中水源热泵地板供暖运行策略分析

崔明辉，刘 萌，邹韦唯

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050081)

中水源热泵地板供暖运行策略分析

崔明辉，刘 萌，邹韦唯

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050081)

为研究中水源热泵地板供暖系统的节能策略，以石家庄市某实际运行小区的中水源热泵地板辐射供暖系统为对象，引入室外综合温度的概念，综合考虑室外气温、太阳辐射热与风速等环境因子的影响，推导得出了地板辐射供暖系统质调节情况下，保证热用户舒适度的二次网供、回水温度调节公式。经实际运行测试，由该调节公式计算得出的二次网供、回水温度作为地板辐射供暖系统分时段质调节的依据，可以在满足热用户舒适度要求的情况下，取得良好的节能效果。中水源热泵系统与地板辐射供暖系统的结合及推广为城市集中供热提供了新思路。

供热与供燃气工程；中水源热泵；地板辐射供暖；供暖运行方式；室外综合温度；质调节

中水源热泵系统可以高效、环保地制出低温热水，地板辐射供暖系统可以利用低温热水为住宅提供节能、环保、舒适的供热。本文把中水源热泵系统与地板辐射供暖系统相结合， 以石家庄

实际运行小区的中水源热泵系统作为研究对象，对中水源热泵地板供暖系统的运行策略进行分析。

该小区供暖面积30万m2，末端系统采用地板辐射供暖方式，小区二次网采用分区供暖方式，分为高区供暖系统、中区供暖系统和低区供暖系统，详细参数见表1。图1为热泵机房原理图，从图1中可以看出，研究对象主要由中水输配系统、热泵系统及末端系统3部分组成。其供暖基本原理为从污水处理厂排出的达标中水通过中水提升泵输送至小区的中水源热泵机房内，热泵机组将用户侧的循环水加热，最后输送至用户的末端系统释放热量，实现对热用户的供暖[1-3]。

表1 研究对象基本参数Tab.1 Basicparameters供暖区域供暖面积/万m2末端系统高区供暖6地板采暖中区供暖10.5地板采暖低区供暖13.5地板采暖

图1 热泵机房原理图Fig.1 Schematic diagram of heat pump machine room

1 地板辐射供暖系统运行调节

1.1室外综合温度

运行调节是指当热负荷发生变化时，为实现按需供热，而对供暖系统的流量、供水温度等进行调节。供暖调节的目的在于使供暖用户散热设备的散热量与用户热负荷的变化规律相适应，以维持供暖房间的室内计算温度tn，防止供暖热用户出现室温过高或过低[4]。

通常假设，供暖热负荷与室内外温差的变化成正比[5]。但实际上，室内外温差并不能反映风速和风向，特别是太阳辐射热对供暖热负荷的影响，因此这一假设会有一定的误差。为修正这一误差，引入室外综合温度的概念来指导供暖[6-7]。室外综合温度是为了更接近实际运行中的室外情况，综合考虑气温、太阳辐射热与风速等环境因子得出的温度tz[7-8]。在一天中，室外综合温度在不断变化，导致室内外温差不断变化，因此可通过室内外温差的逐时变化来不断调整供暖热负荷。但这种做法在实际操作中太过繁琐，加之地板辐射采暖系统具有“热惰性”，室内温度不能很好地做出反应[8]。因此采用一天的室外综合平均温度来指导系统的供、回水温度更有现实意义。

室外综合温度计算公式如下：

tz=tw+ty+tf。

(1)

式中：tz为室外综合温度，℃；tw为室外温度，℃；ty为太阳辐射对室外温度的修正量，℃；tf为风力对室外温度的修正量，℃。

根据实际供热和计算的平均供热，太阳辐射对气温的修正量公式如下[9]：

ty=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siq。

(2)

风力对气温的修正量公式如下：

tf=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siqvi。

(3)

式中：i取值为1，2，…，n，对应实验次数；Hi为对应第i次实验的单位时间实际供热总量，W；Si为对应第i次实验的供热面积，m2；q为单位时间、单位面积保持1 ℃温差所损失的热量，W/(℃·m2)；tiin为对应第i次实验的室内温度，℃；tiout为对应第i次实验的室外温度，℃；vi为对应第i次实验的风速，m/s。

