許可，王樹(shù)剛，蔣爽，張騰飛

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

空氣源熱泵用于低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的模擬研究

許可，王樹(shù)剛*，蔣爽，張騰飛

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡哂惺孢m、節(jié)能和節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)?？諝庠礋岜靡云涓咝?、穩(wěn)定及其與前者的良好匹配性被認(rèn)為是低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的理想熱源。空氣源熱泵與地板輻射供暖系統(tǒng)相結(jié)合能充分利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地板各構(gòu)造層等蓄熱體的蓄熱特性，減小環(huán)境溫度變化對(duì)空氣源熱泵制熱性能的影響。本文利用TRNSYS和EES軟件建立某高層建筑以空氣源熱泵為熱源的低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的瞬態(tài)仿真模型，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了較好的一致性?；诘匕遢椛涔┡到y(tǒng)的蓄熱特性，本文提出電力負(fù)荷波峰波谷分時(shí)段運(yùn)行控制策略，可避開(kāi)空氣源熱泵運(yùn)行的不利工況以提高制熱效率。針對(duì)波峰波谷分時(shí)段運(yùn)行及全波谷運(yùn)行這兩種模式，比較供暖房間溫度及運(yùn)行費(fèi)用的模擬結(jié)果表明，波峰波谷分時(shí)段運(yùn)行模式優(yōu)于全波谷運(yùn)行模式。

地板輻射供暖；空氣源熱泵；TRNSYS；模擬

0 引言

目前我國(guó)民用建筑能耗占社會(huì)商品能源總消費(fèi)量的20%以上，其中供暖能耗占民用建筑總能耗的56%～58%[1]。在眾多供暖方式中，低溫地板輻射供暖通過(guò)以輻射為主的換熱方式向室內(nèi)供暖，因其室內(nèi)衛(wèi)生、舒適性強(qiáng)、比傳統(tǒng)供暖方式節(jié)能20%～30%等優(yōu)勢(shì)[2]，得到了廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋岜靡云淝鍧?、高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域，但其冬季制備的低溫?zé)崴谝燥L(fēng)機(jī)盤(pán)管為末端的傳統(tǒng)空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中難以發(fā)揮出令人滿意的供暖效果[3]。而低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)是以低溫?zé)崴ㄒ话阍?0℃～45℃左右）作為供暖介質(zhì)，這恰好是空氣源熱泵的理想工況，因此理論上選用空氣源熱泵作為低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的熱源優(yōu)于加熱電纜、燃油、燃?xì)忮仩t和集中供熱等傳統(tǒng)熱源[4]。一些學(xué)者對(duì)空氣源熱泵用于低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)已展開(kāi)研究。陳顯斌等[5]針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，分析了空氣源地板輻射供暖系統(tǒng)在這類(lèi)地區(qū)運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)、選型及存在問(wèn)題。王恩丞等[3]以上海地區(qū)的一棟獨(dú)立別墅住宅為對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析得出：系統(tǒng)受空氣源熱泵周期性除霜的影響甚微，但受室外氣溫影響較大。付祥釗等[6]基于夏熱冬冷地區(qū)空氣源熱泵與地板供暖聯(lián)合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：利用地板供暖系統(tǒng)的蓄能特性，采用夜間運(yùn)行、白天停機(jī)的運(yùn)行模式，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷可起到削峰填谷的作用，但由于夜間氣溫較低，必然導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率下降。曾章傳等[4]針對(duì)空氣源熱泵制冷劑做熱媒的地板輻射供暖系統(tǒng)建立熱力分析模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析了系統(tǒng)能效比和各組成部件損失。目前研究者主要從實(shí)驗(yàn)角度研究空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬分析較少，而對(duì)于系統(tǒng)控制策略與建筑系統(tǒng)的匹配性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及其可行性等方面，數(shù)值模擬方法比試驗(yàn)方法更加方便可行。

