趙軍凱　王岳人　郭哲良　于　洋　王　希　劉　通

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院遼寧沈陽110168）

空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)供暖效率節(jié)能模擬分析

趙軍凱王岳人郭哲良于洋王希劉通

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院遼寧沈陽110168）

低溫地板輻射采暖的不僅使室內(nèi)人體感到舒適，而且還有節(jié)能的作用?？諝庠礋岜米鳛闊嵩?，能夠高效穩(wěn)定的進(jìn)行制熱?？諝庠礋岜媒Y(jié)合低溫地板輻射采暖系統(tǒng)能夠達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果。

空氣源熱泵；地板輻射采暖；COP；TRNSYS；模擬

目前，在我國(guó)北方地區(qū)，大部分建筑物使用燃煤制熱作為的低溫?zé)崴匕遢椛涞臒嵩?，這種熱源形式不能將地板輻射采暖的節(jié)能優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來。在北方地區(qū)，特別是沈陽，如采用5℃的供回水溫差，當(dāng)?shù)匕遢椛洳膳到y(tǒng)的供回水平均溫度達(dá)到35℃左右時(shí)，既可以保證采暖的需要又能使室內(nèi)的人員獲得較好的舒適度?？諝庠礋岜檬潜姸酂嵩吹囊环N，與傳統(tǒng)熱源相比，具有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。它與地板輻射采暖的組合式系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值。

1　空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)描述

空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)由空氣源熱泵機(jī)組，地板輻射采暖系統(tǒng)，以及備用熱源組成。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，流出地板輻射采暖熱水盤管中的熱水，在機(jī)組的冷凝器中，與進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸汽進(jìn)行熱交換，之后重新進(jìn)入地板輻射采暖系統(tǒng)的熱水盤管中進(jìn)行供熱。

2　模擬建筑概況

本文選取一棟二層別墅加以研究分析，此別墅建筑面積為325.92m2。其中一層建筑面積為153.12m2，二層建筑面積為172.80m2。

圖1　別墅南向立體模擬圖

圖2　別墅全年負(fù)荷變化情況

利用DeST軟件對(duì)別墅建筑采暖季逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得出從11月1日到3月31日建筑逐時(shí)單位面積負(fù)荷（如圖2）。采暖最大負(fù)荷指標(biāo)為208.2W/m2。平均采暖負(fù)荷指標(biāo)為70.75W/m2。整個(gè)建筑的采暖耗熱量為2.31×105MJ。

3　系統(tǒng)仿真模型

3.1空氣源熱泵機(jī)組模型

空氣源熱泵的模型及其控制方式，由TRNSYS軟件中的EES輸入控制器Type661、EES調(diào)用模塊Type66a及數(shù)據(jù)參數(shù)輸入器組成。在本模擬中采用的機(jī)組的最大制熱量和最大的輸入功率由熱泵機(jī)組的生產(chǎn)商提供的機(jī)組的測(cè)試數(shù)據(jù)擬合而來：

式中：Pmax為空氣源熱泵機(jī)組的最大輸出功率，單位為W；Qmax為空氣源熱泵機(jī)組的最大制熱量，單位為W；Te為系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，單位為℃；Tc為系統(tǒng)的冷凝溫度，單位為℃。

系統(tǒng)的總功率為：

式中：Pmax為空氣源熱泵機(jī)組的最大輸入功率，單位為W；Pp為系統(tǒng)中水泵的輸入功率，單位為W；Pc為控制系統(tǒng)的輸入功率，單位為W。

由于熱泵機(jī)組開機(jī)時(shí)，機(jī)組被首先加熱，隨之冷凝器與蒸發(fā)器之間建立壓力差，伴隨著這個(gè)過程，空氣源熱泵機(jī)組的制熱能力會(huì)出現(xiàn)一些衰減，所以熱泵的性能曲線是一種理想情況中的性能曲線，只適用于穩(wěn)態(tài)情況，因此，在實(shí)際中需要對(duì)機(jī)組的性能曲線數(shù)值進(jìn)行修正。通過考慮機(jī)組開關(guān)機(jī)造成的衰減等因素影響，采用經(jīng)驗(yàn)公式，來修正機(jī)組的最大制熱量[1]。

