空气源热泵用于低温热水地板辐射供暖系统的模拟研究

许可，王树刚，蒋爽，张腾飞

（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）

空气源热泵用于低温热水地板辐射供暖系统的模拟研究

许可，王树刚*，蒋爽，张腾飞

（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）

低温热水地板辐射供暖具有舒适、节能和节省空间等优势。空气源热泵以其高效、稳定及其与前者的良好匹配性被认为是低温热水地板辐射供暖系统的理想热源。空气源热泵与地板辐射供暖系统相结合能充分利用围护结构及地板各构造层等蓄热体的蓄热特性，减小环境温度变化对空气源热泵制热性能的影响。本文利用TRNSYS和EES软件建立某高层建筑以空气源热泵为热源的低温热水地板辐射供暖系统的瞬态仿真模型，模拟结果与文献报道的实验数据取得了较好的一致性。基于地板辐射供暖系统的蓄热特性，本文提出电力负荷波峰波谷分时段运行控制策略，可避开空气源热泵运行的不利工况以提高制热效率。针对波峰波谷分时段运行及全波谷运行这两种模式，比较供暖房间温度及运行费用的模拟结果表明，波峰波谷分时段运行模式优于全波谷运行模式。

地板辐射供暖；空气源热泵；TRNSYS；模拟

0 引言

目前我国民用建筑能耗占社会商品能源总消费量的20%以上，其中供暖能耗占民用建筑总能耗的56%～58%[1]。在众多供暖方式中，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，因其室内卫生、舒适性强、比传统供暖方式节能20%～30%等优势[2]，得到了广泛的应用。空气源热泵以其清洁、高效、稳定等优点被广泛应用于暖通空调领域，但其冬季制备的低温热水在以风机盘管为末端的传统空气-水空调系统中难以发挥出令人满意的供暖效果[3]。而低温热水地板辐射供暖系统是以低温热水（一般在40℃～45℃左右）作为供暖介质，这恰好是空气源热泵的理想工况，因此理论上选用空气源热泵作为低温热水地板辐射供暖系统的热源优于加热电缆、燃油、燃气锅炉和集中供热等传统热源[4]。一些学者对空气源热泵用于低温热水地板辐射供暖系统已展开研究。陈显斌等[5]针对夏热冬冷地区气候特点，分析了空气源地板辐射供暖系统在这类地区运用的优势、选型及存在问题。王恩丞等[3]以上海地区的一栋独立别墅住宅为对象，通过实测数据对系统进行分析得出：系统受空气源热泵周期性除霜的影响甚微，但受室外气温影响较大。付祥钊等[6]基于夏热冬冷地区空气源热泵与地板供暖联合系统的实验结果得出：利用地板供暖系统的蓄能特性，采用夜间运行、白天停机的运行模式，对电网负荷可起到削峰填谷的作用，但由于夜间气温较低，必然导致系统运行效率下降。曾章传等[4]针对空气源热泵制冷剂做热媒的地板辐射供暖系统建立热力分析模型，结合实验数据，计算分析了系统能效比和各组成部件损失。目前研究者主要从实验角度研究空气源热泵地板辐射供暖系统的运行规律，对系统的动态模拟分析较少，而对于系统控制策略与建筑系统的匹配性、运行经济性及其可行性等方面，数值模拟方法比试验方法更加方便可行。

从地板辐射供暖的传热方式来看，其中辐射热流占总热流的50%～60%，辐射热量首先被墙体吸收并储存在墙体及家具内，故地板辐射供暖系统具有良好的蓄热性能[8]。地板辐射供暖系统可以采用连续运行模式和分时段连续运行模式，由于连续运行模式费用较高[3]，因此可利用地板辐射供暖系统良好的蓄热性能结合用户的居住习惯进行间歇供暖，在保证室内热舒适性条件下，一方面可降低运行费用，另一方面可避开空气源热泵运行的不利工况以提高制热效率。因此，本文利用EES和TRNSYS仿真平台建立以空气源热泵为热源的低温地板辐射供暖系统仿真模型，研究间歇运行控制策略可行性及经济性。

1 空气源热泵地板辐射供暖系统描述

空气源热泵地板辐射供暖系统主要由空气源热泵机组和地板辐射盘管组成。空气源热泵机组，以制冷剂为载体，通过消耗少量电能将室外空气中低品位热能转化为高品位热能。地板辐射盘管是埋设于楼板上部的碎石混凝土或水泥砂浆层内的盘管，以整个或部分地面作为散热面，其散热形式主要以辐射为主。系统供暖运行时，地板盘管循环水与经过压缩机压缩的制冷剂蒸汽在冷凝器内进行换热后进入地板盘管进行供热。

