空气源热泵直接地板辐射供暖实验研究

空气源热泵直接地板辐射供暖实验研究

0热空气地板辐射供暖随着能源环境问题日益严重，“三公”计划提出“单位gdp能耗降低约20%”的节能目标和“主要污染物排放降低10%”的削减目标。建筑供暖作为能源消耗和环境污染大户,其能耗占我国建筑能耗的50%以上,是落实节能减排目标的重要领域之一。低温地板辐射供暖通过以辐射为主的换热方式向室内供暖,室内卫生,舒适性强,比传统供暖方式节能20%～30%。按供热热媒划分,地板辐射供暖主要有热空气、电热和热水三种形式。文献通过理论和实验研究了热空气地板辐射供暖的可行性,得出采用热空气地板辐射供暖,有效传热面积大,但传热效率低的结论。电热地板辐射供暖热惰性小,调节计量方便,但存在耗电量大、加大电网峰值负荷等缺陷。文献提出了新型相变储热电热地板辐射供暖系统,实验研究证明该系统能有效实现电力移峰填谷,但其成本较高,且一次转换效率低。热水地板辐射供暖目前发展最为成熟,相关研究包含传热机理、热舒适性等各方面。但以水为热媒,需要对水进行二次换热,供热输配循环水泵电耗约占供热系统总电耗的40%。文献通过采用优化设计调节循环水泵、在供热水中添加减阻剂和添加含相变材料的“功能热流体”来降低输送能耗,但其供热稳定性、热媒传热等技术性问题均需进一步研究解决。针对以上问题,笔者搭建了以制冷剂作为热媒的空气源热泵直接地板辐射供暖系统实验平台,着重研究了连续性供暖工况下,空气源热泵的运行特性和系统能耗,对比分析了不同管间距地板辐射供暖的效果及其影响因素,基于实验数据,综合比较分析了不同地板辐射供暖系统的经济性,为空气源热泵直接地板辐射供暖系统设计、运行提供参考依据。1实验与研究1.1地板盘管铺设空气源热泵直接地板供暖实验系统如图1所示,包含1台数码涡旋空气源热泵机组,2台风机盘管和2个地板辐射供暖房间。实验房间朝北向,建筑面积为82m2,墙体为240mm厚空心砖墙,窗户为铝合金单层玻璃窗,相邻房间均为供暖房间。实验用房分割成3个小房间,房间1,2采用地板供暖,每个小房间尺寸相同(4.8m×3.6m×3.5m)。其中房间1北墙为外墙,其窗墙比为0.4;房间2四面均为内墙;房间3采用风机盘管供暖。采用数码涡旋多联式空气源热泵机组作为冷热源,额定制冷量12kW,热泵运行额定制热量13kW,制冷剂为R22,系统充注量为12.6kg。热泵机组数码涡旋压缩机的操作分为负载状态和卸载状态,通过外部脉宽调节电磁阀控制动静涡旋盘周期性啮合与分离实现。电磁阀常闭时,压缩机传递全部容量和制冷剂流量;电磁阀通电时,动静涡旋盘脱离,压缩机卸载,无容量和制冷剂流量通过压缩机。通过控制电磁阀通电时间,改变负载和卸载时间,压缩机负荷可在10%～100%范围内进行无级变容。基于这种独特运行特性,数码涡旋压缩机无需油分离器或回油循环,所以用于地板辐射供暖时,系统不存在管路回油问题。地板构造如图2所示。铺设时采用湿式施工,盘管采用分组直列型布置,进出管路采用同程设计,房间1的管间距为150mm,房间2为100mm。为保证系统承压能力和制冷剂泄漏安全性,在地板盘管安装过程中严格要求,并采取以下措施:1)选用优质管材,管材为∅8mm×0.75mm无缝钢管;2)在地板盘管铺设过程中,管道弯管处半径大于10倍管外径,且保证无硬折弯;3)施工验收采用气压试验检测系统气密性,确保系统无漏点。1.2测试方法及数据采集实验测试内容主要分两部分:空气源热泵特性和供暖房间热环境。连续性供暖实验进行时,设定地板表面温度25℃为数码涡旋空气源热泵负荷调节点,室内环境温度利用室内中心线距地板0.75m高处的测点实测。采用Pt100热电阻测试温度,铂电阻测温范围为-200～200℃,精度等级0.1级,其延长导线采用三线制屏蔽线,测试前均经过恒温水浴标定。采用PT4-30S型压力传感器测试压缩机进出口、室内地板盘管进出口压力,测量范围为0～3MPa。所有温度、压力数据通过XSL智能巡回检测仪采集并实时显示记录,采集间隔1s。利用TES-1365型数字记录式温湿度计自动记录室外温湿度。采用DTS-8666三相四线有功电表测量系统电耗。2结果分析2.1热泵压缩机回收体温度变化图3显示了空气源热泵直接地板辐射供暖系统开机预热到连续稳定运行的供热特性。该图数据为2008年12月31日13:13-22:25的实测数据,当时室外温度to约为3℃,相对湿度φ为10%～32%。热泵开机后,地板盘管制冷剂R22进、出口温度tin,tout快速升高,地板升温迅速;经过80min后,地板盘管R22进口温度tin达到67℃,出口温度tout为33℃,地板表面温度tf达到设定温度25℃,室内温度ti为19.7℃,此时R22进、出地板盘管温差Δt达到最大值34℃。考虑地板表面辐射温度要求和混凝土地板传热温差,降低数码涡旋热泵压缩机负荷到40%,经多次实验发现,室内供热达到稳定状态时,地板表面温度为26.5℃,室内温度为21.8℃,波动分别为0.2℃,0.3℃。