劉彩贏，肖洪海，林海佳，尚 瑞

(國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海 519070)

引言

自二十世紀(jì)八十年代初起，地板采暖由歐洲引進(jìn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有30年的發(fā)展。特別是近十年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，使得地板采暖發(fā)展迅速，從北方寒冷地區(qū)到冬冷夏熱的長(zhǎng)江中下游地區(qū)都受到廣大居民的青睞。地板采暖作為一種新的采暖技術(shù)，與傳統(tǒng)散熱片供暖相比，具有溫暖舒適、節(jié)能潔凈、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、美觀大方、節(jié)省空間、熱源廣等特點(diǎn)。集多優(yōu)點(diǎn)于一身的地板采暖也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程人士的關(guān)注，并進(jìn)行相關(guān)的研究。

趙宇[1]利用傳熱學(xué)的基本理論，對(duì)同一房間采用地板輻射采暖和傳統(tǒng)的散熱片供暖進(jìn)行了比較計(jì)算分析，得出在相同室內(nèi)空氣溫度條件下，低溫地板供暖房間熱負(fù)荷大于散熱器供暖的結(jié)論；李棟[2]通過(guò)建立計(jì)算模型，理論分析并修正了地板輻射采暖傳熱模型，并詳細(xì)分析了影響散熱的因素；王麗文[3]對(duì)地板輻射供暖的傳熱模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其簡(jiǎn)化模型的可信性；丘林[4]對(duì)地板采暖系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出了間歇控制啟停的方式具有明顯的節(jié)能效果，并且不影響供暖的舒適性。李振華[5]以電加熱作為熱源，實(shí)驗(yàn)研究了室內(nèi)空氣溫度分布及地面溫度分布的情況，得到滿足環(huán)境熱舒適性的最低供水溫度，并提出戶式中央空調(diào)機(jī)組作為地暖熱源具有可行性的觀點(diǎn)；周瑞芳[6]采用BIN參數(shù)分析法比較了家用空調(diào)與低溫?zé)崴匕遢椛涔┡哪芎?，提出空氣源熱泵為夏熱冬冷地區(qū)最佳熱源配置方案及其可行性；馮立崗[7]通過(guò)分析我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的氣候特點(diǎn)，得出該地區(qū)住宅采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳绞降目尚行?，并指出可采用空氣源熱泵及壁掛爐作為熱源；王恩乘[8]以上海地區(qū)的一棟別墅為研究對(duì)象，采用空氣源熱泵提供45℃進(jìn)水作為地暖的熱源進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，得出空氣源熱泵作為地暖熱源具有可行性的結(jié)論，并指出除霜、間歇運(yùn)行時(shí)對(duì)室內(nèi)溫降影響不大；李雄志[9]以長(zhǎng)沙某寫字樓一套辦公室為研究對(duì)象，分析了空氣源熱泵用于地板采暖系統(tǒng)的初始運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行、間歇運(yùn)行三種特性及實(shí)際的采暖效果，指出類似長(zhǎng)沙地區(qū)冬季相對(duì)濕度較高的長(zhǎng)江中下游地區(qū)空氣源熱泵用于地板采暖具有可行性，并得出采用間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行可節(jié)省63.8%的運(yùn)行費(fèi)用的結(jié)論。

圖1 測(cè)試裝置簡(jiǎn)易原理圖

目前公開(kāi)的相關(guān)文獻(xiàn)資料都集中在采用地板采暖的溫度場(chǎng)分布情況，環(huán)境的舒適性、地板采暖的控制方式以及采用常規(guī)空氣源熱泵作為地板采暖熱源的研究分析上，而關(guān)于專門用于地板采暖的戶式空調(diào)機(jī)組在不同的供回水工況下的可行性及經(jīng)濟(jì)性分析以及在冬天寒冷高濕運(yùn)行可靠性則暫時(shí)還沒(méi)有公開(kāi)的資料及研究。因此，本文將對(duì)組合戶式機(jī)組地板采暖空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)從應(yīng)用方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 研究目的