图1 空气源热泵地板辐射供暖系统示意图

2 系统的仿真模型

2.1 空气源热泵模型和除霜模型描述

热泵模型及相应控制程序用EES（Engineering Equation Solver）软件编写。EES是一款方程组求解软件内置了很多对工程计算非常有用的数学和热物性函数，同时支持用户用类似于Pascal和Fortran语言编写函数和子程序。机组的最大制热量及输入功率由生产商提供的机组测试数据拟合而来：

式中：

式中：

热泵性能曲线只能用于稳态条件，在热泵开机后，机组首先被加热，蒸发器和冷凝器间的压力差开始建立。这个过程中将导致机组的供热量衰减，需要对性能曲线值进行修正。这里采用经验公式对机组的最大制热量进行修正，在计算模型中将考虑机组开关机造成的性能衰减[9]。

此外室外机从环境大气中取热，会导致室外机盘管表面结霜影响机组制热效率，因此空气源热泵机组会周期性地进行(2～5)分钟的除霜循环。除霜方法为逆向除霜，利用高温高压制冷剂流经室外机盘管来融霜，这会导致机组整体制热性能的降低。本模型利用文献[10]中的经验公式对机组的出口水温进行修正。

当环境温度低于7℃和高于7℃时，制热性能系数(COP)衰减值分别如公式(4)和公式(5)所示：

式中：

机组实际制热量的计算如公式(6)～(8)所示：

式中：

2.2 负荷、末端装置及相关部件模型描述

能量消耗模型、末端装置及相关循环控制模型由TRNSYS（Transient System Simulation）软件建立。TRNSYS是模块化的动态仿真程序，即认为一个系统由若干个小系统（即模块）组成，一个模块实现某一特定的功能，因此，在对系统进行模拟分析时，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，就可以对系统进行模拟分析。

图2为空气源热泵地板辐射供暖系统运行流程图。系统所用到的TRNSYS部件由5个部分组成，详述如下。

图2 空气源热泵地板辐射供暖系统仿真程序流程图

1）热源部分：EES调用器Type66a、延迟输入控制器Type661。

2）末端装置及水循环系统：水泵Type114、集水器Type649、分水器Type647、地板辐射盘管系统采用建筑热性能模块Type56中的active layer。active layer是一个可以被整合入围护结构中的管网系统（用户可以对管壁厚度、管间距、管壁导热系数等参数进行设置），作为该模块中调节室内气候的一个单元。

3）气象数据输入：TMY2气象数据读数器Type109、湿度计算Type33e、温度计算Type69b。

4）数据采集系统：逐时室温及机组制热COP由Type65c采集，热泵机组及水泵能耗由积分器Type24统计。

5）建筑物负荷模拟：建筑物负荷模拟采用多区域建筑模块Type56a，该模块允许用户根据实际建筑情况建立模型。

3 仿真结果及分析

3.1 系统设备主要参数

本研究的空气源热泵模型的机组名义制热工况[7]为进水温度40℃，出水温度45℃，室外环境干/湿球温度为7℃/6℃，额定供热量为10.5 kW，机组输入功率为3.4 kW（含压缩机和室外盘管换热风机功率）。热源与地板盘管之间设置定频水泵1台，水泵扬程为11.5 m，流量为1.68 m3/h，输入功率为340 W。空气源热泵制备的低温热水通过分水器进入室内各房间的地板盘管进行放热，然后流回集水器进入空气源热泵冷凝器再次被加热。为保证供水温度不超过舒适温度，对冷凝器出水温度进行调控，控制系统电功率为73 W。

3.2 模拟建筑概况

模拟建筑取自文献[6]，位于重庆市区一幢高层住宅楼的中部（第17层）。该建筑为剪力承重结构，现浇楼板，塑钢单层玻璃窗，外墙传热系数为2.67 W/(m2·K)。表1是各房间相关参数。该供暖地板从上至下各构造层依次为8 mm厚强化木地板，2 mm厚柔性垫层，30 mm厚水泥砂浆埋管填充层，50 mm厚聚苯乙烯泡沫保温板，120 mm厚钢筋混凝土楼板层。模拟过程中各热水回路流量保持不变，客厅为400 L/h，主卧室为420 L/h，书房及次卧室共为380 L/h，厨房及客厅北部共为360 L/h，总流量为1560 L/h。整套住宅只有1人，照明总功率为18 W，无其他内热源，相邻住户室温12℃。

表1 围护结构说明

3.3 模拟值与实验值的比较

模拟房间的初始温度为15℃，系统首先进行8小时的不间断运行，围护结构及室温平缓上升后，进入有控制运行模式。设定供水温度为42℃～46℃。图3和图4分别为客厅和厨房于12月28日至次年1月8日的实验及模拟数据。对比分析可知，书房室温的模拟值略高于实验值，而在客厅两者吻合较好，原因是室内的通风气流首先从书房进入，流经客厅由厨房排出，引起测试期间书房室温实验平均值比客厅低2.5℃左右。而模拟中没有考虑通风气流流向对室温的影响，所以书房与客厅室温的模拟值相差不大。

