我国空气源热泵地板辐射系统分区研究*

西安建筑科技大学 刘 衍 李 晨 张 辰 吕凯琳 杨 柳

0 引言

建筑适应气候是与生俱来的功能[1]，实现建筑节能首先需要使建筑具备对室外气候有较好的“抵御力”和“亲和力”，既能有效地抵御室外环境的不利因素，又要实现最大化利用自然环境资源。环境空气取之不尽、用之不竭，空气源热泵地板辐射供暖以环境空气作为低位热源，符合绿色建筑理念[2]。GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[3]提到采用空气源热泵可以有效解决某些地区的供暖、供冷问题。我国地域经纬度跨度大、气候差异显著，且空气源热泵供暖随着室外空气温度的降低，其供热量也降低，因此空气源热泵地板辐射供暖在不同地区的应用潜力各有不同。为满足精细化主动式设计，从而提高建筑节能水平，需要进一步量化空气源热泵地板辐射供暖在不同气候条件下的应用潜力。

近年来，空气源热泵供暖技术的研究也取得了显著的成果。Xu等人对一种新型太阳能-空气源热泵(SAS-HPWH)热水器的运行性能进行了模拟研究，分析了太阳辐射、环境温度和压缩机容量对加热热水性能的影响[4]；饶荣水等人综述了寒冷地区用空气源热泵技术的新进展[5]；柴沁虎等人总结了空气源热泵在寒冷地区使用时需要解决的一些问题，提出基于准二级压缩过程的带经济器的涡旋压缩机系统应该是最佳的方案[6]；Ma等人为了推广空气源热泵在寒冷地区的应用，提出了一种带辅助进气的涡旋压缩机的新型系统，并且在北京地区进行了实验验证，表明有很好的制热性能[7]；南倩[8]、许可等人[9]通过研究发现，空气源热泵低温辐射供暖在陕西汉中及郑州地区都能满足室内舒适性要求；杨子旭等人根据实测数据建立性能模型，提出空气源热泵机组名义工况、季节性能评价工况，以及名义工况及部分负荷性能系数限定值[10]。为推广新型热泵的应用范围，Huang等人对新型塔式热泵系统做了世界范围内的综合性能评价[11]；李元哲分析了空气源热泵地板辐射供暖的供热量随室外温度降低的影响规律，建立了地板辐射供暖的数学模型[12-14]；余丽霞等人通过空气源热泵换热器结霜原理，得到与气象要素有关的结霜边界和长江流域不同地区的结霜及结冻频次，给出了长江流域地区几个典型城市空气源热泵系统的适用等级[15]；张慧玲通过计算不同地区使用空气源热泵时的结霜量来衡量空气源热泵的适用性，给出了非常适宜区、适宜区、慎用区3个适宜性分级[16]。以上研究对于空气源热泵供暖技术的推广具有重要意义。

目前关于空气源热泵推广研究分为新型技术或系统研究、室外侧名义工况研究及适应性研究，少有的适应性分区研究仅是分析不同地区的关键气候要素或结霜量。采用气候要素进行评价虽然具有普适性，但难以针对特定的建筑和暖通空调系统进行详细分析，无法考虑到建筑的制热量随室外空气条件的变化，因此可能会低估其供暖节能潜力，并且无法科学地评估不同地区整个供暖期的制热性能变化情况。本文以典型居住建筑为例，通过选址、建筑负荷计算、系统模拟和评估等过程，基于EnergyPlus定量化模拟分析空气源热泵地板辐射供暖在不同气候条件下的制热效果差异，对于空气源热泵地板辐射供暖实际应用推广具有一定的指导意义。

1 地点选择

首先进行选址，排除空气源热泵地板辐射供暖局限性较大及无供暖需求的区域。严寒地区冬季气温低、空气含湿量小，虽然不易结霜，但目前空气源热泵技术在严寒地区使用存在能效低的问题，因此不研究其在严寒地区的适用性情况。本文为了排除无供暖需求的区域和后期分析不同地区整个供暖期内的制热性能情况，采用JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》中提供的各地区计算供暖期算法确定供暖时长及起止日期[17]，算法步骤如下：