從地板輻射供暖的傳熱方式來(lái)看，其中輻射熱流占總熱流的50%～60%，輻射熱量首先被墻體吸收并儲(chǔ)存在墻體及家具內(nèi)，故地板輻射供暖系統(tǒng)具有良好的蓄熱性能[8]。地板輻射供暖系統(tǒng)可以采用連續(xù)運(yùn)行模式和分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行模式，由于連續(xù)運(yùn)行模式費(fèi)用較高[3]，因此可利用地板輻射供暖系統(tǒng)良好的蓄熱性能結(jié)合用戶的居住習(xí)慣進(jìn)行間歇供暖，在保證室內(nèi)熱舒適性條件下，一方面可降低運(yùn)行費(fèi)用，另一方面可避開(kāi)空氣源熱泵運(yùn)行的不利工況以提高制熱效率。因此，本文利用EES和TRNSYS仿真平臺(tái)建立以空氣源熱泵為熱源的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)仿真模型，研究間歇運(yùn)行控制策略可行性及經(jīng)濟(jì)性。

1 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)描述

空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機(jī)組和地板輻射盤(pán)管組成?？諝庠礋岜脵C(jī)組，以制冷劑為載體，通過(guò)消耗少量電能將室外空氣中低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能。地板輻射盤(pán)管是埋設(shè)于樓板上部的碎石混凝土或水泥砂漿層內(nèi)的盤(pán)管，以整個(gè)或部分地面作為散熱面，其散熱形式主要以輻射為主。系統(tǒng)供暖運(yùn)行時(shí)，地板盤(pán)管循環(huán)水與經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮的制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)進(jìn)行換熱后進(jìn)入地板盤(pán)管進(jìn)行供熱。

圖1 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)的仿真模型

2.1 空氣源熱泵模型和除霜模型描述

熱泵模型及相應(yīng)控制程序用EES（Engineering Equation Solver）軟件編寫(xiě)。EES是一款方程組求解軟件內(nèi)置了很多對(duì)工程計(jì)算非常有用的數(shù)學(xué)和熱物性函數(shù)，同時(shí)支持用戶用類(lèi)似于Pascal和Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)函數(shù)和子程序。機(jī)組的最大制熱量及輸入功率由生產(chǎn)商提供的機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)擬合而來(lái)：

式中：

式中：

熱泵性能曲線只能用于穩(wěn)態(tài)條件，在熱泵開(kāi)機(jī)后，機(jī)組首先被加熱，蒸發(fā)器和冷凝器間的壓力差開(kāi)始建立。這個(gè)過(guò)程中將導(dǎo)致機(jī)組的供熱量衰減，需要對(duì)性能曲線值進(jìn)行修正。這里采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)機(jī)組的最大制熱量進(jìn)行修正，在計(jì)算模型中將考慮機(jī)組開(kāi)關(guān)機(jī)造成的性能衰減[9]。

此外室外機(jī)從環(huán)境大氣中取熱，會(huì)導(dǎo)致室外機(jī)盤(pán)管表面結(jié)霜影響機(jī)組制熱效率，因此空氣源熱泵機(jī)組會(huì)周期性地進(jìn)行(2～5)分鐘的除霜循環(huán)。除霜方法為逆向除霜，利用高溫高壓制冷劑流經(jīng)室外機(jī)盤(pán)管來(lái)融霜，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)組整體制熱性能的降低。本模型利用文獻(xiàn)[10]中的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)機(jī)組的出口水溫進(jìn)行修正。

當(dāng)環(huán)境溫度低于7℃和高于7℃時(shí)，制熱性能系數(shù)(COP)衰減值分別如公式(4)和公式(5)所示：

式中：

機(jī)組實(shí)際制熱量的計(jì)算如公式(6)～(8)所示：

式中：

2.2 負(fù)荷、末端裝置及相關(guān)部件模型描述

能量消耗模型、末端裝置及相關(guān)循環(huán)控制模型由TRNSYS（Transient System Simulation）軟件建立。TRNSYS是模塊化的動(dòng)態(tài)仿真程序，即認(rèn)為一個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)小系統(tǒng)（即模塊）組成，一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析時(shí)，只要調(diào)用實(shí)現(xiàn)這些特定功能的模塊，給定輸入條件，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。

