許可，王樹剛，蔣爽，張騰飛

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

空氣源熱泵用于低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的模擬研究

許可，王樹剛*，蔣爽，張騰飛

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

低溫熱水地板輻射供暖具有舒適、節(jié)能和節(jié)省空間等優(yōu)勢?？諝庠礋岜靡云涓咝?、穩(wěn)定及其與前者的良好匹配性被認為是低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的理想熱源。空氣源熱泵與地板輻射供暖系統(tǒng)相結(jié)合能充分利用圍護結(jié)構(gòu)及地板各構(gòu)造層等蓄熱體的蓄熱特性，減小環(huán)境溫度變化對空氣源熱泵制熱性能的影響。本文利用TRNSYS和EES軟件建立某高層建筑以空氣源熱泵為熱源的低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真模型，模擬結(jié)果與文獻報道的實驗數(shù)據(jù)取得了較好的一致性?；诘匕遢椛涔┡到y(tǒng)的蓄熱特性，本文提出電力負荷波峰波谷分時段運行控制策略，可避開空氣源熱泵運行的不利工況以提高制熱效率。針對波峰波谷分時段運行及全波谷運行這兩種模式，比較供暖房間溫度及運行費用的模擬結(jié)果表明，波峰波谷分時段運行模式優(yōu)于全波谷運行模式。

地板輻射供暖；空氣源熱泵；TRNSYS；模擬

0 引言

目前我國民用建筑能耗占社會商品能源總消費量的20%以上，其中供暖能耗占民用建筑總能耗的56%～58%[1]。在眾多供暖方式中，低溫地板輻射供暖通過以輻射為主的換熱方式向室內(nèi)供暖，因其室內(nèi)衛(wèi)生、舒適性強、比傳統(tǒng)供暖方式節(jié)能20%～30%等優(yōu)勢[2]，得到了廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋岜靡云淝鍧?、高效、穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域，但其冬季制備的低溫熱水在以風(fēng)機盤管為末端的傳統(tǒng)空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中難以發(fā)揮出令人滿意的供暖效果[3]。而低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)是以低溫熱水（一般在40℃～45℃左右）作為供暖介質(zhì)，這恰好是空氣源熱泵的理想工況，因此理論上選用空氣源熱泵作為低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的熱源優(yōu)于加熱電纜、燃油、燃氣鍋爐和集中供熱等傳統(tǒng)熱源[4]。一些學(xué)者對空氣源熱泵用于低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)已展開研究。陳顯斌等[5]針對夏熱冬冷地區(qū)氣候特點，分析了空氣源地板輻射供暖系統(tǒng)在這類地區(qū)運用的優(yōu)勢、選型及存在問題。王恩丞等[3]以上海地區(qū)的一棟獨立別墅住宅為對象，通過實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行分析得出：系統(tǒng)受空氣源熱泵周期性除霜的影響甚微，但受室外氣溫影響較大。付祥釗等[6]基于夏熱冬冷地區(qū)空氣源熱泵與地板供暖聯(lián)合系統(tǒng)的實驗結(jié)果得出：利用地板供暖系統(tǒng)的蓄能特性，采用夜間運行、白天停機的運行模式，對電網(wǎng)負荷可起到削峰填谷的作用，但由于夜間氣溫較低，必然導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率下降。曾章傳等[4]針對空氣源熱泵制冷劑做熱媒的地板輻射供暖系統(tǒng)建立熱力分析模型，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，計算分析了系統(tǒng)能效比和各組成部件損失。目前研究者主要從實驗角度研究空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的運行規(guī)律，對系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析較少，而對于系統(tǒng)控制策略與建筑系統(tǒng)的匹配性、運行經(jīng)濟性及其可行性等方面，數(shù)值模擬方法比試驗方法更加方便可行。

從地板輻射供暖的傳熱方式來看，其中輻射熱流占總熱流的50%～60%，輻射熱量首先被墻體吸收并儲存在墻體及家具內(nèi)，故地板輻射供暖系統(tǒng)具有良好的蓄熱性能[8]。地板輻射供暖系統(tǒng)可以采用連續(xù)運行模式和分時段連續(xù)運行模式，由于連續(xù)運行模式費用較高[3]，因此可利用地板輻射供暖系統(tǒng)良好的蓄熱性能結(jié)合用戶的居住習(xí)慣進行間歇供暖，在保證室內(nèi)熱舒適性條件下，一方面可降低運行費用，另一方面可避開空氣源熱泵運行的不利工況以提高制熱效率。因此，本文利用EES和TRNSYS仿真平臺建立以空氣源熱泵為熱源的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)仿真模型，研究間歇運行控制策略可行性及經(jīng)濟性。