1) 选择连续n年(n≥10)逐日日平均干球温度tm,i(1≤m≤n，1≤i≤365)，形成如式(1)所示的n个数列。

(1)

(2)

将计算得到的ti,dny形成数列如下：

(t1,dnyt2,dny…ti,dny…t365,dny)。

3) 计算每日起连续5日内ti,dny的滑动平均值ti,5dny，并形成重组数列如下：

(t1,5dnyt2,5dny…ti,5dny…t365,5dny)。

4) 将3)中第一个数值小于或等于5 ℃的日期作为供暖期开始日，最后一个数值小于或等于5 ℃的日期之后的第4日作为供暖期结束日。

利用MATLAB编程精确计算不同城市的供暖期(即供暖时长)，计算选取的气象数据为2008—2017年日平均干球温度，数据从气象局官网获取(https:∥data.cma.cn/)。通过计算，温和地区和夏热冬暖地区基本无供暖需求。因此，分别分析空气源热泵地板辐射系统在寒冷地区和夏热冬冷地区整个供暖期的制热性能。本文所用地图来源于中国科学院资源环境科学与数据中心官网(http:∥resdc.cn/)。图1a表示92个城市供暖期天数分布情况，整体呈现出供暖天数随着纬度增大而减少的趋势，排除其中供暖时长为0的城市，例如重庆、桂林和温州等城市，选择其中41个典型城市作为模拟分析对象，城市分布情况如图1b所示，所选典型城市能较为全面地覆盖所在气候区，且有相对突出的供暖需求，计算得到其中部分城市的供暖期起止时间及供暖期天数如表1所示。

图1 所选城市分布

表1 部分典型城市供暖期

2 典型建筑模型及参数设置

2.1 建筑模型

模拟居住建筑参考《建筑设计资料集》(第3版第2分册)[18]中常见建筑户型，建筑朝向均为南向，图2a、b分别为多层和高层居住建筑简化后的标准层平面图，建筑面积分别为1 104.36、6 075.54 m2，层高均为2.9 m，其中，多层居住建筑层数为6层，高层居住建筑层数为18层。材料热物性参数及围护结构构造如表2、3所示，其中围护结构传热系数限值、体形系数和窗墙面积比均分别满足JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[19]及JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[20]的规定。

图2 建筑标准层平面图

表2 材料热物性参数

2.2 模拟参数设置

文献[21]详细介绍了建筑能耗模拟软件EnergyPlus的空气源热泵模拟模块，并验证了其结果准确性。本文采用EnergyPlus软件进行建筑负荷计算及空气源热泵地板辐射供暖性能模拟，模拟和分析所选取的气象数据源于该软件官方自带的气象数据(CSWD文件)，模拟时间为上文计算得到的各典型城市供暖期。内外表面换热系数分别采用TARP算法、DOE-2算法计算。寒冷地区的居住建筑内热源发热量为3.8 W/m2，换气次数为0.5 h-1；夏热冬冷地区的居住建筑内热源发热量为4.3 W/m2，换气次数为1 h-1。地板辐射供暖室内温度可以降低2～3 ℃[22]，因此居住建筑室内设计温度取16 ℃。用于辐射地板的热泵机组的供水温度设为35 ℃，供回水温差设为5 ℃。

表3 居住建筑围护结构构造

2.3 建筑负荷计算及热泵系统的设计和选择

采用EnergyPlus计算41个城市在供暖室外设计工况下的建筑负荷。热泵名义制热工况下的制热量及COP如表4所示。所确定采用的空气源热泵容量均以计算得到的设计热负荷为依据，例如上海供暖室外计算温度为1.2 ℃[22]，多层居住建筑供暖负荷为36 329.44 W，因此选择0150ER5-FD(41 kW)热泵机组来满足供热需求。此外，对寒冷地区进行整个供暖期内全房间持续供暖模拟，对夏热冬冷地区进行供暖期内每日20:00至次日06:00时间段内全房间供暖模拟[23](下文称之为部分时间供暖)。

