崔明輝，劉 萌，鄒韋唯

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050081)

中水源熱泵地板供暖運行策略分析

崔明輝，劉 萌，鄒韋唯

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050081)

為研究中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)的節(jié)能策略，以石家莊市某實際運行小區(qū)的中水源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)為對象，引入室外綜合溫度的概念，綜合考慮室外氣溫、太陽輻射熱與風速等環(huán)境因子的影響，推導得出了地板輻射供暖系統(tǒng)質調節(jié)情況下，保證熱用戶舒適度的二次網供、回水溫度調節(jié)公式。經實際運行測試，由該調節(jié)公式計算得出的二次網供、回水溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)分時段質調節(jié)的依據，可以在滿足熱用戶舒適度要求的情況下，取得良好的節(jié)能效果。中水源熱泵系統(tǒng)與地板輻射供暖系統(tǒng)的結合及推廣為城市集中供熱提供了新思路。

供熱與供燃氣工程；中水源熱泵；地板輻射供暖；供暖運行方式；室外綜合溫度；質調節(jié)

中水源熱泵系統(tǒng)可以高效、環(huán)保地制出低溫熱水，地板輻射供暖系統(tǒng)可以利用低溫熱水為住宅提供節(jié)能、環(huán)保、舒適的供熱。本文把中水源熱泵系統(tǒng)與地板輻射供暖系統(tǒng)相結合， 以石家莊

實際運行小區(qū)的中水源熱泵系統(tǒng)作為研究對象，對中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)的運行策略進行分析。

該小區(qū)供暖面積30萬m2，末端系統(tǒng)采用地板輻射供暖方式，小區(qū)二次網采用分區(qū)供暖方式，分為高區(qū)供暖系統(tǒng)、中區(qū)供暖系統(tǒng)和低區(qū)供暖系統(tǒng)，詳細參數(shù)見表1。圖1為熱泵機房原理圖，從圖1中可以看出，研究對象主要由中水輸配系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及末端系統(tǒng)3部分組成。其供暖基本原理為從污水處理廠排出的達標中水通過中水提升泵輸送至小區(qū)的中水源熱泵機房內，熱泵機組將用戶側的循環(huán)水加熱，最后輸送至用戶的末端系統(tǒng)釋放熱量，實現(xiàn)對熱用戶的供暖[1-3]。

表1 研究對象基本參數(shù)Tab.1 Basicparameters供暖區(qū)域供暖面積/萬m2末端系統(tǒng)高區(qū)供暖6地板采暖中區(qū)供暖10.5地板采暖低區(qū)供暖13.5地板采暖

圖1 熱泵機房原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump machine room

1 地板輻射供暖系統(tǒng)運行調節(jié)

1.1室外綜合溫度

運行調節(jié)是指當熱負荷發(fā)生變化時，為實現(xiàn)按需供熱，而對供暖系統(tǒng)的流量、供水溫度等進行調節(jié)。供暖調節(jié)的目的在于使供暖用戶散熱設備的散熱量與用戶熱負荷的變化規(guī)律相適應，以維持供暖房間的室內計算溫度tn，防止供暖熱用戶出現(xiàn)室溫過高或過低[4]。

通常假設，供暖熱負荷與室內外溫差的變化成正比[5]。但實際上，室內外溫差并不能反映風速和風向，特別是太陽輻射熱對供暖熱負荷的影響，因此這一假設會有一定的誤差。為修正這一誤差，引入室外綜合溫度的概念來指導供暖[6-7]。室外綜合溫度是為了更接近實際運行中的室外情況，綜合考慮氣溫、太陽輻射熱與風速等環(huán)境因子得出的溫度tz[7-8]。在一天中，室外綜合溫度在不斷變化，導致室內外溫差不斷變化，因此可通過室內外溫差的逐時變化來不斷調整供暖熱負荷。但這種做法在實際操作中太過繁瑣，加之地板輻射采暖系統(tǒng)具有“熱惰性”，室內溫度不能很好地做出反應[8]。因此采用一天的室外綜合平均溫度來指導系統(tǒng)的供、回水溫度更有現(xiàn)實意義。

室外綜合溫度計算公式如下：

tz=tw+ty+tf。

(1)

式中：tz為室外綜合溫度，℃；tw為室外溫度，℃；ty為太陽輻射對室外溫度的修正量，℃；tf為風力對室外溫度的修正量，℃。

根據實際供熱和計算的平均供熱，太陽輻射對氣溫的修正量公式如下[9]：

ty=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siq。

(2)

風力對氣溫的修正量公式如下：

tf=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siqvi。

(3)