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)冬冷夏熱的非指定供暖區(qū)域，該地區(qū)冬季最冷月平均溫度為-1～7℃，而空氣相對(duì)濕度高達(dá)73%～83%?？諝庠礋岜迷诖藴囟燃案邼穸鹊沫h(huán)境下結(jié)霜最嚴(yán)重，其運(yùn)行的可靠性需進(jìn)一步研究；根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季采暖室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為16～22℃，只要采用30～50℃的低溫?zé)崴鳛榈匕遢椛洳膳到y(tǒng)的熱媒，就可以滿足供暖要求。所以本文將通過(guò)測(cè)試用于地板采暖的戶式機(jī)組在不同的供回水工況下的性能，研究其該地區(qū)的適用性，為該地區(qū)使用戶式機(jī)組及選型提供參考。

1.2 實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)采用的是一臺(tái)地板采暖專用機(jī)組——風(fēng)冷冷熱水組合戶式地暖中央空調(diào)。該機(jī)組額定制冷量為5kW，額定制熱量為6kW，制熱額定功率為1.85kW，額定水流量為0.86m3/h。機(jī)組內(nèi)置有水泵、電動(dòng)閥等水系統(tǒng)配件以及一套完善的控制系統(tǒng)。將此機(jī)組與標(biāo)準(zhǔn)焓差室的水系統(tǒng)進(jìn)行連接模擬實(shí)際使用時(shí)風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)焓差室的環(huán)境溫濕度進(jìn)行模擬實(shí)際工程使用中可能遇到的各種氣候環(huán)境，以測(cè)試機(jī)組性能及可靠性。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

本實(shí)驗(yàn)是在經(jīng)過(guò)國(guó)家鑒定的標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置上進(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試方法采用穩(wěn)態(tài)定供水溫度及供回水溫差，即當(dāng)調(diào)整好試驗(yàn)工況點(diǎn)后機(jī)組運(yùn)行中各個(gè)參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理并保存。在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)裝置的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并顯示過(guò)程。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)易原理流程圖。實(shí)驗(yàn)裝置風(fēng)系統(tǒng)主要由電加熱器、風(fēng)機(jī)、加濕器、冷盤管、噴嘴及環(huán)境干濕球溫度計(jì)組成。根據(jù)設(shè)定要求，對(duì)冷盤管、加濕器及電加熱器進(jìn)行PID控制以達(dá)到不同的測(cè)試工況；水系統(tǒng)主要由水箱、水箱電加熱器、水箱冷盤管、水泵、流量計(jì)、電動(dòng)閥門、鉑電阻及壓力傳感器組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 性能測(cè)試

2.1.1 不同相對(duì)濕度對(duì)性能的影響

由于長(zhǎng)江中下游冬天的相對(duì)濕度比較高，為了研究相對(duì)濕度及供回水溫差對(duì)機(jī)組性能方面的影響，設(shè)定環(huán)境側(cè)工況為：干球溫度5℃，相對(duì)濕度分別為65%、75%、85%、95%；水側(cè)保證供水溫度35℃，回水溫度分別為29℃、30℃、31℃、32℃，以模擬地板采暖的回水溫度隨著供暖時(shí)間的增加而逐漸上升的特性。各個(gè)工況測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 相對(duì)濕度與機(jī)組性能關(guān)系

從圖2可以得出，在相同的供回水溫度35/30℃，環(huán)境溫度5℃前提下，不同的環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)機(jī)組的能力影響不大，隨著相對(duì)濕度的增加，其換熱量略有增加，如圖3。原因在于空氣的相對(duì)濕度比較大時(shí)，翅片表面換熱得到強(qiáng)化，在保證進(jìn)出水溫差的前提下，水流量也相應(yīng)增加，導(dǎo)致機(jī)組的水阻力損失增加。

