戴春祥,夏 燚,韓 偉,朱益秀

(1.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210023) (2.揚(yáng)州頤和投資發(fā)展有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000)

輻射末端因其高舒適性及良好的穩(wěn)定性而得到廣泛應(yīng)用[1],但供暖惰性大,房間升溫速度慢,不能使房間盡快達(dá)到熱舒適的狀態(tài). 而風(fēng)機(jī)盤管末端升溫速度快,能夠使室內(nèi)空氣溫度快速達(dá)到熱舒適的溫度.

國內(nèi)外學(xué)者對地板輻射及風(fēng)機(jī)盤管兩種供暖末端進(jìn)行了廣泛的研究. 其中,一部分研究通過幾種不同供暖末端的對比,來分析地板輻射及風(fēng)機(jī)盤管末端室內(nèi)空氣溫度分布的均勻性. 例如,文獻(xiàn)[2-4]對風(fēng)機(jī)盤管和地面輻射兩種供暖末端進(jìn)行研究,得出地面輻射末端下的室內(nèi)溫度垂直方向溫度梯度小,更為均勻,舒適度較高,但是風(fēng)機(jī)盤管末端垂直溫度梯度大. Daniel等[5]利用CFD 軟件模擬計算和評估,對地板輻射供暖、通過通風(fēng)系統(tǒng)供暖和風(fēng)機(jī)盤管三種供暖末端進(jìn)行研究. 研究表明,地板輻射供暖的室內(nèi)溫度分布最為均勻. Hasan等[6]通過對地板和墻面輻射兩種系統(tǒng)進(jìn)行分析對比,針對不同供水溫度對室內(nèi)空氣流動和熱量傳遞進(jìn)行數(shù)值模擬研究. 結(jié)果表明,地板輻射供暖具有更好的舒適性,且室內(nèi)溫度分布更為均勻,溫度梯度小于1 ℃/m. 另一部分通過對兩種不同供暖末端室內(nèi)舒適性的對比,探討哪一種末端更加舒適. 例如,文獻(xiàn)[7-9]通過對幾種不同供暖末端下舒適度的對比,得出地面輻射末端下更為舒適. Stanislavs等[10]認(rèn)為在建筑物內(nèi)持續(xù)供暖時,風(fēng)機(jī)盤管和地面輻射兩種供暖末端都能夠滿足室內(nèi)熱舒適的要求. 曾璟等[11]通過對蓄能型空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的試驗測試,得出蓄能型空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)具有良好的室內(nèi)熱舒適性. Antonio等[12]比較了同一熱區(qū)內(nèi)輻射地板和風(fēng)機(jī)盤管兩種不同末端單元組合的循環(huán)供暖系統(tǒng)的幾種控制策略. 結(jié)果表明,地面輻射系統(tǒng)升溫速度慢,使得室內(nèi)較慢達(dá)到舒適感,風(fēng)機(jī)盤管雖然舒適度較差,但可通過提高溫度設(shè)定值來解決.

從現(xiàn)有的研究來看,大多數(shù)學(xué)者的研究集中在風(fēng)機(jī)盤管和地面輻射供暖末端的熱舒適性以及室內(nèi)空氣溫度分布均勻性,而對兩種供暖末端到達(dá)室內(nèi)溫度分布均勻性與熱舒適度的所需時間、地暖末端不同裝飾材料供暖特性以及冬季環(huán)境溫度對空氣源熱泵性能影響卻鮮有研究,但是供暖末端的升溫速率卻直接影響到人們在室內(nèi)達(dá)到熱舒適性的速度. 對此,本文研究以空氣源熱泵為熱源的兩種供暖末端系統(tǒng),分析兩種空調(diào)末端的升溫速度、化霜過程對末端性能的影響以及地板輻射末端不同裝飾材料的供暖特性.

1 實(shí)驗簡介

1.1 實(shí)驗對象

該試驗對象是南京市某住宅小區(qū)五層單元房的第四層和第五層[13],它位于西側(cè),為南北向型,總建筑面積為286.9 m2,試驗測試的時間段為2019年1月26日19:00到1月27日10:00. 該住宅的實(shí)際使用面積為250.6 m2,地板采暖面積為170 m2,該房間的房屋類型和風(fēng)機(jī)盤管的布局分別如圖1、圖2所示. 該住戶相鄰的區(qū)域均未集中供暖,該住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1所示.