圖2為空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行流程圖。系統(tǒng)所用到的TRNSYS部件由5個(gè)部分組成，詳述如下。

圖2 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)仿真程序流程圖

1）熱源部分：EES調(diào)用器Type66a、延遲輸入控制器Type661。

2）末端裝置及水循環(huán)系統(tǒng)：水泵Type114、集水器Type649、分水器Type647、地板輻射盤(pán)管系統(tǒng)采用建筑熱性能模塊Type56中的active layer。active layer是一個(gè)可以被整合入圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的管網(wǎng)系統(tǒng)（用戶可以對(duì)管壁厚度、管間距、管壁導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置），作為該模塊中調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的一個(gè)單元。

3）氣象數(shù)據(jù)輸入：TMY2氣象數(shù)據(jù)讀數(shù)器Type109、濕度計(jì)算Type33e、溫度計(jì)算Type69b。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：逐時(shí)室溫及機(jī)組制熱COP由Type65c采集，熱泵機(jī)組及水泵能耗由積分器Type24統(tǒng)計(jì)。

5）建筑物負(fù)荷模擬：建筑物負(fù)荷模擬采用多區(qū)域建筑模塊Type56a，該模塊允許用戶根據(jù)實(shí)際建筑情況建立模型。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

本研究的空氣源熱泵模型的機(jī)組名義制熱工況[7]為進(jìn)水溫度40℃，出水溫度45℃，室外環(huán)境干/濕球溫度為7℃/6℃，額定供熱量為10.5 kW，機(jī)組輸入功率為3.4 kW（含壓縮機(jī)和室外盤(pán)管換熱風(fēng)機(jī)功率）。熱源與地板盤(pán)管之間設(shè)置定頻水泵1臺(tái)，水泵揚(yáng)程為11.5 m，流量為1.68 m3/h，輸入功率為340 W?？諝庠礋岜弥苽涞牡蜏?zé)崴ㄟ^(guò)分水器進(jìn)入室內(nèi)各房間的地板盤(pán)管進(jìn)行放熱，然后流回集水器進(jìn)入空氣源熱泵冷凝器再次被加熱。為保證供水溫度不超過(guò)舒適溫度，對(duì)冷凝器出水溫度進(jìn)行調(diào)控，控制系統(tǒng)電功率為73 W。

3.2 模擬建筑概況

模擬建筑取自文獻(xiàn)[6]，位于重慶市區(qū)一幢高層住宅樓的中部（第17層）。該建筑為剪力承重結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆樓板，塑鋼單層玻璃窗，外墻傳熱系數(shù)為2.67 W/(m2·K)。表1是各房間相關(guān)參數(shù)。該供暖地板從上至下各構(gòu)造層依次為8 mm厚強(qiáng)化木地板，2 mm厚柔性墊層，30 mm厚水泥砂漿埋管填充層，50 mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，120 mm厚鋼筋混凝土樓板層。模擬過(guò)程中各熱水回路流量保持不變，客廳為400 L/h，主臥室為420 L/h，書(shū)房及次臥室共為380 L/h，廚房及客廳北部共為360 L/h，總流量為1560 L/h。整套住宅只有1人，照明總功率為18 W，無(wú)其他內(nèi)熱源，相鄰住戶室溫12℃。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

3.3 模擬值與實(shí)驗(yàn)值的比較

模擬房間的初始溫度為15℃，系統(tǒng)首先進(jìn)行8小時(shí)的不間斷運(yùn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室溫平緩上升后，進(jìn)入有控制運(yùn)行模式。設(shè)定供水溫度為42℃～46℃。圖3和圖4分別為客廳和廚房于12月28日至次年1月8日的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)。對(duì)比分析可知，書(shū)房室溫的模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，而在客廳兩者吻合較好，原因是室內(nèi)的通風(fēng)氣流首先從書(shū)房進(jìn)入，流經(jīng)客廳由廚房排出，引起測(cè)試期間書(shū)房室溫實(shí)驗(yàn)平均值比客廳低2.5℃左右。而模擬中沒(méi)有考慮通風(fēng)氣流流向?qū)κ覝氐挠绊?，所以?shū)房與客廳室溫的模擬值相差不大。

