李夢竹張寶懷

東南大學能源與環(huán)境學院

輻射供暖房間空調器的特性分析

李夢竹張寶懷

東南大學能源與環(huán)境學院

輻射供暖房間空調器（RHRAC）是在傳統(tǒng)房間空調器的基礎上增設地埋冷凝管，以制冷劑為熱媒直接進行地板輻射供暖。針對夏熱冬冷地區(qū)的住宅建筑，模擬計算了RHRAC供熱工況的冷凝溫度，利用壓縮機的性能曲線計算了其供熱能效比EER，將RHRAC系統(tǒng)與常用的采暖方案進行初投資、運行費用的比較分析。得出結論：RHRAC供熱工況的冷凝溫度僅35℃即可滿足采暖需求，供熱能效比達3.17，運行費用最低，是夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖的一種良好選擇。

輻射供暖 地埋冷凝管 初投資 運行費用

0 引言

空氣源熱泵無水地暖系統(tǒng)作為一種新型的采暖方案得到了國家的認可。文獻[1～2]對空氣源熱泵無水地暖系統(tǒng)進行了實驗研究和熱力性能分析，根據(jù)實驗實測數(shù)據(jù)分析了鄭州地區(qū)冬季不同室外環(huán)境下系統(tǒng)的供熱能效比，分析結果表明空氣源熱泵無水地暖系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。

本文針對夏熱冬冷的南京地區(qū)，以住宅建筑為供熱對象，采用R410a為制冷工質對輻射供暖房間空調器進行供熱冷凝溫度及能效比EER的計算，并且將本系統(tǒng)與夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑常用的采暖方案進行初投資和運行費用的對比分析，為夏熱冬冷地區(qū)選擇采暖方案提供參考。

1 地埋冷凝管的鋪設方式

輻射供暖房間空調器利用制冷劑為熱媒直接進行地板輻射供暖，為降低制冷劑各管路之間的壓力損失，使各管路之間分液均勻，制冷劑進出干管采用同程式設計，其中一組盤管的鋪設方式如圖1所示，每組地暖盤管使用分歧管與進出干管相連接。在盤管上焊有鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)不但有利于傳熱和散熱均勻，而且在鋪設過程中有利于地埋冷凝管保持原來的形狀，避免鋪設過程中出現(xiàn)太大的偏差。

圖1 地埋冷凝管的鋪設方式

2 供熱能效比的計算

2.1 冷凝溫度的確定

對于輻射供暖房間空調器，冷凝溫度關系到地板輻射采暖的地板表面溫度分布、熱流密度以及能否滿足人體熱舒適的要求，關系到系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、節(jié)能性。

確定冷凝溫度時選取的模型為：盤管間距150mm，管材為紫銅管；保溫層厚度30mm；填充層厚度30mm；室內設計溫度18℃；冷凝溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃；地板表面裝飾層材料為瓷磚。對這四種不同的運行工況進行模擬計算得到地板表面溫度分布和熱流密度分布，如圖2所示。

圖2 不同冷凝溫度下地板表面的溫度分布和熱流密度分布

從圖2（a）看出地板表面溫度分布近似為一條余弦曲線，最高溫度出現(xiàn)在地暖盤管的正上方，最低溫度出現(xiàn)在管間距1/2處，并且中間溫度低，兩端溫度高，成對稱“馬鞍狀”分布。從圖2（b）看出地板表面熱流密度分布與地板表面溫度分布趨勢一致。冷凝溫度為30℃時，地板表面溫度為23.46～24.31℃，溫差0.85℃，地板表面熱流密度為48.74～56.10W/m2，差值為7.36W/m2；冷凝溫度為35℃時，地板表面溫度為25.73～26.93℃，溫差1.20℃，地板表面熱流密度為73.01～84.09W/m2，差值11.08W/m2；冷凝溫度為40℃時，地板表面溫度28.00～29.55℃，溫差1.55℃，地板表面熱流密度為97.29～112.02W/m2，差值14.73W/m2；冷凝溫度為45℃時，地板表面溫度為30.28～32.17℃，溫差1.89℃，地板表面熱流密度為121.66～140.09W/m2，差值18.43W/m2。隨著冷凝溫度的增大，地板表面溫差越大，地板表面的溫度均勻性越差，即“馬鞍狀”越明顯。地板表面熱流密度大小及其最大值最小值的差值均隨著冷凝溫度的增加而增加。

