上海地区空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的供暖空调系统性能的实验研究

张川，陈金峰，王如竹

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

上海地区空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的供暖空调系统性能的实验研究

张川，陈金峰，王如竹*

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

为解决夏热冬冷地区冬季供暖问题，本文设计了空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的分布式空调系统。实验研究表明：在冬季典型工况下采用35℃左右的热水供暖，系统制热性能系数（COP）可达3.0；在夏季典型工况下采用10℃左右的冷水制冷，系统制冷COP也在3.0以上。结果表明通过使用小温差换热末端降低了机组设定出水温度，改善了机组的运行工况，提升系统的能效比。系统解决了目前空气源热泵在冬季低温工况下供暖能效低、舒适性差等问题，为解决我国南方冬季供暖问题提供了可行方案。

空气源热泵；小温差换热末端；风机盘管；南方供暖；夏热冬冷

0 引言

近年来长江流域夏热冬冷地区的冬季供暖问题开始得到广泛关注。解决上述地区的冬季供暖问题的主要备选方案有：1）集中供暖模式：集中供暖系统的管网建设投资太大，锅炉房排放量大，不宜广泛推广[1]；2）太阳能热水供暖系统：长江流域的冬季日照时间数偏少，2011年1月份上海的日照时间为123小时，武汉为106小时，杭州为95小时[2]，成都、重庆等城市更低，太阳能系统的保证率较低，经济性差；3）电供暖或者燃气供暖：这两种方式以一次能源或者高品位能源供暖，能源利用效率低，安全性差，从节能减排的角度讲不适应大规模推广；4）以热泵为热源的分布式供暖系统：其中空气源热泵作为适应性强、节能效果好的热源，包括制冷剂直接与室内空气换热的系统（房间空气调节器）以及利用空气源热泵热水机组的热水供暖系统，正在得到越来越广泛的推广和应用。

但是量大面广的空气源热泵房间空气调节器最大问题是供暖工况的气流组织很不合理，另外由于室内机尺寸小，往往需要45℃以上的冷凝温度，而室外机的蒸发温度可能在零下5℃～10℃，使得空气源热泵能效很低，造成房间供热量不足。此外，间断性的除霜使得常规空气源热泵空调器供暖舒适性受到影响。

空气源热泵热水机组的热水供暖系统已经在商用建筑中获得较多应用。GB/T 18430. 2-2008《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第2部分：户用及类似用途的冷水（热泵）机组》[3]规定，空气源热泵制热名义工况下热水出水温度为45℃，风冷侧的空气干球温度7℃，融霜工况的室外空气干球温度为2℃。作为商用系统往往配备了锅炉可以作为辅助，以满足中央空调冬季供暖需求。

上海最冷月室外平均温度在1.5℃左右，显然设定机组热水出水温度在45℃，机组无法运行或者即使勉强运行也会频繁除霜，COP极低。由于冬季供暖的舒适性室内温度在20℃左右，应用小温差换热末端可以有效解决上述问题，所谓小温差换热末端可以是风机盘管末端，其冷热水与室内空气的换热温差较小；也可以是地板供暖辐射末端或辐射供冷板，但由于辐射末端与既有建筑不能较好搭配，且不能同时有效解决夏季制冷和冬季供暖，因此本文选用了一种小温差换热风机盘管末端，这种末端通过小温差换热降低对冷热源供水温度的需求（夏季10℃，冬季35℃），克服机组运行能效低的问题。以R134a空气-水热泵系统的理论循环为例，假定夏季工况下环境温度30℃，如果通过增加末端换热面积使机组的出水温度增加至12℃，机组的COP比7℃下高6%，出水温度15℃高15%；同理冬季工况下环境温度0℃，如果通过增加末端换热面积使机组的出水温度降低至45℃，机组的COP比60℃下高14%，出水温度35℃高24%。在此设计理念下，我们以上海地区某建筑面积100 m2的家庭住宅为例，搭建了一套空气源热泵结合小温差换热末端的供暖空调系统，并对其冬夏季性能进行了实测研究，验证了其供暖和制冷的高效性和舒适性。

1 实验方法

测试住宅位于上海交通大学闵行校区，建筑面积约100 m2，建筑平面简图如图1所示，属于2室2厅典型结构，两个卧室各布置1台落地式风机盘管、客厅布置了3台落地式风机盘管。外墙结构为砌块加50 mm厚挤塑聚苯板，传热系数为0.57 W/(m2·K)；屋面结构为多孔混凝土加80 mm厚硬聚氨酯，传热系数为0.31 W/(m2·K)；外窗为Low-E中空玻璃断桥铝合金窗，玻璃厚度5 mm，空气层厚度7 mm，传热系数为2.5 W/(m2·K)，建筑设计热负荷为7.5 kW。

