摘要：以重慶地區(qū)某別墅作為研究對象，熱源為土壤源熱泵(兩臺壓縮機(jī)并聯(lián))，室內(nèi)采用地板輻射供暖系統(tǒng)。熱泵機(jī)組采用兩種控制方式，控制方式l為地板輻射供暖系統(tǒng)回水溫度控制，當(dāng)回水溫度高于設(shè)定值(40℃)時，單臺壓縮機(jī)運(yùn)行，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時，兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行?？刂品绞?span lang="EN-US">2為室內(nèi)溫度控制，當(dāng)室內(nèi)溫度高于l8℃時停機(jī)，低于16℃時開機(jī)。對兩種控制方式下的供暖系統(tǒng)能效比進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)計算，當(dāng)采用控制方式2時，供暖系統(tǒng)的平均能效比較高。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；  地板輻射供暖系統(tǒng)；  控制方式；  能效比

Control Method of Heat Source of Radiant Floor Heating System Combined with Ground-source Heat Pump

Abstract: A villa in Chongqing area that takes ground-source heat pump(two compressors in parallel)for the heat source and takes advantage of radiant floor heating system in the rooms is chosen for study. The heat pump unit adopts two control methods. The first control method is that the return water temperature of the radiant floor heating system is controlled. Only one compressor works when the return water temperature exceeds the set point(40℃)，and two compressors work if the return water temperature is less than the set point. The second control method is that the in.

door temperature is controlled. The heat pump unit stops when the indoor temperature exceeds 18℃,and starts if the indoor temperature is less than l6℃. The energy efficiency ratio of heating system using two control methods is calculated experimentally. The average energy efficiency ratio of heating system using the second control method is more than first control method.

Key words: ground-source heat pump j radiant floor heating system；control method；energy efficiency ratio

土壤源熱泵以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢得到迅速發(fā)展，地板輻射供暖也由于舒適性強(qiáng)、節(jié)能、供水溫度較低等特點(diǎn)而受到行業(yè)青睞。土壤源熱泵與地板輻射供暖系統(tǒng)的結(jié)合，充分利用了二者的優(yōu)勢^[1]。本文結(jié)合工程實(shí)例，對土壤源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合供暖系統(tǒng))在不同熱源控制方式下的能效比進(jìn)行比較。

1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)的特點(diǎn)

空氣源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)也很成熟。由于空氣的流動性很好，空氣源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)在從室外取熱和向室內(nèi)放熱的過程中幾乎沒有時間延遲，在較短的時間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但在空氣源熱泵關(guān)機(jī)后，室內(nèi)空氣溫度會很快下降。

聯(lián)合供暖系統(tǒng)與空氣源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)有較大的不同。在地板輻射供暖系統(tǒng)中，被熱水加熱的地板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射傳熱，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度升高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁再加熱室內(nèi)空氣。因此，采用地板輻射供暖系統(tǒng)的房間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度要比室內(nèi)空氣溫度高。當(dāng)熱泵機(jī)組停止運(yùn)行后，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，其內(nèi)壁面仍保持較高的溫度，可持續(xù)提供熱量。因此，室內(nèi)空氣溫度并不像采用空氣源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)那樣立即下降，而是在較長的時間內(nèi)緩慢下降。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將重慶虎溪某別墅作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，建立聯(lián)合供暖系統(tǒng)。別墅分為兩層，共8個房間，總供暖面積為224m²。地板輻射供暖系統(tǒng)的地盤管采用回形敷設(shè)方式(盤管間距為200 mm)，材質(zhì)為PE-RT，內(nèi)直徑為l6 mm。熱泵機(jī)組額定制熱量為28.9 kW，額定輸入功率為7.7 kW。

考慮到熱泵機(jī)組對負(fù)荷適應(yīng)性和地板輻射供暖系統(tǒng)的熱惰性，采取了兩種熱源控制方式：控制方式1，地板輻射供暖系統(tǒng)回水溫度控制；控制方式2，室內(nèi)溫度控制，以1樓測試房間室內(nèi)溫度作為控制參數(shù)，測試房間的供暖面積為ll.2 m²。

①控制方式1

為適應(yīng)房間熱負(fù)荷變化，熱負(fù)荷高時，兩臺壓縮機(jī)同時工作；熱負(fù)荷低時，單臺壓縮機(jī)工作。壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)量由設(shè)定的地板輻射供暖系統(tǒng)回水溫度控制，當(dāng)回水溫度小于40℃時，啟用兩臺壓縮機(jī)；當(dāng)回水溫度大于等于40℃時，單臺壓縮機(jī)運(yùn)行。

②控制方式2

考慮到采取地板輻射供暖時人體實(shí)感溫度比室內(nèi)溫度高l～2℃，因此室內(nèi)溫度范圍設(shè)定為l6～18 ℃^[2]。當(dāng)室內(nèi)溫度上升至l8℃時關(guān)閉熱泵機(jī)組，并關(guān)閉地埋管換熱器、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵。當(dāng)室內(nèi)溫度降至16℃時開啟熱泵機(jī)組，并開啟地埋管換熱器、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵。

2012年l月5日、6日分別針對控制方式1、2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。天氣為多云或小雨，室外空氣干球溫度為4.9～9.0℃，相對濕度為78％～96％。

2.2 測試方法

在測試期間，對室內(nèi)溫度、地埋管換熱器進(jìn)出水溫度及流量、地板輻射供暖系統(tǒng)供回水溫度及流量、熱泵機(jī)組耗電功率、地埋管換熱器循環(huán)泵耗電功率、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵耗電功率進(jìn)行了實(shí)測。

