氣源熱泵冷熱水機(jī)組進(jìn)風(fēng)口處的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)作為室外溫度，24小時(shí)的溫度平均值作為24小時(shí)室外平均溫度。

室內(nèi)溫度：均勻安裝在室內(nèi)各位置的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)的平均值作為室內(nèi)溫度，24小時(shí)的溫度平均值24小時(shí)室內(nèi)平均溫度。

機(jī)組制熱量Qheat計(jì)算公式為：

式中：

c——水的比熱容，計(jì)算時(shí)取為4200 kJ/(kg·℃)；

m——流量傳感器測(cè)得的系統(tǒng)水總流量，kg/s；

tout——溫度傳感器實(shí)測(cè)的機(jī)組熱水出水溫度（冬季），℃；

tin——溫度傳感器實(shí)測(cè)的機(jī)組熱水回水溫度，℃。

機(jī)組制冷量依據(jù)制熱量計(jì)算的相同方法進(jìn)行計(jì)算。

機(jī)組的COP：

式中：

Qheat——前面計(jì)算的機(jī)組制熱量，kW；

Php——電量采集儀測(cè)得的機(jī)組功率，kW。

系統(tǒng)COP：

式中：

Ppump——電量采集儀測(cè)得的水泵功率，kW；

Pfancoil——末端風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的耗電量，kW。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)我們分別進(jìn)行了冬夏季典型工況下系統(tǒng)性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分析了系統(tǒng)冬夏季典型工況24 h穩(wěn)態(tài)特性。

3.1 冬季工況24小時(shí)穩(wěn)態(tài)性能

圖4是供暖房間在上海地區(qū)冬季1月份典型室外工況下的24小時(shí)溫度變化曲線，由于室內(nèi)采用小溫差換熱末端，故設(shè)定機(jī)組出水溫度在35℃。從圖可知，上海地區(qū)冬季典型天氣狀況（24小時(shí)室外平均溫度3℃）下，室內(nèi)溫度仍能保持在20℃左右。說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端供暖系統(tǒng)確實(shí)能滿足夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖需求。另外，從圖可見(jiàn)由于室內(nèi)末端安裝方式的改進(jìn)，機(jī)組除霜不會(huì)明顯房間的溫度變化。

圖4 上海地區(qū)冬季工況實(shí)驗(yàn)住宅24小時(shí)室內(nèi)外溫度變化曲線（機(jī)組出水溫度35℃，除霜時(shí)間如箭頭所示）

圖5是冬季工況下機(jī)組與系統(tǒng)的24小時(shí)COP變化曲線。從圖可知，在采用小溫差換熱末端，降低機(jī)組熱水出水溫度至35℃的情況下，機(jī)組的24小時(shí)平均COP達(dá)到3.0以上，接近相同地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組地板輻射供暖系統(tǒng)的COP[5]。需要指出，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管路閥門較多，較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以選擇功率更小效率更高的水泵，提升系統(tǒng)COP。

圖5 上海地區(qū)冬季工況24小時(shí)機(jī)組及系統(tǒng)COP變化曲線（機(jī)組出水溫度35℃）

3.2 夏季工況24小時(shí)穩(wěn)態(tài)性能

前面提到我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)組的初衷在于解決夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖問(wèn)題，并論證了系統(tǒng)在冬季供暖時(shí)的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，但一套高效的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該保證在全年運(yùn)行工況下都具有較高的COP，這樣才能保證系統(tǒng)在冬季節(jié)約的運(yùn)行能耗不在夏季被消耗。

圖6是相同房間在上海地區(qū)夏季7月份典型室外工況下的24小時(shí)溫度變化曲線，同樣由于小溫差換熱末端的使用，設(shè)定機(jī)組出水溫度在11℃，機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)的24小時(shí)COP變化如圖6。從圖可知，在24小時(shí)平均室外溫度37℃的工況下，室內(nèi)溫度能保持在26℃左右，機(jī)組COP保持在3.0左右，說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅能滿足冬季供暖需求，在夏季制冷時(shí)也具有較高的能效比。說(shuō)明設(shè)計(jì)的空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端的空調(diào)系統(tǒng)是在全年運(yùn)行工況下都具有經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的系統(tǒng)。

