崔明明 马国远 曹瑞林 党鹏飞 许树学
1. 北京工业大学 北京 100124；
2. 中国家用电器研究院 北京 100037
我国建筑能耗占社会总能耗的30%，其中占比最大的采暖和空调占建筑总能耗的50%以上[1]。采用燃烧矿物燃料的方式，致使每年产生数千万吨的粉尘和各类污染物，严重影响经济可持续性发展和人们的身体健康[2]。推动采暖设备的节能改造已成为实现低碳发展的重要研究方向。现有家用热泵空调系统，较为常用的末端包括强制对流换热和自然对流。其中，强制对流换热单元存在吹风感强、噪声大以及垂直温度梯度大等问题，采暖体验较差。
针对以上问题，研究者提出了自然对流供暖末端，舒适性得以提高。自然对流供暖末端包括散热器、毛细管网末端等，与传统空气源热泵室外机结合，具有能耗降低、舒适性提高的效果[3]。自然对流换热末端的研究主要有三个方向：散热器、毛细管网以及热管。Kang Weibin等人介绍了一种结合太阳能和相变储热（PCTS）的毛细管辐射终端，并进行了实验研究，结果显示该系统能够满足室内供热需求，热舒适度可达A级[4]。周斌等人对上海地区某办公建筑空气源热泵散热器供暖系统进行了研究，结果表明，该供暖系统的COP约为1.81，室内平均温度为21℃；
与常规供暖系统相比，空气源热泵散热器供暖方式的系统制热COP偏低，但室内温度较稳定，竖直温差较小，温升速率较慢[5]。但是现有的自然对流换热末端都有各自的不足。散热器供暖具有COP偏低、温升速率较慢的缺点；
毛细管网供暖则因其存在结露和供冷能力不足的问题，很难在高温高湿地区应用。而针对目前强制对流换热末端所存在的舒适性缺点以及自然对流换热末端很难满足所有应用场景的问题，地板辐射采暖成为了新的研究方向。
地板辐射采暖相较于传统的取暖方式，室内温度分布均匀，局部温差小，具有舒适、节能等特点，能够充分利用工业余热、建筑废热等低品位能源[6,7]。徐维提供了一种以空气源热泵制取热水，地板埋管为末端的冬季采暖方式，并对其进行了为期93天的实地测试。结果显示：室内0.1 m、1 m、1.5、2 m高度处温度的平均值分别为20.48℃、19.26℃、18.75℃、18.01℃，呈现相对稳定的下暖、上凉的温度场[8]。而直接地板辐射采暖相较于普通地板辐射采暖又省去了二次换热过程，在很大程度上提高了热泵能效[9]。魏新利等人建立了以制冷剂为热媒的空气源热泵直接地板辐射供暖系统实验平台。结果表明，在郑州地区冬季条件下，地板辐射供暖地表温度达到26.5℃，室内温度维持在21.8℃，波动分别为0.2℃和0.3℃，空气源热泵直接地板辐射供暖预热时间80 min[10]。黄灵世等人对多功能多联式一体机进行地暖实验，对舒适性指标以及热阻、水流速和室内设定温度对耗电量的影响进行了研究分析，并提出了一种节能运行模式[11]。李永斌运用动态投资管理原理对空气源热泵直接冷凝式地板辐射供暖系统进行了经济对比分析。结果表明，系统COP为3.36，能效较高，且系统初投资为30.14万元，年运行费用为1.19万元，相比于常规集中供暖系统具有一定经济性优势。而相比于分体式空调以及电加热采暖，系统初投资及运行费用都较高[12]。但直供式地板供暖的舒适性高于上述两种系统。综合来看，直接地板辐射采暖系统具有经济、环保、舒适性上的独特优势。
同时，空气源热泵在低温高湿环境下运行制热工况时，存在其室外空气侧翅片管换热器表面结霜这一难题。郭宪民等人对结霜工况下空气源热泵的动态特性进行了数值模拟，并在室外环境空气温度及相对湿度分别为-15℃～3℃和50%～90%范围内对一台空气源热泵空调器的动态性能进行了实验研究，结果表明，在室外换热器表面结霜的初始阶段，热泵系统的制热量及性能系数均有所提高，但在结霜的后期，热泵性能迅速衰减[13]。国内外学者对此做出了很多研究，除霜方式主要分为机械除霜以及热力除霜，机械除霜包括机械刮除、高压气流喷扫、超声波破碎等，热力除霜方法包括压缩机停机除霜、电加热除霜、热水喷洒除霜、热气旁通除霜以及逆循环除霜等。其中逆循环除霜具有系统改造简单、除霜时间短、除霜效率高、不需要外加辅助热源等诸多优点，其已成为空气源热泵应用最为广泛的除霜方法[14]。