实际应用中，ty，tf常选用以下数值进行计算：

在雨天，ty≈-1.3 ℃；晴天，ty≈1.3 ℃；其他天气，ty≈0 ℃。

tf=-0.2v℃，

(4)

v为平均风速，m/s。

1.2地板辐射供暖系统在任意室外综合温度下的质调节公式

当供暖网路在稳定状态下运行时，如不考虑管网沿途热损失，则网路的供热量等于供暖用户系统末端设备的放热量，等于建筑耗热量，同时也应等于供暖热用户的热负荷。则有如下的热平衡方程式[10]：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Q1=Q2=Q3=Q4,

(10)

Q1=qV(tn-tw),

(11)

Q2=9.47A(tpj,d-tn)1.032,

(12)

Q3=KA(tpj,w-tpj,d),

(13)

Q4=1.163G(tg-th)。

(14)

(15)

(16)

式中：Q1为设计供暖热负荷，W；Q2为在供暖室外计算温度下，建筑耗热量，W；Q3为在供暖室外计算温度下，地面传热量，W；Q4为在供暖室外计算温度下，热网供热量，W；G为热水实际质量流量，kg/h。

综合上述计算公式，可得：

(17)

根据地面辐射供暖技术规程[11]，低温地板辐射采暖的地板表面平均温度可按以下公式计算：

(18)

设计工况下，盘管内热水平均温度的计算式为

(19)

又由式(1)可得：

tw=tz-ty-tf。

(20)

2 运行策略分析

2.1运行方式分析

中水源热泵地板供暖系统运行模式如图2所示[12-13]。根据室外综合温度的变化，利用质调节公式计算出实际供、回水温度作为地板供暖系统运行的指导温度。为了便于地板辐射供暖系统运行策略的分析，本文暂不讨论热泵机组的配置及开启情况。

将室内温度控制在20 ℃时，测试仪器为随机放置的，因供热面积较大，加之现实因素的复杂，户内温度会有低于20 ℃的情况发生，但绝大部分还是在20 ℃及20 ℃以上。使用室外综合平均温度进行计算，得出质调节供、回水温度值如表2所示。

图2 运行策略模式简图Fig.2 Schematic diagram of the operation strategy

表2 由室外综合平均温度计算得出的供暖质调节指导供、回水温度

Tab.2 Supply and return water temperature calculated from the comprehensive outdoor temperature

室外平均温度tw/℃-9-7-5-3-113室外综合平均温度tz/℃-8-6-4-2024供水温度tg/℃45.043.241.339.537.735.934.0回水温度th/℃35.033.932.831.730.629.528.4供回水温差Δt/℃10.09.38.57.87.16.45.6

该小区设计供、回水温度为45 ℃/35 ℃，采用室外综合平均温度计算供、回水温度指导供暖系统质调节时，可由表2看出，供、回水温度降低且供、回水温差减小。

在一天中，根据不同时段的室外天气情况和峰谷电价时段，结合地板辐射供暖系统的蓄热性能，改变供、回水温度进行供暖[14-15]，即采用分时段改变供、回水温度的供暖系统运行策略进行供暖，这不仅可以改善供暖系统运行效果，还可以进一步节约能源。

2.2节能效果分析

为确定分时段改变供、回水温度运行策略的节能潜力，选取天气状况相同的2个典型日(2016-12-14与2016-12-15)，对其24 h平稳运行与分时段改变供、回水温度运行两种方式下的耗电量情况进行对比。24 h平稳运行即全天采用固定供水温度平稳运行，“分时段”运行方式是在一天中，根据不同时段的室外天气情况和峰谷电价时段，改变供、回水温度进行供暖。具体运行方式见表3。

表3 两种运行方式对比

供暖系统循环水所提供的热量可由式(21)进行计算：

Q=cmΔt。

(21)

式中：Q为能量，J；C为比热容，水的比热容为4.2×103J/(kg·K)；m为物质质量，kg；Δt为温差，K。

由式(21)计算可得，该小区供暖系统24 h平稳运行工况下，供暖系统供热量为

Q1=4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×24×(38.6-31.1)=7.261×1011J。

该小区供暖系统24 h中分时段改变供、回水温度运行工况下，供暖系统供热量为

Q2=4.2×103×(363.51+417.23+179.31)×103×12×(35.9-29.5)+4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×12×(38.6-31.1)=6.729×1011J。

