近年来, 在我国北方地区推进煤改清洁能源供暖工程以及南方地区出现强烈的供暖要求的背景下, 空气源热泵作为一种节能、高效、清洁的热源设备, 已逐渐在市场上占据了重要地位。地板辐射供暖具有热舒适性好、室内温度分布均匀、供水温度低等优点, 加之空气源热泵具有制取低温热水能效高的优势, 因而空气源热泵与地板供暖相结合的供暖系统得到了广泛应用。

然而, 目前尚无专门针对地板供暖的空气源热泵热水机组的产品标准, 故企业只能采用针对风机盘管供暖末端的空气源热泵产品标准研发、制造产品和评价产品性能。鉴于地板供暖的需求水温更低, 故采用出水温度较高的空气源热泵机组进行地板供暖, 将导致机组设计的基准偏离实际运行工况, 机组的材料消耗和运行能耗偏大, 不利于系统的节能、节材。因此, 迫切需要制定地板供暖用空气源热泵的产品标准, 为企业研发产品提供统一的条件与目标。

由于地板供暖用空气源热泵的适用地区广、所服务的建筑类型多, 制定产品标准时必须解决以下关键问题:1) 根据其应用气候区 (主要应用于寒冷地区和夏热冬冷地区) 分析典型建筑的负荷特性, 并抽象出建筑的热负荷模型;2) 确定地板供暖系统的设计供水温度以及不同负荷率下的供水温度, 得到使用侧的需求条件, 以此确定机组使用侧名义工况和部分负荷测试工况;3) 针对不同气候区典型城市的气候分析, 获取机组的空气侧名义工况以及部分负荷率下的测试工况;4) 通过理论分析结合实验测试, 建立空气源热泵的性能模型, 以实现节能减排目标、推动技术水平发展和保持与现行标准体系相衔接的目的, 确定机组的名义工况性能系数COP_h和综合部分负荷性能系数IPLV (H) 限定值。本文将针对上述问题进行研究, 为产品标准的制定提供参考。

采用空气源热泵供暖的主要气候区为寒冷地区和夏热冬冷地区。为体现不同气候区的建筑类型和负荷特征, 分别选取北京和南京为典型城市, 以农村、城镇居住建筑以及办公建筑为分析对象, 建立典型建筑的热负荷模型。

各典型建筑参数设置见表1。地板供暖室内设计温度可以降低2℃[1], 考虑到不同建筑类型特点以及规范要求[1-3], 农村居住建筑、城镇居住建筑和办公建筑室内设计温度分别取14, 16, 18℃。

建筑热负荷利用DeST逐时计算。连续供暖负荷稳定, 可以将室外温度视为唯一变量;间歇供暖时, 开机后需要尽快恢复室内期望温度, 其启动阶段负荷较大。因此, 有必要考察地板间歇供暖开机时的负荷变化情况。

对于地板供暖, 由于地板蓄热性强、延迟性较大, 室内温度不能立即提升到设定值, 因此需要提前开机以满足使用时的期望温度。图1给出了基于二维非稳态传热模型计算出的热泵启动后地板温度随时间的变化曲线。从图1可以看出, 当热水温度为35℃时, 不同构造的地板一般需要3~4h才能达到20℃以上, 并保持稳定。因此, 计算开机阶段的建筑负荷时, 把室内计算温度设置为这一时段室内温度升高后达到的温度, 在第1h、第2h、第3h的温升分别设定为室内设计温度与初始温度差值的50%, 90%和100%。

为方便工程应用, 将连续供暖与间歇供暖的建筑负荷曲线都简化为以室外温度为唯一变量的直线 (间歇供热由于地板具有的良好蓄热性能, 其负荷曲线也可近似认为是直线) 。负荷q_h可以表示为

