王铁军 徐 维 曾晓程2 梁 涛2 夏兴祥 胡 鹏

(1合肥工业大学制冷空调技术研究所 合肥 230009;2 中国扬子集团滁州扬子空调器有限公司 滁州 239000)

空气源热泵地暖系统冬季应用研究

王铁军1徐 维1曾晓程2梁 涛2夏兴祥1胡 鹏1

(1合肥工业大学制冷空调技术研究所合肥230009;
2中国扬子集团滁州扬子空调器有限公司滁州239000)

本文研发了3P变频单元式空气源热泵机组，进行了民宅地板辐射供暖系统设计和冬季93 d的供暖应用实验。期间室外环境温度的变化范围-10～16 ℃，平均值3.72 ℃；热泵机组制热量变化范围3.82～10.06 kW，平均值6.71 kW；热泵压缩机的吸/排气压力的平均值为0.55 MPa/2.28 MPa，压缩比小；EER变化范围2.32～4.71，平均值3.46，能效较高。测试了室内0.1、1、1.5、2 m高度处的温度，平均值分别为20.48、19.26、18.75、18.01 ℃，呈现相对稳定的下暖上凉的温度场。进行了最暖、最冷2个典型气象日热泵系统运行性能的对比分析，两日室外的平均温差为17.21 ℃，最暖日制热量和EER分别是最冷日的41.9%和159%，室内温度相对稳定，表明热泵系统具有良好的环境适应性和舒适性。与城市集中供暖及燃气锅炉供暖相比，运行费用分别降低39.82%、56.17%，节能、安全、热舒适性更佳。

空气源热泵；辐射供暖；应用实验

空气源热泵以其高效、节能、环保的独特优势成为研究的热点，且被迅速推广应用[1-5]，由于制热量和能效比与室外环境温度有关，在寒冷地区或低温天气供暖时，受工作特性的制约，制热量不足、能效比低、压缩机排气温度高等问题突出[6]，使其在低温环境下运行的能源效率低、热舒适性和可靠性欠佳[7]。为了提高空气源热泵的制热性能和扩大应用范围，满足华北地区治理空气污染所进行的供暖热源改造及夏暖冬寒的华东等地区的供暖需求，依据JGJ142—2012《辐射供暖供冷技术规程》[8]，采用供水温度35～45 ℃的地板辐射供暖技术[9]，主要优点是：呈现下暖上凉的室内热环境，舒适性好；地板辐射供暖的供水温度比常规暖气片低10～15 ℃，热泵的冷凝温度相应降低[10]，系统运行可靠、高效[11]。本文在研发单元式空气源热泵的基础上，应用地板辐射供暖技术进行了全冬季热泵供暖运行实验和测试分析，为同类产品的优化设计和控制提供参考。

1 空气源热泵热水机组

研发的空气源热泵冷热水机组循环系统如图1所示。关键部件包括：3匹变频压缩机[12](型号：TNB220FFEMC)、电子膨胀阀、空气侧为φ7 mm管片式换热器、水侧为板式换热器(型号：B3-030-30-3.0-H)，使用R410A制冷工质，充注量2 kg。热泵系统运行制热模式时，管片式换热器作为蒸发器从室外低温空气中吸热，板式换热器作为冷凝器生产热水。

热泵机组应用智能除霜技术[13]，以提高对环境变化和机组自身差异的适应性。除霜操作时，四通阀换向，压缩机的排气进入室外侧换热器融霜，冷凝液经节流降压后通过板式换热器从循环热水中吸热蒸发，受益于吸热侧热源温度稳定、热容量大，除霜过程快捷。由于地暖系统有强大的蓄热能力，运行过程中受外界干扰的影响小，室内温度稳定。

1压缩机；2四通阀；3板式换热器；4循环水泵；5膨胀水箱；6储液器；7膨胀阀；8管片式换热器。图1 空气源热泵热水系统Fig.1 The air source heat pump water heating system

依据GB/T 18430.2—2008《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第2部分：用户及类似用途的冷水(热泵)机组》[14]进行了热泵热水机组的性能检测，名义工况下的主要性能参数如表1所示。