图1 测试住宅建筑平面简图

空气源热泵及小温差换热末端系统的示意图如图2所示，其中空气源热泵冷热水机组选用开利42VL型机组（3匹机组），设计出水温度（45℃）下额定制热量为8.4 kW，由于设计初衷在于通过使用小温差换热末端降低机组出水温度，所以机组选型时适当增大机组的制热量，保证在低温位热水出水下仍可以满足设计需求；水泵选用欧驰达水泵，在设计流量下的扬程可以克服系统各部分的阻力损失；室内换热末端选用JAGA的小温差换热（Low-H2O）末端，这种末端与市场上的常规风机盘管相比，给出了在低温位进水温度（35℃）下的制热量[4]，单个末端在设计流量和设计风量下的制热量为1.4 kW，其在房间中的平面安装位置见图1，各设备实物图如图2所示。

测试系统主要包括温度测量、流量测量、电量测量三部分。温度测量采用清华同方RHLOG温度自记仪，测量温度范围为-20℃～80℃，测量误差为±0.2℃，满足测试需求。温度测量主要有三类：一是室内空气温度测量，各温度传感器均匀放置在室内各处离地面1.5 m高的平面上（如图1）；室外空气温度测量，传感器放置在空气源热泵机组的风冷换热器进风侧，用以测量进风空气温度（如图2）；机组进出水温度测量，传感器的安装位置如图2。流量测量采用涡轮流量传感器，安装在向室内末端供应冷热水的总管路上，用以测量机组的出水流量，计算机组的供热供冷量。电量测量采用ZW3432B型电量采集仪一台，安装位置在空气源热泵冷热水机组和水泵的总线上，分别测量空气源热泵冷热水机组和水泵的耗电量用以计算系统性能，数据采集通过Labview软件进行。

图2 空气源热泵结合小温差换热末端系统图

2 数据处理与分析

对测试系统各传感器实测的温度、流量、电量分别进行数据处理，得到系统性能的评价参数和指标，详细介绍如下。

室外温度：安装在空气源热泵冷热水机组进风口处的温度传感器采集到的数据作为室外温度，24小时的温度平均值作为24小时室外平均温度。

室内温度：均匀安装在室内各位置的温度传感器采集到的数据的平均值作为室内温度，24小时的温度平均值24小时室内平均温度。

机组制热量Qheat计算公式为：

式中：

c——水的比热容，计算时取为4200 kJ/(kg·℃)；

m——流量传感器测得的系统水总流量，kg/s；

tout——温度传感器实测的机组热水出水温度（冬季），℃；

tin——温度传感器实测的机组热水回水温度，℃。

机组制冷量依据制热量计算的相同方法进行计算。

机组的COP：

式中：

Qheat——前面计算的机组制热量，kW；

Php——电量采集仪测得的机组功率，kW。

系统COP：

式中：

Ppump——电量采集仪测得的水泵功率，kW；

Pfancoil——末端风机盘管机组的耗电量，kW。

3 实验结果

根据上述数据处理方法，结合实测数据我们分别进行了冬夏季典型工况下系统性能的测试实验，并分析了系统冬夏季典型工况24 h稳态特性。

3.1 冬季工况24小时稳态性能

图4是供暖房间在上海地区冬季1月份典型室外工况下的24小时温度变化曲线，由于室内采用小温差换热末端，故设定机组出水温度在35℃。从图可知，上海地区冬季典型天气状况（24小时室外平均温度3℃）下，室内温度仍能保持在20℃左右。说明本文设计的空气源热泵结合小温差换热末端供暖系统确实能满足夏热冬冷地区的冬季供暖需求。另外，从图可见由于室内末端安装方式的改进，机组除霜不会明显房间的温度变化。

图4 上海地区冬季工况实验住宅24小时室内外温度变化曲线（机组出水温度35℃，除霜时间如箭头所示）

图5是冬季工况下机组与系统的24小时COP变化曲线。从图可知，在采用小温差换热末端，降低机组热水出水温度至35℃的情况下，机组的24小时平均COP达到3.0以上，接近相同地区空气源热泵机组地板辐射供暖系统的COP[5]。需要指出，实验系统管路阀门较多，较为复杂，实际应用时可以选择功率更小效率更高的水泵，提升系统COP。

图5 上海地区冬季工况24小时机组及系统COP变化曲线（机组出水温度35℃）

3.2 夏季工况24小时稳态性能

前面提到我们设计机组的初衷在于解决夏热冬冷地区的冬季供暖问题，并论证了系统在冬季供暖时的经济性与节能性，但一套高效的空调系统应该保证在全年运行工况下都具有较高的COP，这样才能保证系统在冬季节约的运行能耗不在夏季被消耗。