图4显示了600s时间内,热泵压缩机40%负荷供热工况下,吸气温度ts,排气温度te,地板盘管进出口温度tin,tout及地板盘管进出口温差Δt的变化曲线。从图4可以看出,当热泵在40%负荷工况下制热,连续供热稳定运行时,压缩机周期性负载,空气源热泵压缩机排气温度呈周期性变化,变化范围为65.1～69.4℃;而吸气温度为2.5～3℃,地板盘管进口温度为41.7～42.5℃,地板盘管出口温度为27.6～28.1℃,波动很小,地板盘管进出口温差Δt稳定在14.5℃左右。由图4还可以看出,一方面由于空气源热泵直接地板辐射供暖系统制冷剂R22充注量大,而且数码涡旋压缩机负荷调节周期较短,一般小于18s,使得供暖运行地板盘管R22进、出口温度波动很小,供回温差稳定;另一方面,相比传统热水地板辐射供暖系统,空气源热泵直接地板辐射供暖系统采用小管径管路,管路中R22流量较小,而地板盘管R22进出口温差较传统热水地板辐射供暖供回水温差大5℃左右,可见采用制冷剂作为热媒供热,单位制热量远远大于水。实验证明利用制冷剂代替传统热水作为热媒进行地板供暖,运行工况稳定,地板供暖房间温度能很好地满足室内热舒适性要求。2.2围护结构对地板供暖的影响图5所示为管间距分别为150mm和100mm的两个不同围护结构供暖房间1和2的连续24h供暖室内热环境特性(测试时间为2009年1月11日)。由图5可见,在地板盘管进出口制冷剂供热温差相同情况下,房间2室内供暖基本不受室外环境影响,地表温度为26.45～27.17℃,室内空气温度为22.65～23.1℃,温度波动分别为0.7℃和0.5℃;房间1(一面为外墙且窗墙比为0.4)地板供暖随室外温度变化较明显,地表温度在24.14～25.14℃,室内空气温度为20.05～21.15℃,波动分别为1℃和1.1℃,可见围护结构对地板供暖影响较显著。由图5还可得房间1(盘管间距150mm)地表温度比房间2(盘管间距100mm)低2℃左右,但地表温度仍在24℃以上,室内温度也一直在20℃以上,完全满足低温地板辐射供暖设计要求。另一方面,研究证明采用地板辐射供暖房间的供暖温度降低2℃,节能效益可达11.4%,因此采用150mm管间距铺设地板盘管,可以大大降低系统管路长度,减少系统阻力,改善空气源热泵运行特性,而且在满足室内供暖需求下更具有节能效益。2.3可实现可持续经济经济原则的比较数码涡旋空气源热泵直接地板辐射供暖系统,可以采用连续供暖方式和间歇供暖方式。考虑到连续供暖运行费用较高,根据居民作息时间安排,设计了分时段间歇运行模式(01:00—05:00,09:00—13:00,17:00—21:00),并对两种模式的能耗进行了测量,测得连续性供暖能耗为34.8kWh,间歇供暖能耗为23.4kWh。在满足热舒适性要求的前提下,采用间歇运行模式供暖可节能30%以上。表1为各种地板辐射供暖系统综合费用比较。从表中可看出,数码涡旋空气源热泵直接地板辐射供暖系统,在保证舒适性条件下,一次投资明显低于电热和空气源热泵热水地板辐射供暖系统,高于集中供热系统;运行费用(按实验实测能耗计算)与集中供热系统、空气源热泵热水地板辐射供暖系统基本相当,明显低于电热地板辐射供暖系统。本实验采用的数码涡旋压缩机额定制热负荷大,而地板供暖房间地板铺设面积较小,围护结构保温性能较差,且数码涡旋压缩机在40%负荷下运行。研究表明数码涡旋压缩机在70%～100%运行时系统COP最高。因此,通过加强围护结构保温性能,合理匹配运行负荷与地板供热面积,数码涡旋空气源热泵运行能效比将更大,系统能耗将更低。再者,夏季可采用空气源热泵作为空调冷源,提高设备利用率,减少供暖、空调系统的设备初投资,同时电力初装费只一次性计入,且采用制冷剂为热媒,具有显著的节水效益,使得一次投资的经济性得以进一步提高。综合比较初投资和节能环保效益,空气源热泵直接地板辐射供暖系统明显优于集中供热和电热地板辐射供暖系统,经过优化设计后也将表现出优于空气源热泵热水地板供暖系统的经济特性。同时,采用制冷剂为热媒的直接地板辐射供暖系统存在管道安装要求高,特别是制冷剂防漏,控制策略复杂等局限因素,通过进一步优化提高系统稳定性和安全性,将具有更好的推广应用前景。3空气源热泵直接地板辐射供暖重要影响因素3.1采用制冷剂为热媒的空气源热泵直接辐射供暖系统,在连续性供暖运行工况下,空气源热泵压缩机周期性负载运行,地板盘管进出口温度、进出口温差均比较稳定。在郑州地区冬季条件下,室内连续供暖达到稳定状态时,地板表面温度达到26.5℃,室内温度为21.8℃,波动分别为0.2℃和0.3℃,完全满足室内供暖设计要求。3.2空气源热泵直接地板辐射供暖预热时间短。热泵开机后,地板盘管R22进出口温升迅速,升温时间约为80min。3.3建筑围护结构的保温性能、窗墙比、地板盘管的管间距等是影响地板辐射供暖的重要因素。在相同热泵连续性供暖条件下,地板辐射