2 冬季供暖应用实验

2.1热泵地暖工程概况

热泵用户位于安徽滁州市某小区6层单元楼的3楼，户型为南北走向，建筑面积120 m2，其中混凝土外墙、分户墙、钢筋混凝土楼板、单层塑料外窗的传热系数分别为1.53、2.30、3.05、4.70 W/(m2·K)[15]。用户的上、下、左、右邻居无集中供暖，户间传热量计算值为2.19 kW。热泵地暖系统依据GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》[16]、JGJ 142—2012《辐射供暖供冷技术规程》[8]设计。住宅结构及地暖热水回路设计如图2所示，设4个热水回路，分别为客厅A、次卧B、主卧C、书房D，地暖水管间距150 mm。

图2 住宅平面及地暖回路(单位：mm)Fig.2 The residential flat and floor heating circuits

2.2测试系统

应用实验测试项目、测试仪器如表2所示，数据采集仪为基康BGK-MICRO-40。

2.3性能评价指标

1)耗电量

热泵机组电功率W的测量间隔为1 min，小时耗电量Whour为60次采样的累计值，W。

2)制热量

Q为热泵机组的制热量，W，计算式为：

Q=cG(Tout-Tin)

(1)

式中：c为水的比热容，J/(kg·℃)；G为热泵机组的水流量，kg/s；Tout、Tin分别为供、回水温度，℃。

表2 主要测试项目和仪器Tab.2 Main test items and instruments

注：①包括：室外环境温度Ta；室内温度场为A、B、C、D室距地面0.1、1、1.5、2 m高度的空气温度，A室对应高度的温度分别记为TA1、TA2、TA3、TA4，其他类同；②包括：吸气压力ps；排气压力pd；蒸发压力pe；冷凝压力pc。

3)能效比

热泵机组的运行状态受到内外部扰动持续变化，除了以每分钟进行一次测量和计算热泵机组的瞬态性能参数外，并以1 h或24 h为单位计算平均能效比EERhour或EERday，计算式为：

(2)

式中：Q为热泵机组的制热量，W；W为热泵机组耗电量，W。

3 结果与分析

3.1供暖周期热泵机组运行性能

图3所示为冬季空气源热泵地暖系统主要运行性能参数变化，起止日期为2015-11-20～2016-02-20，共93 d。实验周期内室外环境温度的波动范围为-10～16 ℃，平均值为3.72 ℃。机组测试数据显示：制热量和环境温度呈负相关变化，变化范围为3.82～10.06 kW，平均值为5.42 kW；压缩机吸、排气压力受负荷和环境温度等影响，变化范围分别为0.40～0.78 MPa、2.09～2.54 MPa，平均值分别为0.55 MPa、2.28 MPa；实验期间供、回水温度变化范围分别为32.9～45.6 ℃、31.1～37.8 ℃，平均值分别为37.1 ℃、32.3 ℃；EER与环境温度呈正相关变化，变化范围2.32～4.71，平均值为3.46。室内温度场测试数据显示：实验周期内A室高度0.1、1、1.5、2 m处的温度平均值分别为20.53、19.49、19.01、18.42 ℃，各测量点温度波动小于±2 ℃；A～D四室温度的相对差值小于±1.6 ℃，温度梯度相似，随着距地面高度的增加而逐渐降低。机组运行周期内制热/除霜平均时间123.5 min/6.17 min。

图3 空气源热泵地暖系统冬季运行性能Fig.3 The performance of air-source heat pump in winter

选取最冷和最暖2 d的测试数据，对比分析热泵系统在典型气象日的运行性能，统计数据如表3所示，热泵系统的制热量、能效比、吸排气压力、冷凝蒸发温度、出回水温度、室内外温度的变化如图4所示。

由图可知：1)最冷与最暖2 d的平均温差为17.21 ℃，相对室外环境温度的宽幅变化，室内温度保持相对稳定，表明热泵系统具有良好的环境适应性；2)最冷日的制热量、EER相对稳定；最暖日的制热量波动幅度相对增大，由热泵系统加减载造成，最暖日的EER显著提高，是最冷日的159%；3)最冷日、最暖日吸排气压力波动小且在合理范围内，表明热泵系统稳定可靠。