图3 书房室温的实验值和模拟值

图4 客厅室温的实验值和模拟值

图5为空气源热泵停机后，客厅及书房室温下降情况的实验及模拟数据。该供暖系统停机24 h后，平均室温的实验值与模拟值分别下降了2.25℃和2.29℃，平均每小时分别下降0.093℃和0.095℃。模拟数据和试验数据一致性较好。

图5 停止供暖后室温的下降情况

3.4 波谷运行的经济性及运行效果

供暖系统停止后室温缓慢下降的情况显示出地板供暖系统良好的蓄热性能。地板供暖系统中的热水主要通过辐射方式将热量传递给室内墙体，同时加热地板下的各构造层，这些蓄热体在供暖系统停止运行室温下降后，会将热量释放出来减缓室温的进一步降低。可以利用此特点改变机组的运行模式，电力负荷低谷期间运行，电力负荷高峰时停机，由围护结构等蓄热体储存的热量来维持室温。

图6为1月10日到1月12日波谷运行、波峰关机的平均室温模拟结果。设定供水温度为33℃～46℃；机组从1月10日22点开机，运行8个小时到1月11日6点停机；从1月11日22点开机，运行8个小时到1月12日6点停机。由TRNSYS积分器模块统计的总耗电量为66.41 kWh，平均每小时耗电量为4.15 kWh，室内温度日波动为1.6℃。这种运行模式在实行峰谷分时电价的地区运行费用的降低将更为显著。假定波谷电价每度电0.307元，则150 m2建筑每月供暖费用大约是305元。

图6 波谷运行模式室温变化情况

3.5 分时段运行的经济性及效果分析

由于空气源热泵的制热性能及运行效率受外界环境的影响较大，机组的制热量和COP会随着空气温度的降低和供水温度的升高而衰减。而波谷运行模式大部分时间在深夜，此时正是全天温度最低的时段，也是整个系统运行效率最低的时段。因而对于以空气源热泵为热源的地板辐射供暖系统来说，供电波谷全时段运行并不合理，尤其对于冬季昼夜温差很大的寒冷地区。因此，考虑到普通居民的作息时间安排，同时兼顾波谷运行的经济性和波峰运行的高效性，本文采用了一种分时段的连续运行模式，即白天选择环境温度较高的时段运行一段时间，同时减少夜间的开机时间。

图7为1月11日到1月13日分时段运行的平均室温模拟结果。设定供水温度为33℃～46℃；机组从1月11日2点开机，运行4个小时到1月11日6点停机；从1月11日12点开机，运行3个小时到1月11日15点停机；从1月12日2点开机，运行4个小时到1月12日6点停机；从1月12日12点开机，运行3个小时到1月12日15点停机。模拟计算总耗电量为47 kWh，波谷耗电量为26.51 kWh，波峰耗电量为20.2 kWh。波谷平均小时耗电量为3.31 kWh，平均制热COP为3.3，波峰平均小时耗电量为3.35 kWh，平均制热COP为3.5。室内温度日波动为1.1℃。假定居民分时电价为早6点至晚22点每度电0.617元、晚22点至次日6点每度电0.307元，则150 m2建筑每月供暖费用大约是308元，与波谷运行模式相当。此种运行模式增加了机组白天开机时间。由于白天环境温度较高，机组制热效率高，同时这种分时段运行模式减小了室内的温度波动，提高了舒适性。

图7 分时段运行模式室温变化情况

4 结论

基于EES建立的空气源热泵瞬态仿真模型，能够反映机组开关机时段制热量的衰减，亦能利用除霜对COP影响的经验公式对冷凝器出口水温进行修正。通过TRNSYS建立包含室外气象数据输入、建筑热性能模块及数据采集控制系统的瞬态仿真模型，进而利用TRNSYS内置的EES调用模块，与空气源热泵瞬态仿真模型建立连接，构成一个整体模型；并利用文献报道的实验数据对模型进行部分验证，相应的模拟结果与文献报道的实验数据取得了较好的一致性。

针对某高层150 m2居室，对空气源热泵地板辐射供暖系统在波峰波谷分时段和全波谷时段两种运行模式的供暖效果及运行费用进行模拟。结果表明波谷运行和波峰波谷分时段运行模式都能满足舒适性需求，二者的月供暖费分别是305元和308元，数值接近；但对于波峰波谷分时段运行模式，由于增加了机组白天的运行时间，从而提高了机组制热效率、减小了室温的波动、提升了舒适性。

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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

*王树刚（1963-），男，教授。研究方向：热泵空调技术。联系地址：大连市凌工路2号大连理工大学四号实验楼433室，邮编：116024。联系电话：0411-84706407。Email：sgwang@dlut.edu.cn。

高等学校博士学科点专项科研基金项目 (No. 20120041110006)

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。