表4 热泵在名义工况下的参数

3 评价指标AHSPF和J的定义

空气源热泵地板辐射供暖适用性不仅要从其系统运行性能进行分析，也要从室内舒适角度定量化其供暖效果。为了评价空气源热泵地板辐射供暖在不同气候区的应用潜力，提出实际供暖季节性能系数AHSPF(actual heating seasonal performance factor)及供暖保障率J来评价空气源热泵清洁供暖的适用性效果。

(3)

式中COPj为热泵机组的逐时性能系数；m为供暖期内热泵运行的总时间。

“你可找对了，这个就是我这批货里最特别的了。这个叫电色假玉。是把劣质玉电镀上一层翠绿色的外表，让人难辨真假。遇上这种伪玉，就需要你仔细去观察了。”老道把玉举到近前，“因为电镀时会留下裂纹，电色假玉上面会有一些绿中带蓝的小裂纹。行家称这个为‘蜘蛛爪’。但是这些花纹不起眼，一般用这个就足够骗过大多数人了。”

(4)

(5)

式(4)、(5)中Jx为单个房间的供暖保障率；I为符合对应条件的指示函数；ti为采用空气源热泵地板辐射供暖时供暖期内单个房间逐时温度；q为供暖期内的总时间；z为建筑房间总数。

4 模拟结果及分析

采用EnergyPlus模拟软件模拟了不同气候区各典型城市空气源热泵地板辐射供暖在整个供暖期的制热效果，研究空气源热泵地板辐射供暖在不同气候区冬季供暖的适宜性。

4.1 空气源热泵地板辐射供暖适宜性分析

AHSPF是评价系统性能的综合指标。如图3所示，在多层居住建筑中，不同位置的AHSPF在3.03～3.88之间变化；在高层居住建筑中，不同位置的AHSPF在3.96～4.83之间变化。AHSPF随纬度的增大而减小，因为干球温度降低会降低热泵效率，使得热泵机组不断启停，增加能耗，从而降低系统性能系数。

图3 空气源热泵地板辐射系统的AHSPF分布

图4 空气源热泵地板辐射系统J分布

J是评价室内舒适的重要指标。如图4所示，不同位置的J存在较大差异，在多层居住建筑中，J在0.42%～98.39%之间变化，其中拉萨AHSPF虽然仅有3.14，但其J为95.85%，相反景德镇的AHSPF为3.68，但其J仅为0.42%；在高层居住建筑中，J在1.79%～99.59%之间变化，同样地，拉萨AHSPF为4.13，但其J为97.57%，景德镇的AHSPF为4.81，但其J仅为1.79%。因此，在采用空气源热泵地板辐射系统供暖时要综合考虑AHSPF和J。空气源热泵地板辐射系统供暖在夏热冬冷地区表现优异，寒冷地区的AHSPF虽然较夏热冬冷地区偏低，但供暖保障率普遍较高，能较好地提高室内温度，具有推广意义。

图5显示了2种典型建筑类型在不同气候区10个城市AHSPF与J的对比情况。结果表明：1) 从系统运行评价指标AHSPF层面分析，不同气候区有较大差异，夏热冬冷地区实际供暖季节性能系数均高于寒冷地区。从定量化角度分析，以杭州和兰州多层居住建筑为例，杭州AHSPF为3.73，兰州AHSPF为3.03，不同气候区下2个城市的AHSPF差值为0.70，相差18.8%；相同气候区内差异较小。2) 从室内热舒适评价指标J层面分析，不同气候区有较大差异，例如，拉萨多层居住建筑供暖保障率为95.85%，汉中为14.12%，差值为81.73%，相差85.3%；相同气候区下，采用全供暖期内持续供暖的寒冷地区与采用部分时间供暖的夏热冬冷地区供暖保障率表现不同，寒冷地区J差异不大，但同属于夏热冬冷地区的武汉，供暖保障率J是汉中的4倍以上。因此，从系统运行及室内热环境2个角度分析，进一步量化证实了夏热冬冷地区整体系统运行较寒冷地区更优，寒冷地区温度保障率整体较高，具有推广意义。