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Table 1 Heat transfer coefficient of building envelope

1.2 實(shí)驗系統(tǒng)

空氣源熱泵雙末端系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行性能測試系統(tǒng)見圖3. 空氣源熱泵雙末端系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵機(jī)組、地面盤管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、分集水器等部件,其中風(fēng)機(jī)盤管安裝在天花板下方.

該系統(tǒng)所采用的熱源主機(jī)為某品牌的變頻空氣源熱泵機(jī)組,采用的制冷劑為R410a,壓縮機(jī)為直流變頻噴氣增焓壓縮機(jī),室外機(jī)風(fēng)機(jī)為直流變頻風(fēng)機(jī),循環(huán)水泵額定功率為0.55 kW. 熱泵機(jī)組名義制冷量為28 kW,名義制熱量為30 kW,額定制冷輸入功率為8.4 kW,額定制熱輸入功率8.5 kW,制冷系數(shù)EER 3.33,制熱系數(shù)COP 3.55[13]. 地暖末端為濕式地暖系統(tǒng),如圖4所示. 地暖盤管采用的材料為耐熱聚乙烯管,其內(nèi)外徑分別為12 mm/16 mm,盤管間距為150 mm,布置成回字型,風(fēng)機(jī)盤管末端采用三排管風(fēng)機(jī)盤管.

1.3 測試儀器

表2為本次試驗主要的測試項目以及測試所需儀器儀表的精度和測溫范圍. 數(shù)據(jù)采集儀Agilent34970A如圖5所示.

表2 主要測試項目和試驗儀器儀表Table 2 Main test items and experimental instruments

表中,T1為室外機(jī)供水溫度;T2為室外機(jī)回水溫度;T3、T4、T5分別風(fēng)機(jī)盤管房間內(nèi)為地面溫度、距離地面1 m、2 m溫度;T6為風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)溫度;T7～T9為地暖盤管供回水溫度;T10為地暖房間內(nèi)地面溫度.

1.4 實(shí)驗方案

為了研究空氣源熱泵雙末端系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行特性,本試驗對目標(biāo)房間進(jìn)行了15 h的性能測試,測試的時間段為2019年1月26日19:00到1月27日10:00. 在試驗測試之前打開所有房間的門窗進(jìn)行通風(fēng),1 h后再將門窗進(jìn)行關(guān)閉. 測試對象為兩個不相鄰的房間及客廳,其中一個房間和客廳只打開地暖,另一個房間只打開風(fēng)機(jī)盤管. 設(shè)定室外主機(jī)回水溫度為45 ℃,開啟熱泵主機(jī)、兩個房間的末端及客廳的末端,測試兩個房間和客廳內(nèi)兩種末端溫度以及房間內(nèi)室內(nèi)溫度變化情況,并且使用數(shù)據(jù)采集儀Agilent34970A來記錄相關(guān)數(shù)據(jù),記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為2 min.

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 熱泵主機(jī)供回水溫度與兩種末端溫度的比較分析

在整個試驗周期內(nèi),將空氣源熱泵機(jī)組的回水溫度設(shè)置為45℃. 圖6為該供暖系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi),主管的供回水溫度、風(fēng)機(jī)盤管下的送風(fēng)溫度以及大理石地面表面溫度隨著時間而變化的曲線分布圖. 從圖6可見,(1)當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組開啟之后,主機(jī)的供回水溫度、風(fēng)機(jī)盤管下的送風(fēng)溫度以及大理石地面的表面溫度都開始逐漸上升并且溫升速率逐漸增加. 當(dāng)熱泵機(jī)組運(yùn)行400 min后,主機(jī)回水溫度到達(dá)設(shè)定溫度45 ℃. 當(dāng)回水溫度達(dá)到溫度設(shè)定值時,壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率相應(yīng)降低,并且實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié),使得回水溫度在45 ℃左右. 由曲線的變化趨勢可知,空氣源熱泵機(jī)組回水溫度調(diào)節(jié)性好,可以保持45 ℃左右的回水溫度. 熱泵機(jī)組供水溫度整體波動較小且相對穩(wěn)定,室內(nèi)溫度無明顯波動,能達(dá)到人們熱舒適要求.