圖3 書(shū)房室溫的實(shí)驗(yàn)值和模擬值

圖4 客廳室溫的實(shí)驗(yàn)值和模擬值

圖5為空氣源熱泵停機(jī)后，客廳及書(shū)房室溫下降情況的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)。該供暖系統(tǒng)停機(jī)24 h后，平均室溫的實(shí)驗(yàn)值與模擬值分別下降了2.25℃和2.29℃，平均每小時(shí)分別下降0.093℃和0.095℃。模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好。

圖5 停止供暖后室溫的下降情況

3.4 波谷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行效果

供暖系統(tǒng)停止后室溫緩慢下降的情況顯示出地板供暖系統(tǒng)良好的蓄熱性能。地板供暖系統(tǒng)中的熱水主要通過(guò)輻射方式將熱量傳遞給室內(nèi)墻體，同時(shí)加熱地板下的各構(gòu)造層，這些蓄熱體在供暖系統(tǒng)停止運(yùn)行室溫下降后，會(huì)將熱量釋放出來(lái)減緩室溫的進(jìn)一步降低?？梢岳么颂攸c(diǎn)改變機(jī)組的運(yùn)行模式，電力負(fù)荷低谷期間運(yùn)行，電力負(fù)荷高峰時(shí)停機(jī)，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)等蓄熱體儲(chǔ)存的熱量來(lái)維持室溫。

圖6為1月10日到1月12日波谷運(yùn)行、波峰關(guān)機(jī)的平均室溫模擬結(jié)果。設(shè)定供水溫度為33℃～46℃；機(jī)組從1月10日22點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行8個(gè)小時(shí)到1月11日6點(diǎn)停機(jī)；從1月11日22點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行8個(gè)小時(shí)到1月12日6點(diǎn)停機(jī)。由TRNSYS積分器模塊統(tǒng)計(jì)的總耗電量為66.41 kWh，平均每小時(shí)耗電量為4.15 kWh，室內(nèi)溫度日波動(dòng)為1.6℃。這種運(yùn)行模式在實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的地區(qū)運(yùn)行費(fèi)用的降低將更為顯著。假定波谷電價(jià)每度電0.307元，則150 m2建筑每月供暖費(fèi)用大約是305元。

圖6 波谷運(yùn)行模式室溫變化情況

3.5 分時(shí)段運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及效果分析

由于空氣源熱泵的制熱性能及運(yùn)行效率受外界環(huán)境的影響較大，機(jī)組的制熱量和COP會(huì)隨著空氣溫度的降低和供水溫度的升高而衰減。而波谷運(yùn)行模式大部分時(shí)間在深夜，此時(shí)正是全天溫度最低的時(shí)段，也是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率最低的時(shí)段。因而對(duì)于以空氣源熱泵為熱源的地板輻射供暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，供電波谷全時(shí)段運(yùn)行并不合理，尤其對(duì)于冬季晝夜溫差很大的寒冷地區(qū)。因此，考慮到普通居民的作息時(shí)間安排，同時(shí)兼顧波谷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和波峰運(yùn)行的高效性，本文采用了一種分時(shí)段的連續(xù)運(yùn)行模式，即白天選擇環(huán)境溫度較高的時(shí)段運(yùn)行一段時(shí)間，同時(shí)減少夜間的開(kāi)機(jī)時(shí)間。