3.2运行成本对比分析

冬季供暖应用实验期间热泵系统总制热量43 550.78 MJ，总耗电量3 498 kW·h，日均耗电37.6 kW·h。根据滁州市居民用电计费标准(平段8∶00～22∶00，0.5 653元/(kW·h)；谷段22∶00～8∶00，0.3 153元/(kW·h)，热泵系统的总电费1 613.04元。由于滁州市未开通集中供暖，以合肥市冬季集中供暖价格21.5元/m2计算，该户冬季供暖费用为2 680元；相比集中供暖，热泵系统节省费用1 066.96元，减支比例39.82%。若采用户式燃气锅炉供暖，生产等量热能需消耗天然气1 213.79 m3(天然气低位热值35.88 MJ/m3)[17]，根据滁州市燃气到户价格3.08元/m3计算，供暖燃气费为3 783.47元，热泵系统相对节省2 125.43元，减支比例56.17%。应用研究表明空气源热泵地暖系统在满足用户舒适性供暖需求的同时，不仅节能减排，而且大幅度降低了使用成本。

表3 典型气象日地暖系统运行数据Tab.3 The data of heating system in typical weather

图4 极端天气下热泵地暖系统性能比较Fig.4 The comparative performance of heating system in extreme weather

4 结论

笔者研发了单元式空气源热泵机组，进行了冬季热泵地暖系统的应用实验，得到如下结论：

1)应用实验始于2015-11-20，历时93 d，室外环境温度的变化范围为-10～16 ℃，平均值为3.72 ℃；热泵机组制热量变化范围为3.82～10.06 kW，平均值为6.71 kW；EER变化范围为2.32～4.71，平均值为3.46。

2)室内0.1、1、1.5、2 m高度处的温度平均值分别为20.48、19.26、18.75、18.01 ℃，呈现相对稳定的下暖上凉的温度场，比常规热泵空调的舒适性高。

3)进行了最冷、最暖2个典型气象日热泵系统运行性能对比分析，相对室外温度的两极分化，室内温度保持相对稳定，表明热泵系统具有良好的环境适应性，高温日EER是低温日的159%。

4)相比城市集中供暖及燃气锅炉供暖，运行费用分别降低39.82%、56.17%，节能环保、安全可靠的同时，热舒适性更佳。

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Aboutthecorrespondingauthor

Wang Tiejun, male, professor,the head of Refrigeration and Air Conditioning Institute, Hefei University of Technology,+86 13905510159, E-mail:wtj555@sina.com. Research fields:conservation and utilization of energy in refrigeration and air-conditioning system.

ApplicationofAirSourceHeatPumpSystemforFloorHeatingduringWinter

Wang Tiejun1Xu Wei1Zeng Xiaocheng2Liang Tao2Xia Xingxiang1Hu Peng1

(1.Institute of Refrigeration and Air Conditioning Technology, Hefei University of Technology, Hefei, 230009, China; 2.China Yangzi Group Chuzhou Yangzi Air Conditioner Company, Chuzhou, 239000, China)

A 3P variable frequency air source heat pump unit was developed and applied in a residential building with floor radiant heating. The system was tested during the winter over a 93 d period. The range of the outdoor environment temperatures was -10 ℃ to 16 ℃, with the average value being 3.72 ℃. The heat capacity of the heat pump was 3.82 to 10.06 kW, with the average value at 6.71 kW. The average suction and discharge pressures were 0.55 and 2.28 MPa, respectively, and the compression ratio of the system was small. The energy efficiency ratio (EER) range was 2.32 to 4.71, and the average value of EER was 3.46, indicating a high level of energy efficiency. The temperatures at the height of 0.1, 1, 1.5, and 2 m were measured indoors, and the average values were 20.48, 19.26, 18.75, and 18.01 ℃, respectively; therefore, the temperature field was comfortable because of the negative gradient. The results in the warmest day and coldest day were compared and it is indicated that the average outdoor temperature difference in the two days was 17.21 ℃, and that the heating capacity and EER in the warmest day were 41.9% and 159% of those in the coldest day, respectively. The system showed good environmental adaptability and comfort. Compared with an urban central heating system and a gas-fired boiler heating system, the operating costs were reduced by 39.82% and 56.17%, respectively, and the energy efficiency, safety, and thermal comfort were improved.

air source heat pump; radiant floor heating; application test

0253- 4339(2017) 04- 0031- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.031

2016年10月23日

TU832.1+5; TQ051.5

： A

王铁军，男，教授，合肥工业大学制冷与空调技术研究所所长，13905510159,E-mail:wtj555@sina.com。研究方向：制冷空调系统节能与能源综合利用。