圖6 空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端系統(tǒng)上海地區(qū)夏季工況24小時(shí)運(yùn)行情況

4 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與分析

舒適性、經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性是衡量空調(diào)供暖系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。表1總結(jié)了文獻(xiàn)給出的幾種常見(jiàn)供暖空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性指標(biāo)[7-8]，從中可以看出：與電供暖相比，熱泵供暖本身在COP方面具有3:1的優(yōu)勢(shì)；與普通空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于舒適；與地暖末端的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于造價(jià)和全年適應(yīng)性；與燃?xì)庵醒牍┡?，總費(fèi)用可以減少一半，是值得推廣的新技術(shù)。

表1 幾種不同類型空調(diào)供暖系統(tǒng)的性能對(duì)比

計(jì)算基于上海地區(qū)的物價(jià)水平和生活習(xí)慣，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間按每天10小時(shí)計(jì)，電費(fèi)以0.6元/kW·h計(jì)，天然氣價(jià)格以2.5元/m3計(jì)，天然氣熱值按3.6 ×107J/m3計(jì)，燃?xì)夤┡男拾?5%計(jì)，電供暖的效率按90%計(jì)，熱電轉(zhuǎn)化效率按0.4計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值按29270 kJ/kg計(jì)。

5 結(jié)論與分析

設(shè)計(jì)了一套空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端的空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其在上海地區(qū)應(yīng)用的性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。研究表明通過(guò)使用小溫差換熱末端的確可以降低機(jī)組出水溫度的要求，與傳統(tǒng)空氣源熱泵冷熱水空調(diào)系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在冬季采用35℃左右的熱水出水溫度就能保證室內(nèi)供暖效果。小溫差換熱末端的使用降低了機(jī)組在冬季的冷凝溫度，增大了機(jī)組在夏季的蒸發(fā)溫度，提升了系統(tǒng)的COP，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是值得推廣的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)采用1臺(tái)3匹室外機(jī)配(3～5)個(gè)風(fēng)機(jī)盤管就可以解決一套住宅的供暖和制冷，初投資低，運(yùn)行費(fèi)用省，是值得推廣的解決我國(guó)南方地區(qū)冬季供暖的適用性和實(shí)用性方案。如果再配置一臺(tái)水箱，還可以方便地實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵熱水器的功能，做到空氣源熱泵“一機(jī)多能”。

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Experimental Investigation of the Performance of Heating and Air-conditioning System with Air Source Heat Pump and Low Temperature Difference Fan Coil Indoor Terminals in Shanghai

ZHANG Chuan, CHEN Jin-feng, WANG Ru-zhu*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China)

This paper deals with an air source heat pump (ASHP) space heating and cooling system with low temperature difference fan coil indoor terminals to solve the residential heating in winter for hot summer and cold winter regions. Experiment results show that the system has a total coefficient of performance (COP) about 3.0 with ASHP outlet water temperature at 35oC under typical operation condition in winter; and a total COP over 3.0 with ASHP outlet water temperature at 10oC under typical operation condition in summer. It indicates that by the use of low temperature difference fan coil units, the operation condition of ASHP is improved, thus has a better COP. This kind of system can overcome the typical problem (low energy efficiency and bad thermal comfort) of traditional ASHP heating system, providing an alternative solution for residential heating in winter in south China.

Air source heat pump; Low temperature difference terminal; Fan coil units; Residential heating in south area; Hot summer and cold winter

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.101

*王如竹（1964-），男，教授。研究方向：制冷空調(diào)中的能源利用等。聯(lián)系地址：上海市上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院A樓404室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

本論文選自2013中國(guó)制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文。