式中q_h为单位供暖建筑面积热负荷, W/m²;t_j为室外干球温度, ℃;a_h, b_h为与气候和建筑类型有关的系数。

绘制建筑负荷线需要确定“负荷点”和“零负荷点”。“负荷点”通常选取室外温度为0℃及其对应的负荷。考虑到供暖期满足大部分负荷需要、建筑内热源以及安全性和节能要求, 寒冷地区和夏热冬冷地区零负荷点均位于12~14℃区间, 为简化模型, 将之统一为13℃。因此, 得到典型建筑的建筑负荷线, 如表2所示。从表2可以看出:农村居住建筑虽然室内设定温度更低, 但因其围护结构的传热系数大, 相对于城镇居住建筑的负荷更大;办公建筑虽然室内设计温度较高, 但因采用间歇供暖模式, 其启动过程的热负荷大, 故其热负荷也比居住建筑大。

空气侧名义工况参数包括干球温度和湿球温度。

1) 寒冷地区。

采用统计平均方法研究供暖期内不同“供暖时间不保证率”对应的最低干球温度及其对应的湿球温度。通过DeST中寒冷地区主要城市的典型气候年的干球温度进行统计平均, 分别得到1%~10%不保证率下的干球温度, 如图2所示。湿球温度采用统计平均方法, 对名义干球温度附近1℃内的数据点所对应的湿球温度进行统计平均。

为保证与现行低温空气源热泵热水机组产品标准的一致性, 按不保证率3%确定寒冷地区用空气源热泵的空气侧名义工况干球温度/湿球温度为-12℃/-14℃。该工况能保证绝大部分城乡建筑的供暖安全, 并低于寒冷地区主要城市的供暖室外设计温度。

2) 夏热冬冷地区。

按照上述方法, 统计夏热冬冷地区主要城市不同不保证率下的室外干球温度, 得到如图2所示的统计结果。同样按照不保证率3%且满足夏热冬冷地区主要城市供暖室外设计温度的原则, 统计平均干球温度附近湿球温度, 得到名义工况干球温度/湿球温度为-2℃/-3℃。

研究表明, -12~5.8℃为结霜区温度, 而-2℃/-3℃位于结霜区[7]。鉴于现行标准仅对空气源热泵在结霜区运行时的中断供暖时间、室内送风最低温度、除霜总耗时进行限定, 为避免名义工况位于结霜区内, 同时保持与规范的一致性, 建议采用普通型热泵机组的名义工况为负荷率50%条件下的室外干球温度/湿球温度, 即7℃/6℃。

使用侧名义工况参数包括流量和出水温度。其中, 流量按照供回水温差5℃设计计算, 流量为0.172m³/ (h·kW) , 与现行规范[8]保持一致。结合前文典型建筑热负荷模型, 确定使用侧名义工况的出水温度。

JGJ 142—2012《辐射供暖供冷技术规程》[1]给出基于满足室内舒适性的地板表面温度t_b的计算方法。加热辐射地板供回水平均温度t_p与地板表面温度t_b可根据文献[9]提出的方法计算。经二维非稳态模型校验, 其平均误差为5%, 最大误差小于8%, 满足工程计算需要。由此, 可以得到不同埋管间距下室内环境温度t_n与供回水平均温度t_p的关系式:

式中K为按文献[9]计算的不同盘管布置间距下的地板传热系数, W/ (m²·K) ;β为单位面积供热量与室内外温差关系的系数。

图3给出了办公建筑的分析结果。例如:北京市辐射盘管间距取350 mm、室内设计温度为20℃时, 供回水平均温度为38.5℃, 由于供回水平均温差设计为5℃, 其供水温度为41℃, 满足文献[1]对推荐供水温度的要求, 也与现行低环境温度空气源热泵机组的供水温度一致[8];而当室内设计温度取18℃、盘管布置密集 (管间距250mm) 时, 供水温度仅需35℃。南京市由于冬季室外温度较高, 室内热负荷减小, 当其辐射盘管间距为300mm、供水温度为35℃时, 也能保证室内温度为18℃。由此可见, 不同气候区、不同类型的建筑, 只要盘管间距选择合适, 35℃的供水温度即可满足室内舒适性需求。

表3给出了近年来采用30~35℃热水作为地板供暖热源的实验验证结果。理论和实验研究都表明, 35℃作为空气源热泵地板辐射供暖名义供水温度可以满足供暖需求。为了提高机组的能效, 建议将使用侧的出水温度确定为35℃。