图6是相同房间在上海地区夏季7月份典型室外工况下的24小时温度变化曲线，同样由于小温差换热末端的使用，设定机组出水温度在11℃，机组和整个系统的24小时COP变化如图6。从图可知，在24小时平均室外温度37℃的工况下，室内温度能保持在26℃左右，机组COP保持在3.0左右，说明设计系统不仅能满足冬季供暖需求，在夏季制冷时也具有较高的能效比。说明设计的空气源热泵结合小温差换热末端的空调系统是在全年运行工况下都具有经济性和节能性的系统。

图6 空气源热泵结合小温差换热末端系统上海地区夏季工况24小时运行情况

4 系统性能评价与分析

舒适性、经济性与节能性是衡量空调供暖系统性能的主要指标。表1总结了文献给出的几种常见供暖空调系统的经济性与节能性指标[7-8]，从中可以看出：与电供暖相比，热泵供暖本身在COP方面具有3:1的优势；与普通空气源热泵空调系统相比，新系统的主要优势在于舒适；与地暖末端的空气源热泵系统相比，系统的优势在于造价和全年适应性；与燃气中央供暖比，总费用可以减少一半，是值得推广的新技术。

表1 几种不同类型空调供暖系统的性能对比

计算基于上海地区的物价水平和生活习惯，系统运行时间按每天10小时计，电费以0.6元/kW·h计，天然气价格以2.5元/m3计，天然气热值按3.6 ×107J/m3计，燃气供暖的效率按85%计，电供暖的效率按90%计，热电转化效率按0.4计，标准煤的热值按29270 kJ/kg计。

5 结论与分析

设计了一套空气源热泵结合小温差换热末端的空调系统，并对其在上海地区应用的性能进行了实测研究。研究表明通过使用小温差换热末端的确可以降低机组出水温度的要求，与传统空气源热泵冷热水空调系统相比，设计系统在冬季采用35℃左右的热水出水温度就能保证室内供暖效果。小温差换热末端的使用降低了机组在冬季的冷凝温度，增大了机组在夏季的蒸发温度，提升了系统的COP，增加了系统的运行经济性，是值得推广的高效节能空调系统。

由于系统采用1台3匹室外机配(3～5)个风机盘管就可以解决一套住宅的供暖和制冷，初投资低，运行费用省，是值得推广的解决我国南方地区冬季供暖的适用性和实用性方案。如果再配置一台水箱，还可以方便地实现空气源热泵热水器的功能，做到空气源热泵“一机多能”。

[1] 江亿. 我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J]. 暖通空调, 2005, 33(5): 30-35.

[2] 国家统计局. 2011年全国主要城市日照时间[R].

[3] GB/T 18430.2-2008, 蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第2部分：户用及类似用途的冷水（热泵）机组[S].

[4] Jaga Heating UK. The UK's leading manufacturer of energy efficient heating, cooling and ventilation products[EB/OL]. http://www.jaga.co.uk/products/, [2014 -02-10].

[5] 王恩承, 谭洪卫. 上海地区空气源热泵地板采暖系统应用研究[J]. 建筑热能通风空调, 2004, 23(6): 25-29.

[6] 韩伟国, 江亿, 郭非. 多种供热供暖方式的能耗分析[J]. 暖通空调, 2005, 35(11): 106-110.

[7] WANG R Z, YU X, GE T S, et al. The present and future of residential refrigeration, power generation and energy storage[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 53: 256-270.

[8] ASHRAE, ASHRAE Standard 55 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S].

Experimental Investigation of the Performance of Heating and Air-conditioning System with Air Source Heat Pump and Low Temperature Difference Fan Coil Indoor Terminals in Shanghai

ZHANG Chuan, CHEN Jin-feng, WANG Ru-zhu*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China)

This paper deals with an air source heat pump (ASHP) space heating and cooling system with low temperature difference fan coil indoor terminals to solve the residential heating in winter for hot summer and cold winter regions. Experiment results show that the system has a total coefficient of performance (COP) about 3.0 with ASHP outlet water temperature at 35oC under typical operation condition in winter; and a total COP over 3.0 with ASHP outlet water temperature at 10oC under typical operation condition in summer. It indicates that by the use of low temperature difference fan coil units, the operation condition of ASHP is improved, thus has a better COP. This kind of system can overcome the typical problem (low energy efficiency and bad thermal comfort) of traditional ASHP heating system, providing an alternative solution for residential heating in winter in south China.

Air source heat pump; Low temperature difference terminal; Fan coil units; Residential heating in south area; Hot summer and cold winter

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.101

*王如竹（1964-），男，教授。研究方向：制冷空调中的能源利用等。联系地址：上海市上海交通大学机械与动力工程学院A楼404室，邮编：200240。联系电话：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。