住宅地板輻射供暖管理論文

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摘要本項目對南京地區一所使用空氣源熱泵帶地板輻射采暖系統的住宅進行了一個采暖期的實測，獲得了房間空氣溫度、作用溫度、熱泵運行COP、能耗等一系列寶貴的第一手資料。實踐證明，系統使用效果良好，室內舒適性極佳。文章介紹了系統運行情況，根據典型日的測定得到的熱泵和地暖系統主要運行參數，測算了系統的運行費，給出了輻射面溫度與室內空氣溫度、圍護結構內表面平均溫度及室內作用溫度間的關系，提出了空氣源熱泵用于地板輻射采暖系統時的改進意見。

關鍵詞空氣源熱泵輻射供冷暖住宅空調方式

1引言

南京地處長江下游、夏季濕熱、冬季潮冷，低于5℃的有60多天。在計劃經濟時代，劃為非采暖區。不設采暖空調時，冬季室內溫度低于熱環境衛生學下限標準，影響工作、生活以至人體健康。近年來家庭多采用冷暖空調的方法，舒適性差，能耗高，各房間溫度不均勻。對于房間多、建筑面積大的住宅及別墅，則多臺空調難于合理布置，惟有增加投資、犧牲部分建筑空間，采用住宅中央空調系統。南京的情況在長江中下游地區及至整個冬冷夏熱地區有代表性。住宅空調采暖方式的多樣性是老百姓的現實需求，是市場的呼喚，也是暖通空調工作者義不容辭的職責。

輻射供暖因其節能、舒適，不占用室內使用面積等突出特點，已在北京地區獲得大面積應用。但若要在南方地區推廣應用，最好能同時解決夏季供冷問題。換言之，首先要面對熱泵作熱源帶地板供暖的效果和技術經濟性問題。由于空氣源熱泵在南京地區的成功使用有不少先例（當然，不是作為地板供冷暖的冷熱源），加之作為家用設備，要綜合考慮設備價格、質量、運行費等因素，為便于推廣應用，恐怕首選還是空氣源熱泵。所以在本項目中，選用國產空氣-水熱泵機組（熱泵式冷熱水機組）。

2實驗住宅概況

實驗住宅位于南京市東郊新建的仙林地區大學城，依傍仙鶴山麓，空氣清新，風景秀麗。由于位于市郊，冬季室外溫度低于市區。該住宅為一躍層公寓樓房，位于五僂?？偨ㄖ娣e約160m2。圖1為底層住宅平面圖。為使來方者實際體驗地暖效果，樓下地面鋪設地磚，路層地面鋪設復合木地板。考慮到夏季供冷時地面可能結露以及地冷暖的效果，大多數家具選用帶"腿"的，或墊膠皮使其離開地面。

圖1實測住宅底層平面圖

該住宅位于公寓樓的東端,東、南、北三面外墻，由于南京市尚未推廣執行節能標準，外墻均為24墻，未加保溫材料。窗戶均為單層玻璃塑鋼窗。為了使躍層好用一些，裝修時在屋頂室內側貼裝了20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

3地板采暖系統及熱泵機組

由于該住宅鄰室和樓下尚未有住戶入住，故皆按不采暖房間考慮。負荷計算結果表明，室內設計溫度取18℃和16℃時的熱負荷分別為12.9kW和11.7kW，按建筑面積160m2計算，單位面積負荷分別為約81和73W/m2。

地暖管采用進口生產線及進口原料、國內生產的交聯聚乙烯（PEX）管，管徑DN16，管間距25～35mm，沿外墻處密，內區疏。為便于調節，樓下分5個回路，躍層3回路，可通過供回水集水器上的閥門進行開關。采用雙回路布置方式以盡量均勻地面溫度。各回路管長基本一致，以便阻力平衡，水量均勻。管底鋪20mm厚苯板，填充層30mm厚碎石混凝土，找平層約20mm，國上地磚，約60～70mm。系統中加裝了壓力表、流量計，熱泵機組單獨安裝了電表，用來進行實測、統計和運行控制。

為了做使用效果的實測對比，在樓下和躍層各關閉一個房間的水閥，實際采暖面積約124m2，16℃采暖負荷約9kW。采用國產的分體式風冷熱泵冷熱水機組，額定制熱量9.7kW，機組配用進口全封閉渦旋式壓縮機，功率3.08kW。軸流風機功率0.1kW。水泵額定流量2.2m3/h，揚程15～20m，功率0.37kW。熱泵機組總功率3.55kW。

