天津农村住宅空气源热泵供暖应用分析*

天津大学 邢金城 赵宇新 凌继红 杨秩勋

天津市建筑设计研究院有限公司 周忆惟

0 引言

近几年，为了解决冬季燃煤供暖带来的环境污染问题，在京津冀农村地区，广泛开展了空气源热泵供暖代替燃煤供暖的工作。基于这一现状，空气源热泵系统在北方农村住宅的应用研究引起了学术界的广泛关注。空气源热泵的优势主要体现在清洁环保、高效节能、电网升级费用低、舒适安全、操作简单、清洁卫生等几个方面[1]。曹宇婷等人对空气源热泵在农村地区应用的制热性能进行了测试，连续4天对北京市昌平区的某农户进行测试，室外平均温度为-7.49 ℃，测试房间的平均室内温度为16.91～18.65 ℃，室内舒适度较好，基本能满足农村居民生活要求[2]。李爱松等人对北京农村空气源热泵供暖项目作了运行实测，其中系统COP大于1.8的项目占比达到80%以上，表明空气源热泵系统的实际应用效果是可观的，且末端散热效率对热泵系统能效的影响非常显著，在系统应用时应重点考虑[3]。周海舰等人对15个典型农村住宅中安装的空气源热泵供暖系统进行了长期监测，其中供暖方式包括散热器供暖、地板辐射供暖及散热器+地板辐射供暖3种类型，空气平均温度分别为20.10、19.80、16.21 ℃，3种供暖形式下单位面积平均运行费用分别为18.2、20.2、21.7元/m2[4]。潘雷刚等人对户式空气源热泵供暖系统不同末端形式进行了测试，发现地板辐射盘管用户比散热器用户的运行费用低[5]。Su等人通过对北京农村空气源热泵用户进行问卷调查，并对数据进行了分析，研究用户的满意程度，认为总的价格相对于产品本身来说更能影响用户的满意程度[6]。Hu等人对空气源热泵系统不同散热末端的效果进行了实验研究，认为地板辐射末端热舒适性最好，新型金属散热器、标准风机盘管、地板辐射供暖运行费用分别比铸铁散热器高25%、28%、43%，且在“煤改电”项目中不推荐使用铸铁散热器[7]。靳路采用TRNSYS模拟软件对太阳能-空气源复合热泵系统进行了模拟，得到该系统在供暖季的平均COP为4.5，较空气源热泵系统单独运行提高了26%[8]。现有研究多为空气源热泵系统运行实测分析，并没有结合居民供暖的热舒适要求，而且针对供暖末端为风机盘管的研究较少。

笔者以天津地区成功实施空气源热泵供暖的某村为对象，进行热舒适调研，并对采用散热器和风机盘管为供暖末端的两家农户进行了运行实测。为消除被测试用户的建筑围护结构热工性能、人员活动情况和供暖习惯的差异对能耗的影响，后续采用EnergyPlus模拟方法，对采用不同供暖末端(散热器和风机盘管)空气源热泵供暖系统的热舒适性和能耗进行对比分析。

1 室内热舒适调查

1.1 测试内容及方法

本次调研对象为武清区某村，调研时间为2017—2019年2个供暖季。该村于2016年入冬前完成空气源热泵安装并于2016—2017供暖季投入使用，效果良好。为研究供热形式变化对居民热舒适需求的影响，笔者采取随机走访的形式对居民进行了热舒适问卷调查，并对室内环境参数进行了测试。问卷中关于受访者主观评价部分设置了6个关于热感觉、热期望、湿感觉、湿期望、吹风感、吹风期望的问题。被测室内环境参数包括空气温度、空气相对湿度、黑球温度和空气流速。测试仪器型号及参数见表1。

表1 热舒适调查测量参数与仪器

考虑到环境与人体的对流换热与辐射换热，本文采用操作温度作为热舒适指标来计算热中性温度，操作温度top为空气温度ta和平均辐射温度tr的平均值[4]。

平均辐射温度tr为

tr=tg+2.4v0.5(tg-ta)