可见，该小区供暖系统运行24 h，分时段运行方式较24 h平稳运行方式可节约供热量7.3%。另由表3中数据可得该小区供暖系统运行24 h，分时段运行方式较24 h平稳运行方式可节约电量9.3%。

3 运行效果验证

为了验证在室外综合平均温度指导下的供暖方式运行效果，选取2016-12-15的小区供暖情况进行验证，当日具体运行情况如表4所示，其中不同时段下室外综合温度的计算结果分别为

tz1=t+ty+tf=2.2+1.3-0.2=3.3 ℃,

在小区低区、中区、高区热用户客厅内随机放置GPRS温度远程监测仪进行室温采集(位置要按照室内测温标准放置)，监测供暖系统在24 h运行过程中热用户室温变化情况。其中，低区放置5块远程测温仪，中区放置5块远程测温仪，高区放置4块远程测温仪。监测情况如图3—图5所示。

图3为小区低区被监测用户12月15日室内温度曲线图，可以看出室内温度均在20 ℃以上，且室温曲线基本平稳；图4为小区中区被监测用户12月15日室内温度曲线图，其中有1个热用户在10:00左右室温有明显的降低，这可能是由于热用户开窗通风导致，其他用户室内温度均维持在20 ℃左右，且室温曲线基本平稳；图5为小区高区被监测用户12月15日室内温度曲线图，可以看出室内温度平稳，无较大波动，温度均维持在18 ℃以上。假设二次网水力平衡较理想，从该典型日反馈的室温曲线图看，采用室外综合温度指导地板辐射供暖系统分时段进行质调节的运行方式能达到良好的供暖效果，满足用户热舒适要求。

图3 小区低区12月15日室内温度变化图Fig.3 Indoor temperature curves in lower floors on Dec.15

图4 小区中区12月15日室内温度变化图Fig.4 Indoor temperature curves in media floors on Dec.15

图5 小区高区12月15日室内温度曲线图Fig.5 Indoor temperature curves in upper floors on Dec.15

4 结论与展望

1)将室外综合温度作为地板辐射供暖系统质调节计算的依据，能够客观地反映系统运行过程中其他环境因子对供暖效果的影响。

2)地板辐射供暖系统运行过程中，以室外综合温度作为地板辐射供暖系统质调节计算的依据，并结合电网的“峰谷”特性和地板辐射供暖系统蓄热的特点，在运行中“削峰填谷”，既保证了地板供暖的运行效果，又降低了运行成本。

3)引入室外综合温度的概念，推导得出了地板辐射供暖系统质调节情况下，保证用户热舒适度的二次网供、回水温度调节公式。

4)分时段改变供、回水温度的运行方式较24 h固定水温平稳运行方式节约电量9.3%，节约供热量7.3%。

5)由于实际工程中二次网水泵并非变频水泵，所以本文并未对供暖系统量调节进行论述。在今后的地板辐射供暖运行调节研究中，将在质调节的基础上引入分时段改变流量调节方式的研究。

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Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump

CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The energy reservation strategy of floor radiant heating system powered by reclaimed water source heat pump is analyzed by taking an actual running floor radiant heating system in Shijiazhuang as research subject. Considering the influences of environmental factors of outdoor temperature, solar radiate heat and wind speed, in the calculation of supply and return water temperature in the secondary circuit, a comprehensive outdoor temperature is introduced to obtain the regulation formula that guarantee heat users' comfort level during the temperature regulation of floor radiant heating system. According to actual operation tests and the divided periods temperature regulation of the floor radiant heating system by the regulation formula of return water temperature in secondary circuit, the supply and return water temperatures calculated from the comprehensive temperature model not only can meet users' comfort level requirement, but also achieve good energy saving effects. The combination and popularization of reclaimed water source heat pump and floor radiant heating system provide new idea for urban centralized heating system.

heat and gas supply engineering; reclaimed water source heat pump; floor radiant heating system; operation strategy of heating system; comprehensive outdoor temperature; temperature regulation

1008-1534(2017)05-0368-06

2017-03-26;

2017-06-30；责任编辑：陈书欣

河北科技大学研究生创新资助项目

崔明辉(1962—)，男，河北沧州人，教授，主要从事暖通空调方面的研究。

E-mail:cuiminghui666@163.com

TK37

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05010

崔明辉，刘 萌，邹韦唯.中水源热泵地板供暖运行策略分析[J].河北工业科技,2017,34(5):368-373. CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei.Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):368-373.