式中：i取值為1，2，…，n，對應實驗次數(shù)；Hi為對應第i次實驗的單位時間實際供熱總量，W；Si為對應第i次實驗的供熱面積，m2；q為單位時間、單位面積保持1 ℃溫差所損失的熱量，W/(℃·m2)；tiin為對應第i次實驗的室內溫度，℃；tiout為對應第i次實驗的室外溫度，℃；vi為對應第i次實驗的風速，m/s。

實際應用中，ty，tf常選用以下數(shù)值進行計算：

在雨天，ty≈-1.3 ℃；晴天，ty≈1.3 ℃；其他天氣，ty≈0 ℃。

tf=-0.2v℃，

(4)

v為平均風速，m/s。

1.2地板輻射供暖系統(tǒng)在任意室外綜合溫度下的質調節(jié)公式

當供暖網路在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，如不考慮管網沿途熱損失，則網路的供熱量等于供暖用戶系統(tǒng)末端設備的放熱量，等于建筑耗熱量，同時也應等于供暖熱用戶的熱負荷。則有如下的熱平衡方程式[10]：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Q1=Q2=Q3=Q4,

(10)

Q1=qV(tn-tw),

(11)

Q2=9.47A(tpj,d-tn)1.032,

(12)

Q3=KA(tpj,w-tpj,d),

(13)

Q4=1.163G(tg-th)。

(14)

(15)

(16)

式中：Q1為設計供暖熱負荷，W；Q2為在供暖室外計算溫度下，建筑耗熱量，W；Q3為在供暖室外計算溫度下，地面?zhèn)鳠崃浚琖；Q4為在供暖室外計算溫度下，熱網供熱量，W；G為熱水實際質量流量，kg/h。

綜合上述計算公式，可得：

(17)

根據地面輻射供暖技術規(guī)程[11]，低溫地板輻射采暖的地板表面平均溫度可按以下公式計算：

(18)

設計工況下，盤管內熱水平均溫度的計算式為

(19)

又由式(1)可得：

tw=tz-ty-tf。

(20)

2 運行策略分析

2.1運行方式分析

中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)運行模式如圖2所示[12-13]。根據室外綜合溫度的變化，利用質調節(jié)公式計算出實際供、回水溫度作為地板供暖系統(tǒng)運行的指導溫度。為了便于地板輻射供暖系統(tǒng)運行策略的分析，本文暫不討論熱泵機組的配置及開啟情況。

將室內溫度控制在20 ℃時，測試儀器為隨機放置的，因供熱面積較大，加之現(xiàn)實因素的復雜，戶內溫度會有低于20 ℃的情況發(fā)生，但絕大部分還是在20 ℃及20 ℃以上。使用室外綜合平均溫度進行計算，得出質調節(jié)供、回水溫度值如表2所示。

圖2 運行策略模式簡圖Fig.2 Schematic diagram of the operation strategy

表2 由室外綜合平均溫度計算得出的供暖質調節(jié)指導供、回水溫度

Tab.2 Supply and return water temperature calculated from the comprehensive outdoor temperature

室外平均溫度tw/℃-9-7-5-3-113室外綜合平均溫度tz/℃-8-6-4-2024供水溫度tg/℃45.043.241.339.537.735.934.0回水溫度th/℃35.033.932.831.730.629.528.4供回水溫差Δt/℃10.09.38.57.87.16.45.6

該小區(qū)設計供、回水溫度為45 ℃/35 ℃，采用室外綜合平均溫度計算供、回水溫度指導供暖系統(tǒng)質調節(jié)時，可由表2看出，供、回水溫度降低且供、回水溫差減小。

在一天中，根據不同時段的室外天氣情況和峰谷電價時段，結合地板輻射供暖系統(tǒng)的蓄熱性能，改變供、回水溫度進行供暖[14-15]，即采用分時段改變供、回水溫度的供暖系統(tǒng)運行策略進行供暖，這不僅可以改善供暖系統(tǒng)運行效果，還可以進一步節(jié)約能源。

2.2節(jié)能效果分析

為確定分時段改變供、回水溫度運行策略的節(jié)能潛力，選取天氣狀況相同的2個典型日(2016-12-14與2016-12-15)，對其24 h平穩(wěn)運行與分時段改變供、回水溫度運行兩種方式下的耗電量情況進行對比。24 h平穩(wěn)運行即全天采用固定供水溫度平穩(wěn)運行，“分時段”運行方式是在一天中，根據不同時段的室外天氣情況和峰谷電價時段，改變供、回水溫度進行供暖。具體運行方式見表3。

表3 兩種運行方式對比

供暖系統(tǒng)循環(huán)水所提供的熱量可由式(21)進行計算：

Q=cmΔt。

(21)