根據(jù)《輻射供暖供冷技術規(guī)程》JGJ142-2012規(guī)定，低溫地板輻射采暖地板表面溫度要滿足表1的要求。故RHRAC系統(tǒng)的冷凝溫度為35℃即可滿足采暖需求。以冷凝溫度35℃來計算輻射供暖房間空調器的供熱能效比。

表1 輻射采暖表面平均溫度

2.2 供熱能效比計算

利用壓縮機的性能曲線計算RHRAC系統(tǒng)的供熱能效比：采用R410a為制冷工質，冷凝溫度為35℃，過冷度Δtk=5℃，南京地區(qū)的采暖室外計算溫度-1.6℃，取蒸發(fā)溫度-10℃，壓縮機吸氣溫度-1℃。滿足相同熱舒適的情況下，采用分體式空調進行熱風采暖的冷凝溫度為50℃，其它參數(shù)與RHRAC系統(tǒng)相同。從一款房間空調器用壓縮機（制冷劑R410a）的性能曲線上讀取所需溫度點對應的的壓縮機制冷量和輸入功率，見表2。壓縮機規(guī)格值：額定制冷量3840W，輸入功率1370W。

表2 壓縮機制冷量和制冷功率

考慮到風扇電機功耗的影響，一般為50～100W，室內外側的風扇電機功耗均取80W，結合表2數(shù)據(jù)計算得到RHRAC系統(tǒng)供熱能效比為3.17，分體式空調供熱能效比為2.56。

3 經(jīng)濟性分析

為綜合比較輻射供暖房間空調器的經(jīng)濟性，針對南京地區(qū)單戶住宅采暖，對以下5種采暖方式進行初投資和運行費用的比較分析。

方案1：空氣源熱泵空調器采暖；

方案2：空氣源熱泵低溫熱水地板輻射采暖；

方案3：燃氣壁掛爐低溫熱水地板輻射采暖；

方案4：電熱膜地板輻射采暖；

方案5：輻射供暖房間空調器采暖。

為滿足冬季熱舒適的要求，當采用分體熱泵空調器進行熱風采暖時室內設計溫度為20℃；當采用地板輻射采暖時，參照《輻射供暖供冷技術規(guī)程》JGJ142-2012，室內設計溫度可降低2℃，因此輻射采暖室內設計溫度為18℃。根據(jù)南京地區(qū)室內外的氣象資料計算可得：使用熱泵空調器進行熱風采暖時，熱指標56.9W/m2；使用地板輻射采暖時，熱指標51.2W/m2。

3.1 不同采暖方案初投資計算

根據(jù)家用冷暖空調的市場價格及南京市的物料價格計算得到RHRAC系統(tǒng)的初投資費用，見表3。

表3 RHRAC的初投資費用組成

除方案1以外，其它方案的采暖方式均為地板輻射采暖，各采暖方案的熱源投資、末端投資以及折算年值如表4所示。

方案1、方案2和方案5（RHRAC系統(tǒng)）是冷熱源一體的系統(tǒng)，這3種方案的初投資包含了夏季制冷的初投資費用。方案3或方案4只能進行冬季采暖，而當夏季制冷時則需要另設制冷設備。采用方案3+單冷型戶式空調制冷的初投資費用為282元/m2，折算年值38.9元/(m·2a)；采用方案4+單冷型戶式空調制冷的初投資為335元/m2，折算年值為40.1元/(m·2a)。

表4 各采暖方案的初投資

3.2 不同采暖方案運行費用計算

采用方案1進行冬季熱風采暖時需要的冷凝溫度為50℃；采用方案2進行冬季地板輻射采暖時需要40～45℃的低溫熱水[3]，由于制冷劑與熱媒水之間存在傳熱溫差，則空氣源熱泵機組的冷凝溫度需達到45～50℃；由模擬計算結果知，RHRAC冬季采暖時，冷凝溫度35℃即可滿足冬季熱舒適要求。冷凝溫度的降低提高了空氣源熱泵的制熱能效比EER。

當采暖熱源的動力為電能時，運行費用的計算公式[6]：

當采暖熱源的動力為燃氣時，運行費用的計算公式[6]：

式中：M為運行費用，元；Q為采暖系統(tǒng)供給室內熱量，kW·h；EER為制熱能效比，W/W；P電為用電價格，元/ kW·h；P燃為燃氣價格，元/Nm3；M燃為燃氣壁掛爐的運行費用，元；M泵為循環(huán)水泵的運行費用，元；q低為燃氣低位熱值，MJ/Nm3；η燃為燃氣壁掛爐的熱效率，%；η泵為采暖循環(huán)泵的全效率，%；H為采暖循環(huán)泵揚程，mH2O；Δt為采暖系統(tǒng)供回水溫差，℃。