针对目前空气源热泵直接地板辐射采暖系统所存在的系统性能标准不明确以及工程实践稀少、实地测试数据较少的问题，本文设计并搭建了空气源热泵直接地板辐射采暖实验系统，并对其在不同环境温度下的运行特性、能效以及保温效果进行了实验研究，侧重于分析地板直接供暖系统的热工性能，为地板辐射采暖系统的设计及推广应用提供参考。
1.1 实验原理
空气源热泵直接地板辐射采暖系统原理如图1所示。分为供暖房间和空调室外机两部分。包括压缩机、电磁阀、冷凝器（地暖盘管）、流量计和蒸发器等。制冷剂经压缩机1后成为高温高压气体，经电磁阀2进入地暖盘管3冷凝放热供暖，而后流经节流装置5进入室外蒸发器6，吸热变为低温低压气体流回压缩机完成循环。
图1 空气源热泵直接地板辐射采暖系统图
1.2 实验设备
为减小焓差室内的风机影响，采用彩钢板搭建了2.5 m×4 m×2.2 m的封闭实验房。实验房的地板结构如图2所示。地板构造包括聚苯乙烯隔热板，地暖专用反射膜，混凝土填充层，水泥地面。图3所示为地暖盘管铺设现场图片。其中，绿色管路即为地暖盘管，下方银色膜为地暖专用反射膜。本实验系统空气源热泵室外机采用的是市场成品外机，其主要参数如表1所示。此外，实验所用到的测量仪器有热电偶、压力传感器、功率计和流量计，其量程及精度范围如表2所示。且根据误差分析，实验的不确定度为1.69%。
图2 地板构造结构图
图3 地暖盘管铺设图
表1 热泵室外机主要参数
表2 测量仪器及精度
2.1 测点分布
需要直接测量的数据主要有功率、温度、压力以及制冷剂流量。温度测量采用10个热电偶，分别为房间内部中心垂直分布的五个测点，地面对角线两个测点以及冷凝器进出口温度和吸气温度。房间内部垂直温度测点如图4所示。压力传感器共3个，分别设置于冷凝器进出口和压缩机进口处。用流量计对冷凝器出口处制冷剂流量进行实时记录。
图4 室内温度测点图
2.2 实验方法
调节室外侧环境温度为-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃，房间内温控器设置为20℃。具体实验步骤如下：①启动焓差室并将室外侧环境温度稳定为所需温度；
②启动计算机自动数据采集系统，设置数据采集时间间隔为10 s，设置房间内温控器为20℃，开启地暖系统；
③室内温度稳定在20℃左右半小时以上后，重新启动计算机自动数据采集系统并关闭地暖系统，采集停机后数据；
④整理分析数据。
2.3 系统性能系数计算
系统COP为地暖盘管供热量Q与压缩机功率之比，其中地暖盘管供热量Q由制冷剂质量流量qm与制冷剂进入地暖盘管前后焓差乘积得到。而制冷剂质量流量qm则由流量计测得的制冷剂体积流量qv与相应温度和压力下查得的制冷剂密度乘积得到。
3.1 室内温度变化情况
图5 和图6分别为室外侧温度-10℃时，室内温度随时间变化图和稳定后室内温度分布图。图5中室内温度由房间内部中心垂直分布的五个测点温度求平均数得到。由图5可以看出，温度上升速率呈现递减趋势，随着室内温度的升高，温度上升的速率越来越慢，直到最后在20℃上下震荡并趋于稳定，系统供暖预热时间为120 min。由图6可以看出，地暖系统也有其采暖优势，室内垂直温度分布均匀。除距地面5 cm处温度较高外，其余四个高度的温度大致相同，热舒适性较好。由此工况下的温升效率和预热时间可以推断，当室外环境温度变化时系统趋势是不变的，预热时间会有一定波动，但时间仍相对较短，能够满足一般家庭用户供热需求。同时不同工况下室内温度分布有小幅波动，但整体均匀性不会改变，室内热舒适性良好。
图5 室外温度-10℃时室内温度随时间变化图
图6 0℃稳定状态下室内温度分布图
3.2 能效分析