式中：Q為能量，J；C為比熱容，水的比熱容為4.2×103J/(kg·K)；m為物質質量，kg；Δt為溫差，K。

由式(21)計算可得，該小區(qū)供暖系統(tǒng)24 h平穩(wěn)運行工況下，供暖系統(tǒng)供熱量為

Q1=4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×24×(38.6-31.1)=7.261×1011J。

該小區(qū)供暖系統(tǒng)24 h中分時段改變供、回水溫度運行工況下，供暖系統(tǒng)供熱量為

Q2=4.2×103×(363.51+417.23+179.31)×103×12×(35.9-29.5)+4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×12×(38.6-31.1)=6.729×1011J。

可見，該小區(qū)供暖系統(tǒng)運行24 h，分時段運行方式較24 h平穩(wěn)運行方式可節(jié)約供熱量7.3%。另由表3中數(shù)據可得該小區(qū)供暖系統(tǒng)運行24 h，分時段運行方式較24 h平穩(wěn)運行方式可節(jié)約電量9.3%。

3 運行效果驗證

為了驗證在室外綜合平均溫度指導下的供暖方式運行效果，選取2016-12-15的小區(qū)供暖情況進行驗證，當日具體運行情況如表4所示，其中不同時段下室外綜合溫度的計算結果分別為

tz1=t+ty+tf=2.2+1.3-0.2=3.3 ℃,

在小區(qū)低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)熱用戶客廳內隨機放置GPRS溫度遠程監(jiān)測儀進行室溫采集(位置要按照室內測溫標準放置)，監(jiān)測供暖系統(tǒng)在24 h運行過程中熱用戶室溫變化情況。其中，低區(qū)放置5塊遠程測溫儀，中區(qū)放置5塊遠程測溫儀，高區(qū)放置4塊遠程測溫儀。監(jiān)測情況如圖3—圖5所示。

圖3為小區(qū)低區(qū)被監(jiān)測用戶12月15日室內溫度曲線圖，可以看出室內溫度均在20 ℃以上，且室溫曲線基本平穩(wěn)；圖4為小區(qū)中區(qū)被監(jiān)測用戶12月15日室內溫度曲線圖，其中有1個熱用戶在10:00左右室溫有明顯的降低，這可能是由于熱用戶開窗通風導致，其他用戶室內溫度均維持在20 ℃左右，且室溫曲線基本平穩(wěn)；圖5為小區(qū)高區(qū)被監(jiān)測用戶12月15日室內溫度曲線圖，可以看出室內溫度平穩(wěn)，無較大波動，溫度均維持在18 ℃以上。假設二次網水力平衡較理想，從該典型日反饋的室溫曲線圖看，采用室外綜合溫度指導地板輻射供暖系統(tǒng)分時段進行質調節(jié)的運行方式能達到良好的供暖效果，滿足用戶熱舒適要求。

圖3 小區(qū)低區(qū)12月15日室內溫度變化圖Fig.3 Indoor temperature curves in lower floors on Dec.15

圖4 小區(qū)中區(qū)12月15日室內溫度變化圖Fig.4 Indoor temperature curves in media floors on Dec.15

圖5 小區(qū)高區(qū)12月15日室內溫度曲線圖Fig.5 Indoor temperature curves in upper floors on Dec.15

4 結論與展望

1)將室外綜合溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)質調節(jié)計算的依據，能夠客觀地反映系統(tǒng)運行過程中其他環(huán)境因子對供暖效果的影響。

2)地板輻射供暖系統(tǒng)運行過程中，以室外綜合溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)質調節(jié)計算的依據，并結合電網的“峰谷”特性和地板輻射供暖系統(tǒng)蓄熱的特點，在運行中“削峰填谷”，既保證了地板供暖的運行效果，又降低了運行成本。

3)引入室外綜合溫度的概念，推導得出了地板輻射供暖系統(tǒng)質調節(jié)情況下，保證用戶熱舒適度的二次網供、回水溫度調節(jié)公式。

4)分時段改變供、回水溫度的運行方式較24 h固定水溫平穩(wěn)運行方式節(jié)約電量9.3%，節(jié)約供熱量7.3%。

5)由于實際工程中二次網水泵并非變頻水泵，所以本文并未對供暖系統(tǒng)量調節(jié)進行論述。在今后的地板輻射供暖運行調節(jié)研究中，將在質調節(jié)的基礎上引入分時段改變流量調節(jié)方式的研究。

/

:

[1] 崔明輝,劉萌,王欣. 石家莊市某住宅小區(qū)中水源熱泵供熱系統(tǒng)應用與分析[J]. 河北工業(yè)科技,2014，31(6):502-506. CUI Minghui, LIU Meng, WANG Xin. Application and analysis of reclaimed water heat pump heating system in a residential area in Shijiazhuang City[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2014,31(6): 502-506.