(2)在化霜期間,主機(jī)供回水溫度下降. 這主要是由于空氣源熱泵主機(jī)化霜時,通過四通閥切換,原先從室外空氣中吸熱的“氟-空氣換熱器”由蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為冷凝器進(jìn)行熱力除霜,而原先給循環(huán)水加熱的“氟-水換熱器”由冷凝器轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)器,從循環(huán)水中吸熱導(dǎo)致供回水溫度下降.

(3)熱泵機(jī)組在運(yùn)行到520 min時,室外空氣為零下0.5 ℃,化霜成周期性,共出現(xiàn)兩次除霜周期,并且每次除霜時間為4 min. 當(dāng)熱泵除霜時,供回水溫度出現(xiàn)一個較大的下降趨勢,使得供水溫度從46.1 ℃下降到35.9 ℃,下降了22.1%,回水溫度從43.5 ℃下降到35.9 ℃,下降了17.3%.

(4)在第一次化霜周期中,風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)溫度從40.9 ℃下降到32.9 ℃,下降了19.5%. 在第二次化霜周期中,風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)溫度從40.0 ℃下降到31.3 ℃,下降了21.7%. 試驗表明風(fēng)機(jī)盤管末端的送風(fēng)溫度受化霜的影響較大. 而混凝土地面具有良好的蓄熱性,使得大理石地面溫度短時間內(nèi)不受化霜的影響,仍然繼續(xù)上升.

2.2 風(fēng)機(jī)盤管末端出風(fēng)溫度及地暖末端溫度對房間溫度影響分析

由于地暖輻射末端加熱地面主要通過熱輻射為房間供熱,風(fēng)機(jī)盤管末端送熱風(fēng)主要通過熱對流為房間供熱. 根據(jù)《輻射供暖供冷技術(shù)工程JGJ142—2012》的要求,當(dāng)?shù)匕遢椛涔┡瘯r,在人員經(jīng)常停留的地面,宜采用的平均溫度為25～27 ℃,平均溫度的上限值為29 ℃[14]. 因此從圖7、圖8中可以看出,地暖輻射末端下,地板表面溫度從14 ℃上升到25 ℃,共需292 min. 而風(fēng)機(jī)盤管末端下,它的送風(fēng)溫度從8 ℃上升到25 ℃,共需26 min. 由此可以看出,從系統(tǒng)啟動到達(dá)設(shè)計溫度25 ℃時,風(fēng)機(jī)盤管末端的起溫速度是地暖輻射末端的11.2倍.

從圖7、圖8中可以看出,地板輻射供暖時,供暖房間中1 m和2 m處的室內(nèi)空氣溫度基本相等,在整個試驗測試周期內(nèi),同一時刻這兩種高度的最大溫差為0.6 ℃,溫度梯度為0.6 ℃/m,其平均溫差為 0.2 ℃. 室內(nèi)空氣溫度基本保持了相對穩(wěn)定的變化,T1、T2穩(wěn)定時的溫度為24.7 ℃、24.6 ℃. 風(fēng)機(jī)盤管供暖時,在同一時刻,風(fēng)機(jī)盤管的室內(nèi)溫度梯度比地板輻射供暖時的大,1 m與2 m最大溫差3.6 ℃,溫度梯度為3.6 ℃/m,其平均溫度為2.9 ℃,T1、T2穩(wěn)定時的溫度為23.7 ℃、26.8 ℃. 由此可以得出地板輻射供暖工況下室內(nèi)溫度分布的均勻性優(yōu)于風(fēng)機(jī)盤管供暖工況.