查南京地區(qū)的物價標準可知，南京市電價：0.55元/kW·h（8:00～21:00）、0.35元/kW·h（21:00～8:00）；天然氣的價格：2.3元/Nm3，低位熱值33.44～37.62MJ/Nm3，本文取35.0MJ/Nm3。單戶住宅采用地板輻射采暖時，其供回水溫差一般為l0℃，循環(huán)水泵揚程一般為20mH2O左右，循環(huán)水泵的全效率較低，一般取60%左右。南京地區(qū)設計計算用采暖期天數(shù)為79天，全天候采暖。將以上數(shù)據(jù)分別代入式1和式2計算，可得到各種采暖方案供給室內1kW·h熱量所需的運行費用及一個采暖季的運行費用，計算結果見表5。

表5 各采暖方案的運行費用

3.3 結果分析

從表3和表4可知，由于RHRAC系統(tǒng)的地埋冷凝管需要用紫銅管或者邦迪管，導致系統(tǒng)的初投資較高，與方案4+單冷型戶式空調制冷的總投資接近。采用方案一冷暖型分體式空調的初投資最低，僅為本系統(tǒng)初投資的50%左右。

從表5知，采用冷暖型空氣源熱泵機組作采暖熱源比燃氣壁掛爐作采暖熱源的運行費用低，電熱膜采暖的運行費用最高。對于以冷暖型空氣源熱泵機組作采暖熱源的方案一、方案二和方案五而言，機組的制熱能效比EER越高，運行費用越低。因此本系統(tǒng)的運行費用最低，是方案一的72%，方案二的85.8%。

綜合考慮采暖的可靠性、舒適性和運行費用，輻射供暖房間空調器是值得在夏熱冬冷地區(qū)推廣使用的一種采暖方式。

4 結論

針對夏熱冬冷的南京地區(qū)，以R410a為制冷劑，模擬計算了RHRAC系統(tǒng)的供熱冷凝溫度，利用壓縮機的性能曲線分析了其供熱能效比；將RHRAC系統(tǒng)與常用的采暖方案進行初投資和運行費用的比較，得出結論：

1）地埋冷凝管上焊接鐵絲網(wǎng)起到強化傳熱和散熱均勻的作用。在滿足冬季熱舒適要求的情況下，輻射供暖房間空調器制熱工況的冷凝溫度降低至35℃，降低了壓縮機的壓縮比，提高了制熱能效比EER，平均制熱能效比達3.17。

2）在本文對比分析的5種采暖方案中，輻射供暖房間空調器的熱舒適性較高且運行費用最低，是夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖的一種良好選擇。但是輻射供暖房間空調器的末端投資較高，在后續(xù)的工作中，將會進一步優(yōu)化地埋冷凝管及地板結構層以降低初投資。

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[4]方樂平.燃氣壁掛爐采暖的應用及經(jīng)濟性分析[J].科技信息, 2010,33:56

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The Prope rty Ana lys is of the Ra dia tion He a ting Room Air Conditione r

LI Meng-zhu,ZHANG Bao-huai
School of Energy and Environment,Southeast University

The Radiation Heating Room Air Conditioner(RHRAC)has embedded condenser pipes more than the traditional room air conditioner.Refrigerant is used as heat medium for direct floor radiant heating.For the residential construction in area with hot summer and cold winter,the condensing temperature and energy efficiency ratio of RHRAC under heating condition are calculated by simulation and the compressor performance curve.Comparative analysis is made about the initial investment and heating operating cost of the RHRAC and some other heating ways which are commonly used.Conclusions are drawn:Under heating condition,the RHRAC has lower condensing temperature(35℃), higher EER(3.17)and the lowest operating cost.It’s a good choice to use RHRAC for residential construction heating in area with hot summer and cold winter.

radiation heating,embedded condenser pipes,initial investment,operating cost

1003-0344（2015）02-022-4

2014-1-23

李夢竹（1991～），女，碩士研究生；江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號東南大學能源與環(huán)境學院（210096）；E-mail:lmz9110@163.com

國家自然科學基金（No.50976020）