图5 典型城市供暖期内适用性对比

为分析夏热冬冷地区供暖保障率较寒冷地区偏低的原因，对夏热冬冷地区10个典型城市进行了持续供暖模拟，以多层居住建筑为例，结果如图6所示。可以发现：1) 采用部分时间供暖方式的AHSPF略高于采用持续供暖方式的AHSPF，相同城市下2种供暖方式AHSPF差值在0.20～0.42之间变化，相差较小；2) 采用持续供暖方式的供暖保障率明显高于采用部分时间供暖方式，相同城市2种供暖方式J差值在29.83%～83.67%之间变化，相差较大，并且采用持续供暖方式的供暖保障率在77.86%～99.05%之间变化，能较好地满足室内热舒适。综上所述，在只考虑供暖实际效果，不考虑经济性问题时，推荐空气源热泵地板辐射供暖采用全供暖期内持续供暖方式。

图6 典型城市多层居住建筑不同供暖方式适用性对比

4.2 供暖期内性能系数COP频次分布

上文使用AHSPF和J综合地定量化评价了不同气候区下空气源热泵地板供暖的适用性，但是由于其制热效果随室外气候波动而不断变化，因此也需要密切关注整个供暖期逐时性能系数COP。表5给出了上海和榆林的热泵选型参数，图7给出了上海和榆林2个城市多层居住建筑和高层居住建筑COP的频次分布状况。由图7可以看出：1) 上海地区无论是多层居住建筑还是高层居住建筑，供暖期内逐时性能系数均高于其所选热泵名义工况下的COP，例如上海多层居住建筑供暖期内逐时性能系数均高于3.13。2) 榆林地区多层居住建筑供暖期内逐时性能系数中有33.89%低于其所选热泵名义工况下的COP，高层居住建筑供暖期内逐时性能系数中有13.99%低于其所选热泵名义工况下的COP。从以上分析可以发现，将相同室外侧测试工况条件下生产的热泵服务于不同地区，空气源热泵地板辐射供暖能够保证高于额定性能系数的工作时间存在很大差异，目前我国热泵制热适用区主要有2类，普通型(名义工况7 ℃/6 ℃)、低温型(名义工况-12 ℃/-14 ℃)[24]，这限制了空气源热泵供暖的推广。因此，未来应该针对不同气候区，乃至不同城市提出不同的室外侧测试工况，并且要求室外侧工况点避开易结霜区域，使空气源热泵地板辐射供暖能够最大化高效提供热量。

5 讨论

理论上不同末端的空气源热泵在夏热冬冷地区较寒冷地区都应表现优异，本文仅关注空气源热泵以地板辐射作为末端的实际适用性情况，并且对寒冷地区建筑模型进行全房间持续供暖方式模拟，对夏热冬冷地区建筑模型进行全房间部分时间供暖及持续供暖模拟。此外，本文仅关注现有较为成熟的普通型热泵的适用性情况，未分析低温型热泵的适用性情况，仅关注空气源热泵地板辐射供暖的适用性，未考虑其经济性。

表5 典型城市热泵选型参数

图7 典型城市供暖期内COP频次分布

6 结论

1) 我国空气源热泵地板辐射系统供暖潜力大体从东南向西北方向呈递减趋势，AHSPF随着纬度的增大而减小，供暖期(供暖时长)则与其相反。各地区供暖保障率无明显规律，但客观反映了各地区自然热源可利用潜力。不考虑经济性问题时，推荐空气源热泵地板辐射供暖采用持续供暖方式。

2) 空气源热泵地板辐射供暖系统在夏热冬冷地区表现优异，多层居住建筑实际供暖季节性能系数AHSPF在3.03～3.88之间变化，高层居住建筑AHSPF在3.96～4.83之间变化；在寒冷地区AHSPF虽然偏低，但能较好地提高室内温度，具有推广意义。夏热冬冷地区南部，例如长沙、南昌等地区AHSPF虽高，但是供暖时长不足10 d，可考虑间歇电暖气供暖。

3) 本文分析评价了相同形式的供暖系统在寒冷地区和夏热冬冷地区的运行性能，实际工程中，若使系统在不同地区达到更佳的运行性能，提高能源利用率，需给出不同地区不同的室外侧名义工况组合(干球温度/湿球温度)，为空气源热泵地板辐射系统提供更准确的设计指导。