(1)

式中tg为黑球温度，℃；v为空气流速，m/s。

1.2 热舒适调查分析

本次调研村庄共有200户家庭，对其中72户家庭进行了热舒适调查研究，共有104名身体健康的居民参与。受访者以中老年群体为主，其中女性占比52%，男性占比48%。

1.2.1室内环境参数和服装热阻分布

室内环境参数测量统计结果见表2。

表2 室内环境参数

表3给出了冬季热泵供暖农宅居民的服装热阻分布情况。由表3可见，居民的服装热阻集中分布在1.1～1.3 clo之间，占所有受试者人数的42.9%。

表3 服装热阻统计

1.2.2热感觉MTS评价

图1显示了热泵供暖农宅的热感觉投票分布情况。其中，热感觉投票为-1、0、1的样本分别占19.8%、60.4%、17.0%，即97.2%的热泵供暖居民对当前热环境是接受的。

图1 热泵供暖农宅居民的热感觉投票分布

图2显示了平均热感觉投票和操作温度的关系。采用温度频率法(BIN法)对热舒适现场实测数据进行回归分析[9]，通过线性拟合可得到居民平均热感觉投票值MTS与操作温度top的关系式：

MTS=0.35top-6.27

(2)

当MTS=0时，可得到居民热中性温度为17.8 ℃；当MTS=-0.5～0.5时，得到90%居民的可接受温度范围为16.4～19.2 ℃。可以看出，农村居民对居住环境的热舒适要求相对于GB/T50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中主要房间室温为14 ℃的要求[10]提高了3.8 ℃。

图2 平均热感觉投票和操作温度的关系

2 空气源热泵系统供暖性能的监测

2.1 建筑信息及系统形式

为了分析当前空气源热泵实际供暖效果，选取末端分别为散热器和风机盘管的2户典型住宅作为空气源热泵供暖系统运行实测对象。被测用户概况见表4，建筑平面及室内供暖末端分布见图3。

2户典型住宅采用的热源均为相同型号的低温空气源热泵，机组信息及末端形式见表5。

表4 被测用户概况

图3 被测用户建筑平面及室内供暖末端分布

表5 被测用户供热系统信息

2.2 测试内容及方法

系统供暖性能测试内容包括典型房间室内空气温度、供回水温度、机组耗电量和系统循环水量。测试所用仪器及精度如表6所示。每户农宅选取3～5个房间对室内空气温度进行监测，每个房间布置2个测点，测点设置在距地面1.2 m高处，依托橱柜、书桌摆放，采样间隔为1 h。在机组进出水口布置供回水温度测点，采样间隔为2 min；机组耗电量由单相电表和电表数据采集器进行数据采集，采样间隔为7 s；系统循环水量采用超声波流量计测量。

表6 供暖性能测试仪器

2.3 室内热环境监测情况分析

测试时间段为2019年1月4日至2月19日，测试期间室外日平均温度为-6.8～3.6 ℃，平均值为-1.7 ℃。

对测试期间全天连续供暖房间室内温度作加权平均，权重系数取各房间体积占比，得到散热器用户和风机盘管用户平均室温，结果如图4所示。可以看出：整个测试期间散热器用户室内日平均温度为14.7～18.1 ℃，平均值为16.3 ℃；风机盘管用户全天连续供暖房间室内日平均温度为16.7～19.2 ℃，平均值为17.9 ℃。风机盘管用户室内空气温度高于散热器用户。

图4 测试期间散热器用户与风机盘管用户室内平均温度对比

2.4 典型日系统控制模式分析

2月4日室外空气平均温度为-1.1 ℃，与测试期间室外平均空气温度水平接近，作为测试时间段的典型日进行分析。

典型日散热器用户与风机盘管用户房间温度和系统供回水温度的变化如图5所示。空气源热泵供暖系统控制方式如下：机组根据用户设定的回水温度进行启停操作，启停温差为±4 ℃，水泵定流量不间断运行。从图5可以看出：散热器用户将回水温度设定为48 ℃，风机盘管用户则将回水温度设定为46 ℃，低于散热器用户；以散热器用户为例，当回水温度低至44 ℃时机组开启，回水温度升到52 ℃时机组关闭，供回水温度开始下降且差值逐渐变小。