室內(nèi)溫度由溫濕度自記儀測量。地埋管換熱器進(jìn)出水溫度測點(diǎn)設(shè)置在分集水器上，地板輻射供暖系統(tǒng)供回水溫度測點(diǎn)設(shè)置在熱泵機(jī)組冷凝器進(jìn)出口，溫度采用水銀溫度計測量，將水銀溫度計用AB膠固定在相應(yīng)的測點(diǎn)位置。地埋管換熱器循環(huán)水流量、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)水流量由轉(zhuǎn)子流量計測得，轉(zhuǎn)子流量計安裝在相應(yīng)管道上。分別采用3臺電功率表記錄熱泵機(jī)組、地埋管換熱器循環(huán)泵、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵的耗電功率。

室內(nèi)溫度的測量間隔為l0 min。地埋管換熱器進(jìn)出水溫度、地板輻射供暖系統(tǒng)供回水溫度的測量間隔先是l0 min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后測量間隔變?yōu)?span lang="EN-US">30min。流量、耗電功率的測量間隔均為1 h。

3 測試結(jié)果與分析

分別在2012年1月5日、6日進(jìn)行控制方式1、2的實(shí)驗(yàn)研究，測試時間為10：00-21：00。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，對地埋管換熱器與土壤換熱量Ф_ex、地板輻射供暖系統(tǒng)供熱量Ф_r、聯(lián)合供暖系統(tǒng)瞬時能效比I_EER進(jìn)行計算。

地埋管換熱器與土壤換熱量Ф_ex的計算式為：

式中 Ф_ex——地埋管換熱器與土壤換熱量，W

     c_p——水的比定壓熱容，J／(kg·K)

     ρ——水的密度，kg／m³

     q_ex——地埋管換熱器循環(huán)水流量，m³／s

     t_ex,out——地埋管換熱器的出水溫度，℃,

     t_ex,in——地埋管換熱器的進(jìn)水溫度，℃,

地板輻射供暖系統(tǒng)供熱量西，的計算式為：

式中 Ф_r——地板輻射供暖系統(tǒng)供熱量，W

     q_r——地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)水流量，m³／s

     t_r,s——地板輻射供暖系統(tǒng)供水溫度，℃

     t_r,r——地板輻射供暖系統(tǒng)回水溫度，℃

聯(lián)合供暖系統(tǒng)瞬時能效比I_EER的計算式為：

式中 I_EER——聯(lián)合供暖系統(tǒng)瞬時能效比

     P_hp——熱泵機(jī)組耗電功率，w

     P_ex,p——地埋管換熱器循環(huán)泵耗電功率，w

     P_r,p——地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵耗電功率，W

兩種控制方式下Ф_ex、Ф_r、I_EER隨測試時間的變化分別見圖1、2。對于控制方式1，由于測試期間Ф_ex、Ф_r的變化趨勢大致相同，在不影響計算結(jié)果的前提下，圖1只給出10：00—18：00的測試數(shù)據(jù)。

由圖l、2可知，對于控制方式1、2，在開始階段，Ф_ex、Ф_r均比較接近，說明這兩種控制方式下土壤的初始條件大致相同。由于兩種控制方式下，地埋管換熱器、地板輻射供暖系統(tǒng)的流量基本保持不變，因此測試階段P_ex,p、P_r,p也基本保持不變。由實(shí)測數(shù)據(jù)可計算得到，P_ex,p、P_r,p的平均值分別為l.88、1.47 kW，單臺壓縮機(jī)運(yùn)行時P_hp的平均值為3 kW，兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行時P_hp的平均值為5.5 kW。由此可知，在兩種控制方式下，P_ex,p、P_r,p占聯(lián)合供暖系統(tǒng)耗電功率的比例都比較高。

采用控制方式l時，隨著單臺、兩臺壓縮機(jī)切換，Ф_ex、Ф_r、I_EER出現(xiàn)波動。當(dāng)兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行時，Ф_ex的平均值為20 kW，Ф_r的平均值為29 kW，I_EER的平均值為3.1。單臺壓縮機(jī)運(yùn)行時，Ф_ex的平均值為8 kW，Ф_r的平均值為l3 kW，I_EER的平均值為2.1。經(jīng)計算可得，控制方式l下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的平均能效比為2.6。

采用控制方式2時，在運(yùn)行了約5.5 h后，室內(nèi)溫度達(dá)到l8℃，熱泵機(jī)組、地埋管換熱器循環(huán)泵、地板輻射供暖系統(tǒng)循環(huán)泵關(guān)閉。約2 h后，室內(nèi)溫度降低至16℃，以上3種設(shè)備開啟。運(yùn)行約2 h后，室內(nèi)溫度再次達(dá)到l8℃。經(jīng)計算可得，控制方式l下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的平均能效比為3.0。

由圖l、2可知，在控制方式l下由單臺壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換至兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)期間，以及在控制方式2下熱泵機(jī)組由停機(jī)狀態(tài)切換至啟動狀態(tài)期間，垂，比上一狀態(tài)結(jié)束時有一個小幅度的提升，這主要是由于在兩種狀態(tài)之間土壤溫度在一定程度上有所恢復(fù)。

4 結(jié)論

對于聯(lián)合供暖系統(tǒng)，當(dāng)采用地板輻射供暖系統(tǒng)回水溫度控制方式時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的平均能效比為2.6；當(dāng)采用室內(nèi)溫度控制方式時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的平均能效比為3.0。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：印偉偉 付祥釗

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院重慶海潤節(jié)能研究院