根據(jù)《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》(GB/T 18049—2000)[15],冬季在有供暖的室內(nèi)從事輕(主要是坐姿)的活動,舒適溫度在20～24 ℃. 對比兩種末端下1 m處的室內(nèi)空氣溫度,輻射末端下1m處的室內(nèi)空氣溫度從12 ℃上升到20 ℃需要575 min,而在風(fēng)機(jī)盤管末端下,溫度升高到20 ℃只需182 min. 因此可以得到在本試驗周期內(nèi),系統(tǒng)啟動后,室內(nèi)1 m處的空氣溫度在風(fēng)機(jī)盤管末端下達(dá)到熱舒適狀態(tài)的速度是地面輻射末端下的3.16倍.

從圖7、圖8中可知,當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)入除霜的狀態(tài)時,風(fēng)機(jī)盤管末端下1m處的室內(nèi)空氣溫度迅速下降,而地板輻射末端1 m處的室內(nèi)溫度仍然繼續(xù)穩(wěn)步上升. 這是因為地板表面溫度的降低具有滯后性,所以較短時間內(nèi)的除霜幾乎不會令地面溫度產(chǎn)生波動.

2.3 不同地面裝飾材料下地暖輻射末端供暖性能分析

不同的地面裝飾材料對人體的熱舒適性有較大的影響[16]. 因此本實(shí)驗選擇木地板和大理石兩種裝飾材料進(jìn)行比較. 大理石和木地板的溫度分布如圖9所示. 可見,(1)在相同的供水溫度下,木地板和大理石的地面溫度不同. 當(dāng)系統(tǒng)開啟之后,地板的地面溫度開始低于大理石的地面溫度,這是由于木地板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.12～0.30 W/(m·K),而大理石的導(dǎo)熱系數(shù)為2.9 W/(m·K)[17],在供水溫度相同的情況下,傳熱系數(shù)越小,傳熱溫差就越大,因此木地板的地面溫度低于大理石地板的地面溫度.

(2)在相同的供水溫度下,大理石和木地板的回水溫度不同. 這主要是由于木地板的熱導(dǎo)系數(shù)比大理石的熱導(dǎo)系數(shù)小,從而導(dǎo)致木地板與盤管換熱量小,使得木地板的回水溫度高,導(dǎo)致木地板的供回水溫差比大理石的供回水溫差小.

(3)熱泵機(jī)組啟動后,大理石地面溫度從18 ℃上升到25 ℃所需時間為178 min,而木地板地面溫度從18 ℃上升到25 ℃所需時間為298 min,大理石地面的升溫速度是大理石的1.67倍,因此大理石地面能更快達(dá)到舒適溫度的需求.

3 結(jié)論

(1)機(jī)組化霜對風(fēng)機(jī)盤管末端有較大的影響,而由于混凝土地面有良好的蓄熱性,使得結(jié)霜對地面輻射末端沒太大影響.

(2)對于風(fēng)機(jī)盤管和地面輻射兩種末端,在測試范圍內(nèi),風(fēng)機(jī)盤管末端送風(fēng)溫度到25 ℃的速度是地暖輻射末端地面溫度到25 ℃的11.2倍. 室內(nèi)1 m處的室內(nèi)空氣溫度在風(fēng)機(jī)盤管末端下到20 ℃的升溫速度是地面輻射末端下的3.16倍,兩種空調(diào)末端供熱,風(fēng)機(jī)盤管末端能更快達(dá)到室內(nèi)舒適的溫度.

(3)對于風(fēng)機(jī)盤管和地面輻射兩種末端,在供暖房間1 m和2 m處,風(fēng)機(jī)盤管末端下的溫度梯度為3.6 ℃/m,地面輻射供暖下的溫度梯度為0.6 ℃/m,由此可知地板輻射供暖下的室內(nèi)溫度的分布均勻性是優(yōu)于風(fēng)機(jī)盤管供暖工況,因此地面輻射末端更加舒適.

(4)對于地面輻射供暖末端,在相同的供水溫度下,木地板的地面溫度比大理石的低,回水溫度比大理石高;大理石地面溫度的升溫速度是木地板的1.67倍,因此大理石地面能更快達(dá)到熱舒適.

(5)空氣源熱泵雙末端系統(tǒng)具有高舒適度,但要大范圍推廣應(yīng)用該系統(tǒng),需要合理設(shè)計地板結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)控制策略等工作,所以對該系統(tǒng)存在的不足仍需進(jìn)一步開展深入研究.