從圖3、4、5得出，相同的相對(duì)濕度及供水溫度下，不同的回水溫度，機(jī)組的能力變化甚微，但是對(duì)流量及阻力影響較大。隨著回水溫度的升高即供回水溫差變小，流量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)壓降增加。在環(huán)境溫度5℃，相對(duì)濕度95%的工況下，外機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、換熱器表面沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

2.1.2 不同供回水溫差對(duì)系統(tǒng)性能影響

圖3 回水溫度與能力關(guān)系

圖4 回水溫度與水流量關(guān)系

圖5 回水溫度與阻力關(guān)系

為進(jìn)一步研究機(jī)組在多種環(huán)境下運(yùn)行性能以及結(jié)合地板采暖舒適性及節(jié)能性所要求的供水溫度及供回水的溫差，在定出水溫度分別為30℃、35℃、40℃，供回水溫差分別為4℃、5℃，環(huán)境溫度分別為24/18℃、15℃、7/6℃、0/0℃、-7℃、-11℃的工況下對(duì)機(jī)組的性能進(jìn)行測(cè)試。以出水溫度為40℃，環(huán)境溫度為7/6℃為基準(zhǔn)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，具體如下所示。文獻(xiàn)[9]顯示對(duì)于地板采暖，機(jī)組化霜期間對(duì)采暖影響甚微，因此本文在工況為0/0℃、-7℃、-11℃時(shí)，取化霜完成后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖6 供回水溫差5℃、能力與環(huán)境溫度關(guān)系

圖7 供回水溫差4℃、能力與環(huán)境溫度關(guān)系

從圖6、7看出，隨著環(huán)境溫度的降低，制熱能力也降低；當(dāng)環(huán)境溫度大于7℃時(shí)，在同一環(huán)境溫度及供回水溫差時(shí)，能力隨出水溫度下降而逐漸下降。而在環(huán)境7℃以下時(shí)，隨著出水溫度的降低，能力逐漸增加。出現(xiàn)上述以環(huán)境溫度7℃為界的相反變化趨勢(shì)是機(jī)組排氣壓力/冷媒流量雙重作用的結(jié)果。排氣壓力升高，機(jī)組能力會(huì)有降低，而吸氣壓力升高，冷媒流量/能力升高、功率升高。當(dāng)環(huán)境溫度大于7℃時(shí)，隨著水溫升高，排氣壓力升高，吸氣壓力增加幅度較大，而冷媒流量增加的影響程度大于排氣壓力升高的影響程度，因此其能力隨著水溫的升高而增加；當(dāng)環(huán)境溫度小于7℃時(shí)，兩者影響程度剛好相反，故能力隨水溫升高而降低。

圖8 各種工況下的能效曲線圖

圖9 環(huán)境與流量關(guān)系

圖10 環(huán)境與阻力關(guān)系

從圖8可以看出，隨著出水溫度的降低，機(jī)組的能效逐漸增加；隨著環(huán)境溫度的降低，能效逐漸降低。在環(huán)境溫度高于-7℃時(shí)，機(jī)組的COP基本都在2.0以上，可見(jiàn)在滿足地暖輻射采暖的舒適性要求的情況下，降低出水溫度有利于提高整個(gè)供暖系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。

從圖9、10看出，相同的環(huán)境溫度及出水溫度，其供回水溫差相差1℃，機(jī)組的流量相差約0.05～0.2m3/h，阻力損失相差約為4～7kPa。保證供回水溫差的前提下，隨著環(huán)境溫度的降低，阻力及流量也逐漸減少，而且兩者的差值隨著環(huán)境溫度的下降而減少。其原因在于在環(huán)境溫度降低時(shí)，特別是低于名義制熱時(shí)，輸出能力衰減逐漸增大，導(dǎo)致在環(huán)境溫度較低時(shí)，不同的出水溫差時(shí)機(jī)組的能力較接近圖7所示，因此保證溫差的情況下，其水流量也減少，不同溫差的阻力差值也逐漸減少。