图5 典型日散热器用户与风机盘管用户供回水温度与各房间温度的变化

另外可以看出，由于现阶段机组供回水温度由人为控制，不能及时响应室外温度变化，导致室温波动较大，而且人为调节周期长。因为热泵的能效与供水温度有很大关系，相对节能的控制方法是根据室外温度所处区间值选择相应供回水温度值。如果在室外温度较高的情况下，仍然维持很高的供回水温度设定值，就会导致系统过量供热，不仅造成浪费，还会影响室内的舒适性。

2.5 系统能效性能分析

根据实测数据计算分析得到的测试期间散热器用户和风机盘管用户能效性能参数如表7所示。测试期间系统COP随室外温度的变化如图6所示。

表7 被测用户空气源热泵系统能效性能参数

图6 空气源热泵供暖系统性能系数COP与室外温度逐日变化

由表7可知，2个被测用户的平均回水温度基本与各自设定值相等，平均供回水温差接近2 ℃。风机盘管用户平均供水温度和平均回水温度低于散热器用户，这是由于风机盘管末端与空气进行对流换热，属于低温末端，也即所需的水温更低。两者除霜能耗占比不到5%，可见对于天津地区采用空气源热泵供暖时，除霜能耗所占比例较小。

从图6可以看出，2个被测系统COP大部分时间保持在2以上，且系统COP变化趋势与室外温度变化趋势基本一致。部分时间段不一致可能是由于末端开启数量和时间由用户控制，有一定变化。而且环境空气湿度、除霜等均会影响COP。

图7显示了散热器用户与风机盘管用户在测试期间各自系统的耗电量与制热量的逐日变化。测试期内散热器用户机组制热量共计28.0 GJ，系统用电量共3 429 kW·h，其中水泵耗电量共265 kW·h，平均供暖负荷指标约84 W/m2，日均建筑单位面积供暖电耗0.89 kW·h/(m2·d)。

图7 散热器用户与风机盘管用户耗电量与制热量的逐日变化

风机盘管用户客厅的风机盘管基本处于长期关闭状态，实际供暖面积为45 m2，机组制热量共计15.1 GJ，系统用电量共1 898.9 kW·h，其中水泵耗电量共254 kW·h，平均供暖负荷指标约为82.5 W/m2，日均单位建筑面积供暖电耗0.90 kW·h/(m2·d)。可以看出两者日均单位建筑面积供暖电耗基本相同，但风机盘管用户室温高，且供暖房间较为分散及向非供暖房间的传热都在一定程度上增加了其电耗。

3 空气源热泵供暖不同末端供热特性模拟分析比较

测试过程中被测用户由于建筑、人员、使用时长等都会有差异，且连续监测的为空气温度，而非室内操作温度。为了消除这些影响，本文用EnergyPlus模拟软件进行模拟分析，时间步长设为1 h[7]。在同一建筑环境中对比末端为风机盘管和散热器时两者在室内热环境、系统供回水温度、电耗上的差异。

3.1 模型建立与验证

用Open Studio建立了如图8所示的散热器用户和风机盘管用户模型，参数设置与上文中实测调研结果一致。图9显示了2月12日散热器用户与风机盘管用户室内逐时温度和逐时耗电量的模拟与实测数据对比。

图8 散热器用户与风机盘管用户模型图

由图9a可见：散热器用户室内逐时温度模拟值与实测值变化趋势基本一致，卧室A室内温度实测值与模拟值相对偏差最大为3.9%，餐厅相对偏差为5.0%；系统日耗电量模拟偏差为9.7%。由图9b可见：风机盘管用户卧室A 13:00—18:00的室内气温模拟值比实际值大，可能是由于这段时间该用户卧室A与相邻非供暖房间之间的内门敞开导致卧室A室温下降而热负荷增大；若不考虑这段时间带来的误差，卧室A室内温度实测值与模拟值相对偏差最大为4.3%，餐厅相对偏差为5.8%；系统日耗电量模拟偏差为9.3%。