設備初投資：熱泵機組約12000元，地板管約8000元（除去前后陽臺、浴廁的浴缸、大便器、廚房的櫥柜等部位以外，實鋪地板管面積約120m2），總投資約135元/m2建筑面積。

4熱泵運行情況

由于2001年末的暖冬現象，11月份需采暖天數不多，所以實測主要集中在12月中下旬，該時段室外最低溫度-5℃。一般最低溫度在-1至2℃之間。為了實際了解運行效果和能耗情況，運行方式按常規意義上的連續運行和"分時段連續運行"兩種。連續運行時，機組日夜，根據出水溫控制開停，設定溫度上限分別定為45℃和40℃。由于負荷大，水溫下降快，地板采暖對水溫又不敏感，為避免頻繁開機，溫差調節幅度調至10℃，實際運行中開機與停機時間比大體為1.5：1。15min內水溫可上升10℃，停機后10min左右水溫下降10℃。一般連續運行時，即使采用上限溫度40℃的水，室內空氣溫度可達18℃以上。相對濕度仍保持50%～60%之間，舒適性極佳。

"分時段連續運行"即視室外溫度情況每天連續開機6～12h，晴天、外氣溫度高時開機時間短，陰雨天或室外溫度低時的時候，增加開機時間。南京地區尚未衽分時電價，所以一般在白天外氣溫度較高、相對濕度較低的時段開機，熱泵運行效率較高。此時客廳室內最高溫度可達15～18℃，至第二天開機前最低溫度13～16℃。書記因外墻比例大，溫度比客廳低1℃左右，閣樓低2℃左右。由于建筑圍護結構蓄熱作用顯著，樓下室內空氣溫度波動一晝夜僅為2℃左右，閣樓溫度波動2～3℃。短時間開窗通風對室內溫度基本無影響。人穿厚毛衣、線襪、拖鞋，即使靜坐亦無冷感，舒適性強。睡眠中從被子里伸出胳膊或簡單空衣起夜也無特別冷感。

為了統計能耗，進行了不同運行模式的測試、統計，測定時關閉了樓上西側房間和樓下東北側房間（餐廳）的地板管，以供溫度對比。地板管實際供水建筑面積約124m2。

分時段連續運行時，每天機開6～12h，日耗電量約20～40kWh，平均耗電量3.25kWh/h。以平均日耗電量30度計，月耗電量900度，南京電費較高，0.52元/度，900度計為468元，采暖期3個月，總共花費1400元，即每m2建筑面積采暖期耗電7.3kWh，電費約11元。由于地暖蓄熱性能好，在目前未實行峰谷電價時，白天高溫時段開機，提高機組COP；若實行分時電價，完全可在低谷電價時段開機，進一步降低運行費。

24小時連續運行時，控制水溫30～40℃之間運行（設定溫度40℃，溫差10℃），統計日室外溫度-3至7℃，相對溫度23%（15：00h），至64%（8：00h）。24小時耗電約72kWh，按此計算，每月電費1123元，整個采暖期（90天）3369元，即每平方米建筑面積采暖期耗電約52kWh，電費約27元。實際由于南京地今年冬天出現相當長時間暖和天氣，根本不用采暖，實際電費遠低于上述值。

冬季運行，宜大溫差、小流量。由于該熱泵系為家用中央空調設計，水泵流量揚程均偏大，將總流量調至20L/min時，溫差為6～7℃，水溫上升明顯加快，熱泵制熱量加大；但進一步調小流量時，熱泵因高壓保護而停機。此時8個分環路全開時，地板管內水流速為0.37m/s，關閉兩路支管后流速為0.48m/s，阻力損失分別為229Pa/m和369Pa/m。通過實測進出水溫差、水量，可以算得熱泵日平均制熱量，又通過安裝的電表得到了日耗電量，由此可算得熱泵冬季運行日平均COP。典型日熱泵運行參數見表1。

熱泵運行參數表1統計時間室外天氣熱泵運行時間

（h）循環水量

（L/min）水平均溫差

（kWh/h）平均耗電量

（kW）平均制熱量

（kW）平均COP

1月22日晴，7～-3℃8：00至翌日10：00206.43.218.932.78

1月25日小雨，7～3℃9：00至日22：00206.53.449.072.64

1月17日陰轉雪，5～-1℃10：00至21：00205.12.777.122.57

5圍護結構內表面平均溫度與作用溫度

為了研究熱泵-地板采暖使用效果和運行規律，對該住宅進行了圍護結構表面溫度和室溫的實測。圍護結構表面溫度用ST60非接觸測溫儀（美國制）測得，室溫和室內相對濕度用HMP46型溫濕度計（芬蘭制）讀取。一般在白天每3～4小時測定一次。