2.2 可靠性測(cè)試

對(duì)于一套優(yōu)越的空調(diào)系統(tǒng)不但要求其性能高，而且還要求在惡劣工況下能可靠運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)室外的相對(duì)濕度大于50%時(shí)，氣溫在-1～7℃左右時(shí)最容易結(jié)霜，極端情況可能還會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因此，為了研究機(jī)組的可靠性，將機(jī)組室外機(jī)置于環(huán)境干球溫度0℃，相對(duì)濕度≥88%，室內(nèi)機(jī)水工況為進(jìn)水30℃，出水35℃，并間斷性的向室外機(jī)翅片換熱器表面噴水以模擬極端惡劣的冬雨天氣。機(jī)組每天連續(xù)運(yùn)行15個(gè)小時(shí)，歷經(jīng)18個(gè)化霜周期，進(jìn)行兩天的測(cè)試。機(jī)組每次化霜前翅片結(jié)冰嚴(yán)重，縫隙完全堵死，整個(gè)外機(jī)換熱器結(jié)冰均勻，厚約3mm，如圖11所示。機(jī)組每次化霜干凈，沒(méi)有殘留現(xiàn)象，底盤結(jié)冰完全融化，排水順暢。在所有的化霜周期中，期間沒(méi)有出現(xiàn)低壓保護(hù)等故障。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)組合戶式地暖中央空調(diào)機(jī)組進(jìn)行多種環(huán)境工況及不同的進(jìn)出水溫度進(jìn)行測(cè)試研究，以及惡劣工況下機(jī)組可靠性的研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下：

1)環(huán)境溫度5℃時(shí)，不同的環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)機(jī)組的能力影響不大，隨著相對(duì)濕度的增加，其換熱量略有增加。從供暖的方面出發(fā)，該機(jī)組在環(huán)境溫度5℃，相對(duì)濕度90%，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，運(yùn)行良好，使得地暖戶式機(jī)組在長(zhǎng)江中下游使用更有效果。

圖11 外機(jī)換熱器表面結(jié)冰情況

圖12 化霜完畢的表面

2)對(duì)于風(fēng)冷冷熱水戶式機(jī)組，當(dāng)環(huán)境溫度大于7℃時(shí)，在同一環(huán)境溫度及溫差的前提下，隨著出水溫度的下降，能力逐漸下降。而當(dāng)環(huán)境在7℃以下時(shí)，隨著出水溫度的降低，能力逐漸增加。

3)對(duì)于風(fēng)冷冷熱水戶式機(jī)組，隨著出水溫度的降低，機(jī)組的能效逐漸增加；隨著環(huán)境溫度的降低，能效逐漸降低；在環(huán)境溫度高于-7℃時(shí)，機(jī)組的COP基本都在2.0以上。因此在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，與目前壁掛爐及電加熱器相比，采用戶式地暖中央空調(diào)作為低溫地板輻射采暖的熱源可降低運(yùn)行費(fèi)用，具有可行性。

4)機(jī)組在環(huán)境溫度為0℃，相對(duì)濕度≥88%，并且間斷向翅片表面噴水，模擬凍雨天氣的情況下運(yùn)行兩天，每天連續(xù)運(yùn)行15個(gè)小時(shí)，機(jī)組運(yùn)行正常且化霜干凈，沒(méi)有出現(xiàn)各種自動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)現(xiàn)象。

由于條件所限，對(duì)于組合戶式機(jī)組與地板采暖配合使用時(shí)，室內(nèi)溫度場(chǎng)與上述各種環(huán)境工況的變化情況未能測(cè)試，組合戶式機(jī)組與地板采暖聯(lián)合使用時(shí)的性能還有待進(jìn)一步研究。

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