图7为室外环境温度-10℃系统能效随时间变化图。地暖系统启动后，压缩机功率以及制热量逐步上升。压缩机功率在系统运行120 min左右后稳定，随后制热量在150 min左右逐步稳定。同时，系统瞬时COP随功率上升而逐步下降，在系统运行120 min左右后保持稳定。出现这种现象的原因是，系统开机后室内温度较低，负荷大，故变频压缩机频率增大从而使得功率不断上升带动制热量不断上涨。随之上升整个运行时间内，地暖系统COP保持在3.6～4.0之间，且最终稳定在3.65左右。通过随时间变化图的分析可以看出，随着地暖系统开机后压缩机功率的上涨，系统COP下降并最终趋于稳定。
图7 -10℃系统制热量/功率/COP随时间变化图
为研究不同室外环境温度下实验系统的运行能效，在只改变环境温度的条件下进行了五组对比实验，图8和图9分别为不同室外温度系统稳定状态下制冷剂流量对比图和能效对比图。室外环境温度越高，系统制热量越低，COP越高。随着室外环境温度的提升，地暖系统稳定后功率和制热量呈现稳步下降的趋势，而COP呈现上升趋势。随着室外温度的提升，整个系统的负荷下降，变频压缩机自行降低输出频率使得压缩机功率降低，制热量随之降低。同时，制热量降低幅度小于功率降低幅度，故系统COP随温度上升而上升。室外温度-10℃时系统稳定功率约为1.62 kW，COP约为3.65；
室外温度10℃时系统稳定功率约为1.24 kW，COP约为4.25。在我国大部分地区，-10℃已经是冬季较低气温，而在此温度下，空气源热泵直接地板供暖系统的COP仍能保持在3.6以上，说明系统性能优秀，能效较高。而环境温度更高时，系统COP也随之升高，系统能效提升。说明空气源热泵直接地板供暖系统能够满足我国大部分地区的冬季供暖需求。
图8 不同室外温度制冷剂流量对比图
图9 不同室外温度系统制热量/功率/COP对比图
3.3 蓄热效果分析
地暖系统相较于其他方式的优势之一是其具有一定的蓄热效果，在停机后室内温度仍可保持一段时间，温度降低速率较慢。为研究地暖系统的蓄热效果，在地暖系统将室内温度升至20℃稳定后关闭系统，记录关机后室内温度及地面温度变化。图10为室外温度0℃时关机后室内温度与地面温度随时间变化图。其中，室内温度取五个测点的平均温度为特征温度，地面温度则由两个地面测点求平均数得到。
图10 0℃系统关机后地面和室内温度随时间变化图
由图10可以看出，在系统关机后地面温度快速下降，但下降速率呈现递减趋势，在关机120 min后地面温度仍在15℃以上。同时，室内温度变化趋势与地面温度相同，但下降速度更慢，在关机120 min后室内温度仍可保持在12℃以上。在室外环境温度为0℃的情况下，地暖系统的蓄热效果可以使得室内温度在系统关机120 min后仍保持在12℃左右，可以看出其蓄热效果的优势。当环境温度改变时，地暖系统由于其蓄热主要是地板的热惰性高，能够储存一定热量，所以蓄热能力几乎无变化。但由于热量散失速度与环境温度息息相关，故降温速度会有变化。但对比集中供热式系统和常规空调系统仍具有明显的蓄热优势，仍可在系统关停后减慢室内温降速度。
搭建样机和实验小室，对空气源热泵直接地板辐射采暖系统进行了实验研究，结果如下：
（1）空气源热泵直接地板辐射采暖系统对室内进行供暖时，室内温度上升较快，系统预热时间较短，并且室内温度垂直分布均匀，热舒适性良好。
（2）室外环境温度对系统功率和COP有直接影响，随着室外环境温度的提升，地暖系统稳定后功率呈现稳步下降的趋势，而COP呈现上升趋势。当系统稳定工作保持室内温度为20℃后，系统COP在3.6～4.2之间。环境温度为-10℃时，系统稳定工作COP为3.65；
环境温度为10℃时，系统稳定工作COP为4.25。系统能效优异，能够满足全国大部分地区的供暖需求。
（3）空气源热泵直接地板辐射采暖系统具有较好的蓄热效果，在系统停机后可以延缓室内温度的下降。环境温度为0℃时，系统关机120 min后，室内温度仍在12℃以上，蓄热效果较好。在不同环境温度下，空气源热泵直接地板辐射供暖系统对比常用的集中式供暖系统和独立空调系统都具有一定的蓄热优势。
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