圖7為1月11日到1月13日分時(shí)段運(yùn)行的平均室溫模擬結(jié)果。設(shè)定供水溫度為33℃～46℃；機(jī)組從1月11日2點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行4個(gè)小時(shí)到1月11日6點(diǎn)停機(jī)；從1月11日12點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行3個(gè)小時(shí)到1月11日15點(diǎn)停機(jī)；從1月12日2點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行4個(gè)小時(shí)到1月12日6點(diǎn)停機(jī)；從1月12日12點(diǎn)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行3個(gè)小時(shí)到1月12日15點(diǎn)停機(jī)。模擬計(jì)算總耗電量為47 kWh，波谷耗電量為26.51 kWh，波峰耗電量為20.2 kWh。波谷平均小時(shí)耗電量為3.31 kWh，平均制熱COP為3.3，波峰平均小時(shí)耗電量為3.35 kWh，平均制熱COP為3.5。室內(nèi)溫度日波動(dòng)為1.1℃。假定居民分時(shí)電價(jià)為早6點(diǎn)至晚22點(diǎn)每度電0.617元、晚22點(diǎn)至次日6點(diǎn)每度電0.307元，則150 m2建筑每月供暖費(fèi)用大約是308元，與波谷運(yùn)行模式相當(dāng)。此種運(yùn)行模式增加了機(jī)組白天開(kāi)機(jī)時(shí)間。由于白天環(huán)境溫度較高，機(jī)組制熱效率高，同時(shí)這種分時(shí)段運(yùn)行模式減小了室內(nèi)的溫度波動(dòng)，提高了舒適性。

圖7 分時(shí)段運(yùn)行模式室溫變化情況

4 結(jié)論

基于EES建立的空氣源熱泵瞬態(tài)仿真模型，能夠反映機(jī)組開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)段制熱量的衰減，亦能利用除霜對(duì)COP影響的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)冷凝器出口水溫進(jìn)行修正。通過(guò)TRNSYS建立包含室外氣象數(shù)據(jù)輸入、建筑熱性能模塊及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真模型，進(jìn)而利用TRNSYS內(nèi)置的EES調(diào)用模塊，與空氣源熱泵瞬態(tài)仿真模型建立連接，構(gòu)成一個(gè)整體模型；并利用文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行部分驗(yàn)證，相應(yīng)的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了較好的一致性。

針對(duì)某高層150 m2居室，對(duì)空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)在波峰波谷分時(shí)段和全波谷時(shí)段兩種運(yùn)行模式的供暖效果及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行模擬。結(jié)果表明波谷運(yùn)行和波峰波谷分時(shí)段運(yùn)行模式都能滿足舒適性需求，二者的月供暖費(fèi)分別是305元和308元，數(shù)值接近；但對(duì)于波峰波谷分時(shí)段運(yùn)行模式，由于增加了機(jī)組白天的運(yùn)行時(shí)間，從而提高了機(jī)組制熱效率、減小了室溫的波動(dòng)、提升了舒適性。

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Simulation Research on Low Temperature Hot Water Floor Radiant Heating System with Air Source Heat Pump

XU Ke, WANG Shu-gang*, JIANG Shuang, ZHANG Teng-fei
(Faculty of Infrastructure engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

Low temperature hot water floor radiant heating has advantages of being comfortable and saving energy and space. The air source heat pump is believed to be an ideal heat source of the low temperature hot water floor radiant heating system because of its high-efficiency, stability and good matching with the floor radiant heating system. The combination of air source heat pump and floor radiant heating system may make full use of the heat storage capacity of the enclosure and each structural layer of the floor, which reduces the influence of environment temperature changes on the heating performance of the air source heat pump. In this paper, a transient simulation model of low temperature hot water floor radiant heating system with an air source heat pump for a high-rise building was developed by using TRNSYS and EES software, and it has a good agreement with the reported experimental data. Peak and off-peak intermittent running control strategy was presented here based on the heat storage properties, which can improve the heating efficiency through avoiding bad working conditions of the air source heat pump. By comparing the heating room temperature and operation cost of two kinds of operation modes, i.e., peak and off-peak intermittent operation and off-peak running, the former is better than the latter.

Floor radiant heating; Air source heat pump; TRNSYS; Simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.103

*王樹(shù)剛（1963-），男，教授。研究方向：熱泵空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：大連市凌工路2號(hào)大連理工大學(xué)四號(hào)實(shí)驗(yàn)樓433室，郵編：116024。聯(lián)系電話：0411-84706407。Email：sgwang@dlut.edu.cn。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目 (No. 20120041110006)

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