1 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)描述

空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機組和地板輻射盤管組成?？諝庠礋岜脵C組，以制冷劑為載體，通過消耗少量電能將室外空氣中低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能。地板輻射盤管是埋設(shè)于樓板上部的碎石混凝土或水泥砂漿層內(nèi)的盤管，以整個或部分地面作為散熱面，其散熱形式主要以輻射為主。系統(tǒng)供暖運行時，地板盤管循環(huán)水與經(jīng)過壓縮機壓縮的制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)進行換熱后進入地板盤管進行供熱。

圖1 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)的仿真模型

2.1 空氣源熱泵模型和除霜模型描述

熱泵模型及相應(yīng)控制程序用EES（Engineering Equation Solver）軟件編寫。EES是一款方程組求解軟件內(nèi)置了很多對工程計算非常有用的數(shù)學(xué)和熱物性函數(shù)，同時支持用戶用類似于Pascal和Fortran語言編寫函數(shù)和子程序。機組的最大制熱量及輸入功率由生產(chǎn)商提供的機組測試數(shù)據(jù)擬合而來：

式中：

式中：

熱泵性能曲線只能用于穩(wěn)態(tài)條件，在熱泵開機后，機組首先被加熱，蒸發(fā)器和冷凝器間的壓力差開始建立。這個過程中將導(dǎo)致機組的供熱量衰減，需要對性能曲線值進行修正。這里采用經(jīng)驗公式對機組的最大制熱量進行修正，在計算模型中將考慮機組開關(guān)機造成的性能衰減[9]。

此外室外機從環(huán)境大氣中取熱，會導(dǎo)致室外機盤管表面結(jié)霜影響機組制熱效率，因此空氣源熱泵機組會周期性地進行(2～5)分鐘的除霜循環(huán)。除霜方法為逆向除霜，利用高溫高壓制冷劑流經(jīng)室外機盤管來融霜，這會導(dǎo)致機組整體制熱性能的降低。本模型利用文獻[10]中的經(jīng)驗公式對機組的出口水溫進行修正。

當環(huán)境溫度低于7℃和高于7℃時，制熱性能系數(shù)(COP)衰減值分別如公式(4)和公式(5)所示：

式中：

機組實際制熱量的計算如公式(6)～(8)所示：

式中：

2.2 負荷、末端裝置及相關(guān)部件模型描述

能量消耗模型、末端裝置及相關(guān)循環(huán)控制模型由TRNSYS（Transient System Simulation）軟件建立。TRNSYS是模塊化的動態(tài)仿真程序，即認為一個系統(tǒng)由若干個小系統(tǒng)（即模塊）組成，一個模塊實現(xiàn)某一特定的功能，因此，在對系統(tǒng)進行模擬分析時，只要調(diào)用實現(xiàn)這些特定功能的模塊，給定輸入條件，就可以對系統(tǒng)進行模擬分析。

圖2為空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)運行流程圖。系統(tǒng)所用到的TRNSYS部件由5個部分組成，詳述如下。

圖2 空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)仿真程序流程圖

1）熱源部分：EES調(diào)用器Type66a、延遲輸入控制器Type661。

2）末端裝置及水循環(huán)系統(tǒng)：水泵Type114、集水器Type649、分水器Type647、地板輻射盤管系統(tǒng)采用建筑熱性能模塊Type56中的active layer。active layer是一個可以被整合入圍護結(jié)構(gòu)中的管網(wǎng)系統(tǒng)（用戶可以對管壁厚度、管間距、管壁導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置），作為該模塊中調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的一個單元。

3）氣象數(shù)據(jù)輸入：TMY2氣象數(shù)據(jù)讀數(shù)器Type109、濕度計算Type33e、溫度計算Type69b。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：逐時室溫及機組制熱COP由Type65c采集，熱泵機組及水泵能耗由積分器Type24統(tǒng)計。

5）建筑物負荷模擬：建筑物負荷模擬采用多區(qū)域建筑模塊Type56a，該模塊允許用戶根據(jù)實際建筑情況建立模型。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