除了機(jī)組啟停對(duì)機(jī)組性能的影響之外，結(jié)霜也是影響空氣源熱泵效率的一個(gè)重要因素。在室外環(huán)境溫度較低或者很低時(shí)，空氣源熱泵的室外機(jī)持續(xù)從周圍環(huán)境中吸取熱量，空氣源熱泵的室外機(jī)盤管表面，難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)露，當(dāng)室外溫度低到一定程度，結(jié)露就變成結(jié)霜甚至結(jié)冰，從而嚴(yán)重影響了空氣源熱泵室外機(jī)的正常工作。因此在通常情況下，空氣源熱泵機(jī)組會(huì)在運(yùn)行一段時(shí)間后就自動(dòng)進(jìn)入除霜狀態(tài)，運(yùn)行2min～5min的除霜循環(huán)。在模擬中利用文獻(xiàn)[2]中的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)機(jī)組的出口水溫進(jìn)行了修正。

機(jī)組制熱性能系數(shù)，即制熱時(shí)機(jī)組的COP，在環(huán)境溫度高于7℃時(shí)的衰減值為：

機(jī)組制熱性能系數(shù)，即制熱時(shí)機(jī)組的COP，在環(huán)境溫度低于于7℃時(shí)的衰減值為：

式中：COPreddefrost為空氣源熱泵機(jī)組因?yàn)槌斐傻闹茻酑OP的衰減值；Tamb為室外機(jī)周圍的環(huán)境溫度，單位為℃。

空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)際制熱量應(yīng)為：

式中：Q為空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)際制熱量，單位為W；COPicycle為不考慮除霜對(duì)計(jì)算制熱能力影響時(shí)機(jī)組的制熱COP；Tc,out,corr為經(jīng)過修正的冷凝器出口水溫，℃；Tc,in冷凝器出口水溫，℃；水的比熱容，kJ/（kg·℃）；水流量，kg/s。

3.2能量消耗、末端裝置及相關(guān)部件模型描述

系統(tǒng)中的能量消耗、末端裝置等模型由TRNSYS軟件中所提供的模塊一一對(duì)應(yīng)，通過對(duì)各個(gè)部分模塊進(jìn)行物理上和信息上的鏈接，建立起空氣源熱泵低溫地板輻射采暖系統(tǒng)模型圖，如圖3示。在該空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)的流程模型圖中，運(yùn)用到了5個(gè)TRNSYS組成部件。

熱源部分，熱源為空氣源熱泵機(jī)組，在TRNSYS軟件中有EES調(diào)用器，Type66a，、延時(shí)輸入控制器Type661兩個(gè)部件構(gòu)成；水循環(huán)系統(tǒng)及末端裝置，循環(huán)的動(dòng)力水泵，模型代號(hào)為Type114、集水器和分水器，代號(hào)分別為Type649和Type647、地板輻射采暖系統(tǒng)由建筑熱能模塊Type56中的activelayer建立。其中用戶可以將地板輔材采暖系統(tǒng)使用的管壁厚度、管道間距、管壁導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)通過activelayer進(jìn)行設(shè)置并且整和到建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)中去，來作為模塊中調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的模塊；氣象數(shù)據(jù)參數(shù)，采用TMY2氣象參數(shù)讀數(shù)器Type109、溫度計(jì)算Type69b、濕度計(jì)算Type33e組成。

圖3　空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)流程模型圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，逐時(shí)的室內(nèi)溫度及空氣源熱泵機(jī)組的COP都是由模塊Type65c完成記錄并輸出，空氣源熱泵機(jī)組的能耗及水泵的能耗由積分器Type24統(tǒng)計(jì)。

建筑物的負(fù)荷模擬，采用多區(qū)域建筑模塊Type56a對(duì)模擬建筑的負(fù)荷進(jìn)行模擬，Type56a這個(gè)模塊使用時(shí)可以允許用戶根據(jù)建筑物的實(shí)際情況建立建筑物模型[3]。

3.3模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

該模擬主要對(duì)比空氣源熱泵地板輻射采暖供水溫度為35℃時(shí)空氣源熱泵的COP隨室外溫度的變化情況。

圖4為空氣源熱泵地板輻射采暖在11月到12月期間，空氣源熱泵的制熱時(shí)COP值與室外溫度的變化情況；圖5分別為空氣源熱泵地板輻射采暖在第二年1月到3月期間，空氣源熱泵的制熱時(shí)COP值與室外溫度的變化情況。