表2為2002年1月22日實測數據。當日天氣晴，室外溫度7至-3℃。熱泵在前一天晚上停機，22日上午8時開機，表中三組數值分別為書房、臥室和餐廳的測定值。每組中4列數值的測定時間分別為8：00、12：00、15：00和21：30。為了作采暖和不采暖房間對比，餐廳的地板管環路關閉，可以看出，北窗內表面溫度隨室外氣溫有較大波動，（東、北）外墻溫度有一定波動，內墻和室內溫度變化很小。而書房和臥室隨著地面溫度的升高，圍護結構內表面溫度和室溫都有明顯上升。為了進一步研究各溫度變化關系，作出了圖2、圖3的曲線。根據文獻介紹，在室內風速很小時，作用溫度可認為等于圍護結構表面平均溫度和室內空氣溫度的平均值，即:

(1)

式中：圍掮結構內表面平均溫度采用面積加權平均溫度:

(2)

式中：Ai為圍護結構i元素的面積權重系數,ti為對應元素的表面溫度。

地板溫度與其余圍護結構表面溫度及室內空氣溫度關系表2

地面溫度

（℃）屋頂溫度

（℃）東墻溫度

（℃）西墻溫度

（℃）南墻溫度

（℃）北墻溫度

（℃）窗溫度

（℃）室內溫度

（℃）

14.611.810.714.49.912.45.913.2

19.412.210.614.610.815.912.215.1

20.912.913.314.812.013.411.415.6

22.414.612.716.314.314.69.216.3

15.914.314.612.912.115.27.215.1

20.914.715.213.812.815.116.316.2

21.815.215.914.213.415.414.916.5

23.715.415.914.715.417.88.217.3

9.412.08.29.710.18.12.911.1

9.211.97.79.610.17.76.111.1

9.612.16.910.210.67.77.411.3

9.813.28.39.910.88.34.811.5

注：表中第1、2、3組數據分別為書房、臥室和餐廳溫度。

圖2空氣溫度、圍護結構內表面平均溫度及作用溫度與輻射面溫度關系（書房）

圖3空氣溫度、圍護結構內表面平均溫度及作用溫度與輻射面溫度關系（臥室）

由圖2和圖3可以看出，雖然輻射面溫度升高，室溫和圍護結構內表面平均溫度升高。當輻射面溫度較低時，作用溫度值與二者有一定差值；當輻射面溫度升高到一定值之后，三者趨于一致。比較二圖可以看出，外墻較少（或圍護結構保溫好）的房間，作用溫度與室內空氣溫度的差值較大。由于目前空氣-水熱泵主要是帶風機-盤管的，應加以改進便于地板供冷暖使用。主要需改進地方有：（1）融霜控制亟待改進。按熱泵出廠時設定參數，融霜頻繁，水溫上不去。當然自行調節設定參數可大大改善運行效果，但對大多數用戶來說，這一要求不太現實。（2）水泵不匹配。如本例中使用水量1.2m3/h，阻力損失約0.04MPa。而所用水泵額定流量2.2m3/h,揚程15～20mH2O(約0.15～0.2MPa)。輻射供冷暖熱泵配用水泵可大大減小流量和壓力，進而減少水泵功耗。（3）機組噪聲過大。

6初步結論

（1）就冬季運行而言，適當設計選用的熱泵冷熱水機組加地板采暖用于該地區無論就技術性還是經濟性而言，完全可行。其舒適性、溫度均勻程度，都是其余采暖方式不可比的。

（2）為減少初投資，地板供暖機組選用不必留較大裕量。

（3）較之鍋爐及城市熱網供水，熱泵水溫低。在負荷較大情況下水溫及地板溫度上升較慢，所以要求室內24h保持室溫恒定的，適合使用連續采暖。此時可根據供不溫度控制機組開停，由于水溫下降快，地板采暖對水溫又不敏感，為避免頻繁開機，溫差調節幅度應加大。

（4）由于熱惰性大，當使用要求不高時，也可以在適當時段每天連續開機一定時間，例如上班族可以在臨上班前開機。還可以使用定時控制，在白天高溫時段開機既滿足使用要求又提高機組COP。

（5）采用電費峰谷差價的地區，可以在夜間開機蓄熱，白天關機后室溫可體質在滿意的溫度范圍內。

參考文獻

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