本研究的空氣源熱泵模型的機組名義制熱工況[7]為進水溫度40℃，出水溫度45℃，室外環(huán)境干/濕球溫度為7℃/6℃，額定供熱量為10.5 kW，機組輸入功率為3.4 kW（含壓縮機和室外盤管換熱風(fēng)機功率）。熱源與地板盤管之間設(shè)置定頻水泵1臺，水泵揚程為11.5 m，流量為1.68 m3/h，輸入功率為340 W?？諝庠礋岜弥苽涞牡蜏責崴ㄟ^分水器進入室內(nèi)各房間的地板盤管進行放熱，然后流回集水器進入空氣源熱泵冷凝器再次被加熱。為保證供水溫度不超過舒適溫度，對冷凝器出水溫度進行調(diào)控，控制系統(tǒng)電功率為73 W。

3.2 模擬建筑概況

模擬建筑取自文獻[6]，位于重慶市區(qū)一幢高層住宅樓的中部（第17層）。該建筑為剪力承重結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆樓板，塑鋼單層玻璃窗，外墻傳熱系數(shù)為2.67 W/(m2·K)。表1是各房間相關(guān)參數(shù)。該供暖地板從上至下各構(gòu)造層依次為8 mm厚強化木地板，2 mm厚柔性墊層，30 mm厚水泥砂漿埋管填充層，50 mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，120 mm厚鋼筋混凝土樓板層。模擬過程中各熱水回路流量保持不變，客廳為400 L/h，主臥室為420 L/h，書房及次臥室共為380 L/h，廚房及客廳北部共為360 L/h，總流量為1560 L/h。整套住宅只有1人，照明總功率為18 W，無其他內(nèi)熱源，相鄰住戶室溫12℃。

表1 圍護結(jié)構(gòu)說明

3.3 模擬值與實驗值的比較

模擬房間的初始溫度為15℃，系統(tǒng)首先進行8小時的不間斷運行，圍護結(jié)構(gòu)及室溫平緩上升后，進入有控制運行模式。設(shè)定供水溫度為42℃～46℃。圖3和圖4分別為客廳和廚房于12月28日至次年1月8日的實驗及模擬數(shù)據(jù)。對比分析可知，書房室溫的模擬值略高于實驗值，而在客廳兩者吻合較好，原因是室內(nèi)的通風(fēng)氣流首先從書房進入，流經(jīng)客廳由廚房排出，引起測試期間書房室溫實驗平均值比客廳低2.5℃左右。而模擬中沒有考慮通風(fēng)氣流流向?qū)κ覝氐挠绊?，所以書房與客廳室溫的模擬值相差不大。

圖3 書房室溫的實驗值和模擬值

圖4 客廳室溫的實驗值和模擬值

圖5為空氣源熱泵停機后，客廳及書房室溫下降情況的實驗及模擬數(shù)據(jù)。該供暖系統(tǒng)停機24 h后，平均室溫的實驗值與模擬值分別下降了2.25℃和2.29℃，平均每小時分別下降0.093℃和0.095℃。模擬數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)一致性較好。

圖5 停止供暖后室溫的下降情況

3.4 波谷運行的經(jīng)濟性及運行效果

供暖系統(tǒng)停止后室溫緩慢下降的情況顯示出地板供暖系統(tǒng)良好的蓄熱性能。地板供暖系統(tǒng)中的熱水主要通過輻射方式將熱量傳遞給室內(nèi)墻體，同時加熱地板下的各構(gòu)造層，這些蓄熱體在供暖系統(tǒng)停止運行室溫下降后，會將熱量釋放出來減緩室溫的進一步降低?？梢岳么颂攸c改變機組的運行模式，電力負荷低谷期間運行，電力負荷高峰時停機，由圍護結(jié)構(gòu)等蓄熱體儲存的熱量來維持室溫。

圖6為1月10日到1月12日波谷運行、波峰關(guān)機的平均室溫模擬結(jié)果。設(shè)定供水溫度為33℃～46℃；機組從1月10日22點開機，運行8個小時到1月11日6點停機；從1月11日22點開機，運行8個小時到1月12日6點停機。由TRNSYS積分器模塊統(tǒng)計的總耗電量為66.41 kWh，平均每小時耗電量為4.15 kWh，室內(nèi)溫度日波動為1.6℃。這種運行模式在實行峰谷分時電價的地區(qū)運行費用的降低將更為顯著。假定波谷電價每度電0.307元，則150 m2建筑每月供暖費用大約是305元。

