空气源热泵地板辐射采暖系统供暖效率节能模拟分析

赵军凯　王岳人　郭哲良　于　洋　王　希　刘　通

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院辽宁沈阳110168）

空气源热泵地板辐射采暖系统供暖效率节能模拟分析

赵军凯王岳人郭哲良于洋王希刘通

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院辽宁沈阳110168）

低温地板辐射采暖的不仅使室内人体感到舒适，而且还有节能的作用。空气源热泵作为热源，能够高效稳定的进行制热。空气源热泵结合低温地板辐射采暖系统能够达到优势互补的效果。

空气源热泵；地板辐射采暖；COP；TRNSYS；模拟

目前，在我国北方地区，大部分建筑物使用燃煤制热作为的低温热水地板辐射的热源，这种热源形式不能将地板辐射采暖的节能优势充分发挥出来。在北方地区，特别是沈阳，如采用5℃的供回水温差，当地板辐射采暖系统的供回水平均温度达到35℃左右时，既可以保证采暖的需要又能使室内的人员获得较好的舒适度。空气源热泵是众多热源的一种，与传统热源相比，具有节能的优势。它与地板辐射采暖的组合式系统具有一定的推广价值。

1　空气源热泵地板辐射采暖系统描述

空气源热泵地板辐射采暖系统由空气源热泵机组，地板辐射采暖系统，以及备用热源组成。该系统运行时，流出地板辐射采暖热水盘管中的热水，在机组的冷凝器中，与进入蒸发器内的制冷剂蒸汽进行热交换，之后重新进入地板辐射采暖系统的热水盘管中进行供热。

2　模拟建筑概况

本文选取一栋二层别墅加以研究分析，此别墅建筑面积为325.92m2。其中一层建筑面积为153.12m2，二层建筑面积为172.80m2。

图1　别墅南向立体模拟图

图2　别墅全年负荷变化情况

利用DeST软件对别墅建筑采暖季逐时负荷进行模拟计算，可以得出从11月1日到3月31日建筑逐时单位面积负荷（如图2）。采暖最大负荷指标为208.2W/m2。平均采暖负荷指标为70.75W/m2。整个建筑的采暖耗热量为2.31×105MJ。

3　系统仿真模型

3.1空气源热泵机组模型

空气源热泵的模型及其控制方式，由TRNSYS软件中的EES输入控制器Type661、EES调用模块Type66a及数据参数输入器组成。在本模拟中采用的机组的最大制热量和最大的输入功率由热泵机组的生产商提供的机组的测试数据拟合而来：

式中：Pmax为空气源热泵机组的最大输出功率，单位为W；Qmax为空气源热泵机组的最大制热量，单位为W；Te为系统的蒸发温度，单位为℃；Tc为系统的冷凝温度，单位为℃。

系统的总功率为：

式中：Pmax为空气源热泵机组的最大输入功率，单位为W；Pp为系统中水泵的输入功率，单位为W；Pc为控制系统的输入功率，单位为W。

由于热泵机组开机时，机组被首先加热，随之冷凝器与蒸发器之间建立压力差，伴随着这个过程，空气源热泵机组的制热能力会出现一些衰减，所以热泵的性能曲线是一种理想情况中的性能曲线，只适用于稳态情况，因此，在实际中需要对机组的性能曲线数值进行修正。通过考虑机组开关机造成的衰减等因素影响，采用经验公式，来修正机组的最大制热量[1]。

除了机组启停对机组性能的影响之外，结霜也是影响空气源热泵效率的一个重要因素。在室外环境温度较低或者很低时，空气源热泵的室外机持续从周围环境中吸取热量，空气源热泵的室外机盘管表面，难免会出现结露，当室外温度低到一定程度，结露就变成结霜甚至结冰，从而严重影响了空气源热泵室外机的正常工作。因此在通常情况下，空气源热泵机组会在运行一段时间后就自动进入除霜状态，运行2min～5min的除霜循环。在模拟中利用文献[2]中的经验公式对机组的出口水温进行了修正。

机组制热性能系数，即制热时机组的COP，在环境温度高于7℃时的衰减值为：

机组制热性能系数，即制热时机组的COP，在环境温度低于于7℃时的衰减值为：

式中：COPreddefrost为空气源热泵机组因为除霜造成的制热COP的衰减值；Tamb为室外机周围的环境温度，单位为℃。

空气源热泵机组运行时的实际制热量应为：

式中：Q为空气源热泵机组的实际制热量，单位为W；COPicycle为不考虑除霜对计算制热能力影响时机组的制热COP；Tc,out,corr为经过修正的冷凝器出口水温，℃；Tc,in冷凝器出口水温，℃；水的比热容，kJ/（kg·℃）；水流量，kg/s。

3.2能量消耗、末端装置及相关部件模型描述

系统中的能量消耗、末端装置等模型由TRNSYS软件中所提供的模块一一对应，通过对各个部分模块进行物理上和信息上的链接，建立起空气源热泵低温地板辐射采暖系统模型图，如图3示。在该空气源热泵地板辐射采暖系统的流程模型图中，运用到了5个TRNSYS组成部件。