机组在实际运行过程中, 由于大部分时间处于部分负荷工况, 故需确定考核其季节运行性能的空气侧和使用侧的部分负荷工况。

地板供暖用空气源热泵的季节性能指标采用现行标准体系的综合部分负荷性能系数IPLV (H) 计算获得[5]:

式中a, b, c, d分别为机组在100%, 75%, 50%和25%负荷率条件下的权重系数, 取决于机组所服务区域的建筑负荷特点、室外参数和机组运行时段;A, B, C, D分别为机组在100%, 75%, 50%和25%负荷率和对应工况 (空气侧和使用侧) 下的制热性能系数COP_h。

由此, 对DeST中逐时温度气象数据进行整理, 分别以2℃和1℃划分寒冷地区与夏热冬冷地区供暖季温频间隔, 采用100%, 75%, 50%和25%负荷率附近区间的温频段的中间温度作为其测试工况的干球温度, 并按照该干球温度所在温频, 统计含湿量平均值对应的湿球温度, 确定该干球温度下对应的湿球温度。表4给出了寒冷地区和夏热冬冷地区主要城市的统计平均工况。

基于热水温度可变的温度补偿技术是供热系统中的重要节能措施。采用变速 (变容) 调节空气源热泵, 可以有效地控制机组出水温度或辐射地板的供水温度, 以提高建筑在部分负荷时热泵机组性能参数, 因此有必要分析不同建筑在部分负荷率时的供水温度需求。

以建筑负荷线为依据, 同时考虑负荷率降低时仍保证室内热舒适, 计算部分负荷率下的辐射末端的供水温度 (也即热泵机组的出水温度) , 结果见表4。从表4可以看出, 随着室外温度逐渐升高, 建筑负荷率逐渐减小, 供暖需求水温 (也即机组的出水温度) 逐渐降低。分析表明, 在100%, 75%, 50%和25%负荷率时, 机组的出水温度分别为35, 32, 30, 27℃即可满足建筑的供暖需求。

确定地板供暖用空气源热泵名义性能系数限定值需考虑以下几个因素:1) 满足节能要求;2) 不低于现行标准要求;3) 反映现阶段技术发展水平并有助于推动技术进步。图4给出了不同供暖方式制取1kW·h热量所消耗标准煤量 (一次能源) 。

对于寒冷地区, 应保证燃煤发电驱动热泵供暖的一次能源消耗量小于直接以燃煤锅炉供暖的一次能源消耗量, 因此, 在室外空气温度较低 (t_j=-12℃) 的名义工况下, 如果热泵COP_h≥2.1, 则可保证在室外温度高于名义工况时获得更高的COP_h, 使热泵机组在整个供暖季的绝大部分工况下供暖效率高于燃煤锅炉。

由于夏热冬冷地区室外温度较高, 热泵COP_h有较大程度的提高, 且现有燃煤锅炉较少, 故应以燃气锅炉直接供暖作为比较基准, 使热泵机组的名义工况下 (t_j=7℃) 的COP_h≥2.9。需要说明的是, 如与寒冷地区保持一致, 则应当对室外温度较低 (t_j=-2℃) 的满负荷工况的热泵COP_h进行限定。事实上, 由于技术水平的限制, 满负荷工况下COP_h通常并不能达到2.9。然而, 热泵机组极少时间满负荷运行, 名义工况下, 经一次能源利用率计算限定的COP_h能保证机组在供暖季的平均供暖效率高于燃气锅炉直接供暖。鉴于此, 应进一步明确热泵机组COP_h限定值。

在使用侧出水温度降低的情况下, COP_h限定值应有所提高。故需通过建立热泵机组的性能模型, 折算地板供暖用空气源热泵机组的名义工况性能系数限定值。

根据文献[15]的对比参数原理, 建立空气源热泵性能模型。其中, 对比参数参考点采用现行热泵产品标准的名义工况点。考虑到COP_h限定值应根据机组容量加以区别, 以名义制冷量50kW作为容量分界线[8,16], 低温型和普通型空气源热泵的参考点见表5。

由于对比参数模型参数的系数取值只针对一类热泵, 为增加COP_h限定值取值的可靠性, 根据厂家提供的产品实验数据, 建立量纲一性能模型 (见图5) , 进而获得地板供暖用空气源热泵产品性能系数COP_h限定值 (见表6) 。根据理论与实验模型计算, 确定热泵机组的COP_h限定值。