从以上结果可以得出，模拟数据与实测数据变化趋势基本相同，相对误差均小于10%，在模拟允许误差范围内。因此，模拟数值可以代替实际数据用于系统优化分析。

3.2 模拟结果分析

机组回水温度设定为35、40、45、50、55 ℃ 5种工况，模型均采用风机盘管用户的建筑模型，模拟初寒期、严寒期、末寒期典型日的运行情况，选取日平均室外气温接近对应供暖阶段平均室外气温的日期作为典型日，分析在各供暖阶段不同回水温度下2种供暖末端营造的室内热环境差异。由于居民平时在卧室的活动时间最长，以卧室A室内热环境代表整个住宅的室内热环境。

各供暖阶段典型日散热器用户与风机盘管用户在不同回水温度下的逐时室内热环境模拟结果如图10～12所示。

根据前文热舒适调研结果，天津地区90%农村居民可接受的温度下限为16.4 ℃。以此为基准，得到各供暖阶段典型日2个用户所需的最低回水温度及系统在对应回水温度下运行时的当日电耗，如表8所示。

采用风机盘管进行供暖时，属于强制对流换热，室内空气温度较高而平均辐射温度较低。而采用散热器进行供暖时，属于自然对流换热和辐射换热，与风机盘管末端相比，室内空气温度偏低而平均辐射温度更高。因此，本文以室内操作温度作为标准，比较两者之间的差异。从以上模拟结果可以看出，在不同供暖阶段典型日，满足室内操作温度16.4 ℃为下限的前提下，当供暖末端为风机盘管时，系统所需回水温度更低，电耗也更低。初寒期典型日风机盘管供暖相对于散热器供暖节能率约为19%，严寒期典型日节能率约为26%，末寒期典型日节能率约为22%。通过以上对比发现，在满足人体热舒适的前提下，供暖末端为风机盘管时所需的机组回水温度更低，供暖电耗更少。这是由于在相同环境条件下，机组回水温度较低时，冷凝温度较低，而冷凝温度越低越有利于空气源热泵机组的高效运行，使机组能效更高。而通过本文模拟分析发现，相同环境条件下采用风机盘管作为末端的机组所需回水温度较散热器末端低，因此更节能。

表8 典型日散热器用户与风机盘管用户所需最低回水温度及系统当日电耗

4 结论

1) 通过热舒适调研发现，天津地区空气源热泵供暖能满足室内热舒适需求，97.2%的热泵供暖居民对当前热环境是接受的；空气源热泵供暖时居民冬季热中性温度为17.8 ℃，90%的居民可接受操作温度范围为16.4～19.2 ℃。

2) 供暖系统性能测试期间散热器供暖用户室内平均温度为16.3 ℃；风机盘管用户室内空气温度高于散热器用户，室内平均温度为17.9 ℃。能耗方面，散热器用户日均单位面积供暖电耗为0.89 kW·h/(m2·d)，风机盘管用户为0.90 kW·h/(m2·d)。与传统供暖系统相比，空气源热泵供暖供回水温差小，散热器用户和风机盘管用户供回水温差均在2 ℃左右。在测试期间，当室外空气温度低至-5 ℃时，被测用户系统COP也基本在2以上，且随着室外温度的升高而增大。

3) 在满足室内舒适度前提下，末端为风机盘管时需要的供水和回水温度更低，且供暖电耗比散热器供暖更少。严寒期典型日风机盘管供暖相对散热器供暖节能率可达26%，随室外气温升高，二者电耗绝对值差距减小。

4) 由于现阶段机组供回水温度由人为控制，而非根据室外温度来自行调控，导致测试期间用户室内温度波动较大，也不利于节能。建议空气源热泵机组应根据室外温度变化建立相应的回水温度控制曲线，在满足用户热舒适基础上实现进一步节能。