热源部分，热源为空气源热泵机组，在TRNSYS软件中有EES调用器，Type66a，、延时输入控制器Type661两个部件构成；水循环系统及末端装置，循环的动力水泵，模型代号为Type114、集水器和分水器，代号分别为Type649和Type647、地板辐射采暖系统由建筑热能模块Type56中的activelayer建立。其中用户可以将地板辅材采暖系统使用的管壁厚度、管道间距、管壁导热系数等参数通过activelayer进行设置并且整和到建筑的维护结构中去，来作为模块中调节室内气候的模块；气象数据参数，采用TMY2气象参数读数器Type109、温度计算Type69b、湿度计算Type33e组成。

图3　空气源热泵地板辐射采暖系统流程模型图

数据采集系统，逐时的室内温度及空气源热泵机组的COP都是由模块Type65c完成记录并输出，空气源热泵机组的能耗及水泵的能耗由积分器Type24统计。

建筑物的负荷模拟，采用多区域建筑模块Type56a对模拟建筑的负荷进行模拟，Type56a这个模块使用时可以允许用户根据建筑物的实际情况建立建筑物模型[3]。

3.3模拟运行数据分析

该模拟主要对比空气源热泵地板辐射采暖供水温度为35℃时空气源热泵的COP随室外温度的变化情况。

图4为空气源热泵地板辐射采暖在11月到12月期间，空气源热泵的制热时COP值与室外温度的变化情况；图5分别为空气源热泵地板辐射采暖在第二年1月到3月期间，空气源热泵的制热时COP值与室外温度的变化情况。

图4　11月到12月空气源热泵的COP随室外温度的变化

图5　1月到3月空气源热泵COP随室外环境温度的变化情况

图4与图5两图中，可以看出空气源热泵的COP随室外环境温度的变化明显。当室外环境温度降低时空气源热泵机组的制热COP下降明显，其中，在白天气温高太阳辐射充足的时候，空气源热泵的效率比较高。在整个采暖季节，空气源热泵的制热能力随着室外温度变化先逐步降低之后在春季又逐步恢复。在采暖期初始阶段与结束阶段，空气源热泵制热效率基本达到了3.5以上；在最冷月一月，空气源热泵的制热效率基本维持在1.5～3.0，主要制热效率集中在2.0以左右。

3.4系统的方案优化

空气源热泵地板辐射采暖系统在运行中的热效率有时并不高，尤其是在室外环境温度低的时候（例如一月），对于改善空气源热泵地板辐射采暖系统运行情况，提出以下几种可能的解决办法：

3.4.1与相变蓄热技术[4]相结合。利用相变材料的蓄热能力，当白天或者全天中室外气温达到-10℃之上时，开启空气源热泵工作。在满足当前供暖需求的同时利用相变材料将多余的热量储存起来，当夜间或者室外空气温度较低不能满足空气源热泵运行条件时，可以将相变储热释放来维持系统的正常供暖。

3.4.2将系统与生活热水供应系统结合。空气源热泵地板辐射采暖系统只要稍加改造，就可以在满足冬季采暖的同时，一定程度上满足人们对生活热水的需求。改造后的系统可以提升空气源热泵全年的综合利用率，使得系统更加全面合理。

4　结语

本文以沈阳地区一别墅建筑为模拟对象，建立空气源热泵地板辐射采暖系统的TRNSYS运行情况模型，得出该别墅建筑采用该系统进行供暖时，空气源热泵的运行情况与室外温度变化情况的关系。研究可得：当控制热泵出水温度为35℃时，空气源热泵机组的制热COP主要集中在2～3.5，通常其效率是远高于其他常规热源的。当室外温度比较低时，为保证空气源热泵地板辐射采暖系统满足室内供暖需求，可以与相变蓄热技术相结合，稳定的对室内提供热量。空气源热泵地板辐射采暖系统具有较强的供热与节能效果，在北方采暖地区具有很强的推广意义。但是该系统在推广的过程中还有蒸发器的表面结霜问题、润滑油积存等问题，有待进一步开展研究解决。

[1]CABROL L,ROWLEY P.Towards low cardon home A simulation analysis ofbuilding-integrated air-source heat pump systems[J].Energyand Buildings,2012,48（3）:127-136.

[2]周振.太阳房优化设计及模拟研究[D].北京:中国建筑工程学院,2008.

[3]CHEN Y,ATHIENITI A K.Three-Dimensional Numerical Investigation ofthe Effect ofCover Materials on Heat Transfer in Floor Heating System[J].ASHRAE Transactions,1998,104（2）:1350-1355.

[4]谢鹏.相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖的设计及性能研究[D].南昌大学硕士研究生学位论文,2008.

赵军凯，男，沈阳建筑大学，研究生在读。