圖6 波谷運行模式室溫變化情況

3.5 分時段運行的經(jīng)濟性及效果分析

由于空氣源熱泵的制熱性能及運行效率受外界環(huán)境的影響較大，機組的制熱量和COP會隨著空氣溫度的降低和供水溫度的升高而衰減。而波谷運行模式大部分時間在深夜，此時正是全天溫度最低的時段，也是整個系統(tǒng)運行效率最低的時段。因而對于以空氣源熱泵為熱源的地板輻射供暖系統(tǒng)來說，供電波谷全時段運行并不合理，尤其對于冬季晝夜溫差很大的寒冷地區(qū)。因此，考慮到普通居民的作息時間安排，同時兼顧波谷運行的經(jīng)濟性和波峰運行的高效性，本文采用了一種分時段的連續(xù)運行模式，即白天選擇環(huán)境溫度較高的時段運行一段時間，同時減少夜間的開機時間。

圖7為1月11日到1月13日分時段運行的平均室溫模擬結(jié)果。設(shè)定供水溫度為33℃～46℃；機組從1月11日2點開機，運行4個小時到1月11日6點停機；從1月11日12點開機，運行3個小時到1月11日15點停機；從1月12日2點開機，運行4個小時到1月12日6點停機；從1月12日12點開機，運行3個小時到1月12日15點停機。模擬計算總耗電量為47 kWh，波谷耗電量為26.51 kWh，波峰耗電量為20.2 kWh。波谷平均小時耗電量為3.31 kWh，平均制熱COP為3.3，波峰平均小時耗電量為3.35 kWh，平均制熱COP為3.5。室內(nèi)溫度日波動為1.1℃。假定居民分時電價為早6點至晚22點每度電0.617元、晚22點至次日6點每度電0.307元，則150 m2建筑每月供暖費用大約是308元，與波谷運行模式相當。此種運行模式增加了機組白天開機時間。由于白天環(huán)境溫度較高，機組制熱效率高，同時這種分時段運行模式減小了室內(nèi)的溫度波動，提高了舒適性。

圖7 分時段運行模式室溫變化情況

4 結(jié)論

基于EES建立的空氣源熱泵瞬態(tài)仿真模型，能夠反映機組開關(guān)機時段制熱量的衰減，亦能利用除霜對COP影響的經(jīng)驗公式對冷凝器出口水溫進行修正。通過TRNSYS建立包含室外氣象數(shù)據(jù)輸入、建筑熱性能模塊及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真模型，進而利用TRNSYS內(nèi)置的EES調(diào)用模塊，與空氣源熱泵瞬態(tài)仿真模型建立連接，構(gòu)成一個整體模型；并利用文獻報道的實驗數(shù)據(jù)對模型進行部分驗證，相應(yīng)的模擬結(jié)果與文獻報道的實驗數(shù)據(jù)取得了較好的一致性。

針對某高層150 m2居室，對空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)在波峰波谷分時段和全波谷時段兩種運行模式的供暖效果及運行費用進行模擬。結(jié)果表明波谷運行和波峰波谷分時段運行模式都能滿足舒適性需求，二者的月供暖費分別是305元和308元，數(shù)值接近；但對于波峰波谷分時段運行模式，由于增加了機組白天的運行時間，從而提高了機組制熱效率、減小了室溫的波動、提升了舒適性。

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Simulation Research on Low Temperature Hot Water Floor Radiant Heating System with Air Source Heat Pump

XU Ke, WANG Shu-gang*, JIANG Shuang, ZHANG Teng-fei
(Faculty of Infrastructure engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

Low temperature hot water floor radiant heating has advantages of being comfortable and saving energy and space. The air source heat pump is believed to be an ideal heat source of the low temperature hot water floor radiant heating system because of its high-efficiency, stability and good matching with the floor radiant heating system. The combination of air source heat pump and floor radiant heating system may make full use of the heat storage capacity of the enclosure and each structural layer of the floor, which reduces the influence of environment temperature changes on the heating performance of the air source heat pump. In this paper, a transient simulation model of low temperature hot water floor radiant heating system with an air source heat pump for a high-rise building was developed by using TRNSYS and EES software, and it has a good agreement with the reported experimental data. Peak and off-peak intermittent running control strategy was presented here based on the heat storage properties, which can improve the heating efficiency through avoiding bad working conditions of the air source heat pump. By comparing the heating room temperature and operation cost of two kinds of operation modes, i.e., peak and off-peak intermittent operation and off-peak running, the former is better than the latter.

Floor radiant heating; Air source heat pump; TRNSYS; Simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.103

*王樹剛（1963-），男，教授。研究方向：熱泵空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：大連市凌工路2號大連理工大學(xué)四號實驗樓433室，郵編：116024。聯(lián)系電話：0411-84706407。Email：sgwang@dlut.edu.cn。

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目 (No. 20120041110006)

本論文選自2013中國制冷學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文。