圖4　11月到12月空氣源熱泵的COP隨室外溫度的變化

圖5　1月到3月空氣源熱泵COP隨室外環(huán)境溫度的變化情況

圖4與圖5兩圖中，可以看出空氣源熱泵的COP隨室外環(huán)境溫度的變化明顯。當(dāng)室外環(huán)境溫度降低時(shí)空氣源熱泵機(jī)組的制熱COP下降明顯，其中，在白天氣溫高太陽輻射充足的時(shí)候，空氣源熱泵的效率比較高。在整個(gè)采暖季節(jié)，空氣源熱泵的制熱能力隨著室外溫度變化先逐步降低之后在春季又逐步恢復(fù)。在采暖期初始階段與結(jié)束階段，空氣源熱泵制熱效率基本達(dá)到了3.5以上；在最冷月一月，空氣源熱泵的制熱效率基本維持在1.5～3.0，主要制熱效率集中在2.0以左右。

3.4系統(tǒng)的方案優(yōu)化

空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)在運(yùn)行中的熱效率有時(shí)并不高，尤其是在室外環(huán)境溫度低的時(shí)候（例如一月），對(duì)于改善空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)運(yùn)行情況，提出以下幾種可能的解決辦法：

3.4.1與相變蓄熱技術(shù)[4]相結(jié)合。利用相變材料的蓄熱能力，當(dāng)白天或者全天中室外氣溫達(dá)到-10℃之上時(shí)，開啟空氣源熱泵工作。在滿足當(dāng)前供暖需求的同時(shí)利用相變材料將多余的熱量?jī)?chǔ)存起來，當(dāng)夜間或者室外空氣溫度較低不能滿足空氣源熱泵運(yùn)行條件時(shí)，可以將相變儲(chǔ)熱釋放來維持系統(tǒng)的正常供暖。

3.4.2將系統(tǒng)與生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合。空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)只要稍加改造，就可以在滿足冬季采暖的同時(shí)，一定程度上滿足人們對(duì)生活熱水的需求。改造后的系統(tǒng)可以提升空氣源熱泵全年的綜合利用率，使得系統(tǒng)更加全面合理。

4　結(jié)語

本文以沈陽地區(qū)一別墅建筑為模擬對(duì)象，建立空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)的TRNSYS運(yùn)行情況模型，得出該別墅建筑采用該系統(tǒng)進(jìn)行供暖時(shí)，空氣源熱泵的運(yùn)行情況與室外溫度變化情況的關(guān)系。研究可得：當(dāng)控制熱泵出水溫度為35℃時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的制熱COP主要集中在2～3.5，通常其效率是遠(yuǎn)高于其他常規(guī)熱源的。當(dāng)室外溫度比較低時(shí)，為保證空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)滿足室內(nèi)供暖需求，可以與相變蓄熱技術(shù)相結(jié)合，穩(wěn)定的對(duì)室內(nèi)提供熱量?？諝庠礋岜玫匕遢椛洳膳到y(tǒng)具有較強(qiáng)的供熱與節(jié)能效果，在北方采暖地區(qū)具有很強(qiáng)的推廣意義。但是該系統(tǒng)在推廣的過程中還有蒸發(fā)器的表面結(jié)霜問題、潤(rùn)滑油積存等問題，有待進(jìn)一步開展研究解決。

[1]CABROL L,ROWLEY P.Towards low cardon home A simulation analysis ofbuilding-integrated air-source heat pump systems[J].Energyand Buildings,2012,48（3）:127-136.

[2]周振.太陽房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)及模擬研究[D].北京:中國(guó)建筑工程學(xué)院,2008.

[3]CHEN Y,ATHIENITI A K.Three-Dimensional Numerical Investigation ofthe Effect ofCover Materials on Heat Transfer in Floor Heating System[J].ASHRAE Transactions,1998,104（2）:1350-1355.

[4]謝鵬.相變蓄熱式太陽能低溫地板輻射采暖的設(shè)計(jì)及性能研究[D].南昌大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文,2008.

趙軍凱，男，沈陽建筑大學(xué)，研究生在讀。