式 (3) 中的权重系数a, b, c, d按如下方法确定。

1) 按照温频法的形式, 分别以2℃和1℃间隔划分出寒冷地区与夏热冬冷地区典型城市整个供暖季的室外温度频率分布图。寒冷地区-12℃频段包含所有低于-11℃的时间, 12℃频段不包含高于13℃的时间;夏热冬冷地区-2℃频段包含所有低于-1.5℃的时间, 13℃频段不包含高于13℃的时间, 如图6a, c所示。

2) 将供暖季各温频段时间与该温频段的建筑负荷率相乘, 得到 (负荷率!时间) 比例关于室外干球温度的分布, 由此确定各温频段的 (负荷率×时间) 比例, 如图6b, d所示。

3) 根据 (负荷率×时间) 比例分布图, 确定部分负荷率频段划分方式, 计算权重系数。

寒冷地区-12℃对应100%负荷率, -6℃对应的负荷率为75%, 0℃对应负荷率为50%, 7℃对应25%的负荷率, 作为考核工况点。频段划分方式与低温空气源热泵标准保持一致, 为:A (满负荷) 占2个温频段 (每个温频段对应2℃) ;B (高负荷) 占3个温频段;C (低负荷) 占3个温频段;D (最小负荷) 占剩余温频段。

夏热冬冷地区2℃对应的负荷率为80%, 7℃对应的负荷率为40%, 10℃对应的负荷率为26.7%, 与75%, 50%和25%接近, 作为考核工况点, 建议的频段划分方式为:A (满负荷) 占2个温频段;B (高负荷) 占4个温频段;C (低负荷) 占4个温频段;D (最小负荷) 占剩余温频段。

分别考虑寒冷地区与夏热冬冷地区各典型城市连续运行 (统计全天的负荷情况) 与间歇运行 (统计开机时间的负荷情况, 地板供暖需要提前2h开关机, 因此统计06:00—16:00的负荷) , 利用该方法确定的不同气候区典型城市各负荷点下IPLV (H) 权重系数见表7~10。

从地理位置、气候特征、建设水平以及空调的销售情况等方面综合考虑, 寒冷地区选择北京市的IPLV (H) 系数作为低温型热泵的评价基准, 故连续运行低温型热泵制热运行综合部分负荷性能系数IPLV (H) 的计算式为

办公建筑间歇运行低温型热泵制热运行综合部分负荷性能系数IPLV (H) 的计算式为

以南京市的IPLV (H) 系数作为夏热冬冷地区普通型热泵的评价基准, 故连续运行普通型热泵制热运行综合部分负荷性能系数IPLV (H) 的计算式为

办公建筑间歇运行普通型热泵制热运行综合部分负荷性能系数IPLV (H) 的计算式为

根据厂家提供的数据及建立的能效模型, 计算或拟合出各类机组部分负荷能效比的平均值, 通过IPLV (H) 计算式计算其限定值。各部分负荷工况测试点COP_h同样按照理论模型和实际模型进行计算, 得到IPLV (H) 限定值, 如表11所示。

1) 通过对典型建筑的热负荷分析, 获得了不同气候区、不同建筑类型的负荷模型, 并通过理论分析和实验结果, 说明地板供暖用空气源热泵机组的名义出水温度可以降低至35℃, 进而分析了室外温度变化时的机组出水温度需求。

2) 通过对寒冷地区与夏热冬冷地区主要城市 (在不同供暖时间不保证率条件下) 室外设计干球温度分布以及对应的湿球温度分布的统计分析, 确定空气侧名义工况与部分负荷测试工况;根据建筑模型与气象分布, 确定热泵机组连续运行和间歇运行IPLV (H) 的权重系数。给出了不同地区、不同容量热泵的性能系数COP_h限定值和季节性能指标IPLV (H) 的限定值。

名义工况、季节性能指标测试工况及其性能指标限定值的确定, 可为空气源地板供暖热泵机组标准制定提供参考, 其研究方法也可为后续相关产品标准的制定所借鉴。