[2] 劉艦,張丹. 水源熱泵技術應用研究[J]. 遼寧工業(yè)大學學報(自然科學版), 2012,32(4):255-258. LIU Jian,ZHANG Dan. Application research on water source heat pump technology[J]. Journal of Liaoning University of Technology (Natural Science Edition)， 2012,32(4):255-258.

[3] 石文星，田長青，王寶龍.空氣調節(jié)用制冷技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4] 賀平，孫剛，王飛，等.供熱工程[M]. 4版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[5] 劉異川.地板輻射采暖系統(tǒng)調節(jié)理論及應用[J].民營科技，2008(6)：4-5.

[6] 張德山，王保民，陳正洪，等.北京城市集中供熱節(jié)能氣象預報系統(tǒng)的應用[J].煤氣與熱力，2008,28(11)：23-25. ZHANG Deshan, WANG Baomin, CHEN Zhenghong, et al. Application of weather forecast system for Beijing City centralized heat-supply energy-saving system[J]. Gas & Heat, 2008, 28(11)：23-25.

[7] 王志斌，張德山，王保民，等.北京城市集中供熱節(jié)能氣象預報系統(tǒng)研制[J].氣象，2005, 31(1)：75-78. WANG Zhibin, ZHANG Deshan, WANG Baomin, et al. Study on Beijing economical district heating meteorological forecast system[J]. Meteorological Monthly, 2005, 31(1)：75-78.

[8] 周霖.低溫地板輻射供暖系統(tǒng)在實際應用中的缺陷[J].供熱制冷，2016(3)：60-62. ZHOU Lin. The limitations in practical application of low-temperature floor radiant heating system[J]. Heating & Refrigeration, 2016(3)：60-62.

[9] 王保民，張德山，湯慶國，等.節(jié)能溫度、供熱氣象指數(shù)及供熱參數(shù)研究[J].氣象，2005，31(1)：72-74. WANG Baomin, ZHANG Deshan, TANG Qingguo,et al. Research on energy efficiency temperature,heating meteorological index and heating parameters[J]. Meteorological Monthly, 2005, 31(1): 72-74.

[10] 賀平，孫剛.供熱工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[11] JGJ142-2012.輻射供暖供冷技術規(guī)程[S].

[12] 宗杰.低溫地板輻射采暖系統(tǒng)調節(jié)性能研究[D]. 天津：天津大學，2003. ZONG Jie. Study on the Control Strategies for Radiant Floor Heating Systems[D].Tianjin: Tianjin University, 2003.

[13] 王榮光，宗杰.低溫地板輻射采暖的調節(jié)[J].煤氣與熱力，2003，23(11):698-700. WANG Rongguang, ZONG Jie. Control of low-temperature floor radiant heating[J]. Gas & Heat, 2003, 23(11):698-700.

[14] 王靖.低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)的研究[D]. 鄭州：河南農業(yè)大學,2006. WANG Jing. Study on Low-temperature Hot Water Floor Radiant Heating System[D]. Zhengzhou:Henan Agricultural University, 2006.

[15] 瞿燕山,蔡龍俊.末端為地板輻射采暖的供熱管網運行調節(jié)分析[J].中國住宅設施，2009(8)：45-47.

Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump

CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The energy reservation strategy of floor radiant heating system powered by reclaimed water source heat pump is analyzed by taking an actual running floor radiant heating system in Shijiazhuang as research subject. Considering the influences of environmental factors of outdoor temperature, solar radiate heat and wind speed, in the calculation of supply and return water temperature in the secondary circuit, a comprehensive outdoor temperature is introduced to obtain the regulation formula that guarantee heat users' comfort level during the temperature regulation of floor radiant heating system. According to actual operation tests and the divided periods temperature regulation of the floor radiant heating system by the regulation formula of return water temperature in secondary circuit, the supply and return water temperatures calculated from the comprehensive temperature model not only can meet users' comfort level requirement, but also achieve good energy saving effects. The combination and popularization of reclaimed water source heat pump and floor radiant heating system provide new idea for urban centralized heating system.

heat and gas supply engineering; reclaimed water source heat pump; floor radiant heating system; operation strategy of heating system; comprehensive outdoor temperature; temperature regulation

1008-1534(2017)05-0368-06

2017-03-26;

2017-06-30；責任編輯：陳書欣

河北科技大學研究生創(chuàng)新資助項目

崔明輝(1962—)，男，河北滄州人，教授，主要從事暖通空調方面的研究。

E-mail:cuiminghui666@163.com

TK37

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05010

崔明輝，劉 萌，鄒韋唯.中水源熱泵地板供暖運行策略分析[J].河北工業(yè)科技,2017,34(5):368-373. CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei.Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):368-373.