住宅地板輻射供暖管理論文

第第頁(yè)住宅地板輻射供暖管理論文摘要本工程對(duì)南京地區(qū)一所使用空氣源熱泵帶地板輻射采暖系統(tǒng)的住宅進(jìn)展了一個(gè)采暖期的實(shí)測(cè)，獲得了房間空氣溫度、作用溫度、熱泵運(yùn)行COP、能耗等一系列珍貴的第一手資料。實(shí)踐證明，系統(tǒng)使用效果良好，室內(nèi)舒適性極佳。文章介紹了系統(tǒng)運(yùn)行情況，根據(jù)典型日的測(cè)定得到的熱泵和地暖系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，測(cè)算了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)，給出了輻射面溫度與室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)構(gòu)造內(nèi)外表平均溫度及室內(nèi)作用溫度間的關(guān)系，提出了空氣源熱泵用于地板輻射采暖系統(tǒng)時(shí)的改進(jìn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞空氣源熱泵輻射供冷暖住宅空調(diào)方式

1引言

南京地處長(zhǎng)江下游、夏季濕熱、冬季潮冷，低于5℃的有60多天。在方案經(jīng)濟(jì)時(shí)代，劃為非采暖區(qū)。不設(shè)采暖空調(diào)時(shí)，冬季室內(nèi)溫度低于熱環(huán)境衛(wèi)生學(xué)下限標(biāo)準(zhǔn)，影響工作、生活以至人體安康。近年來(lái)家庭多采用冷暖空調(diào)的方法，舒適性差，能耗高，各房間溫度不均勻。對(duì)于房間多、建筑面積大的住宅及別墅，那么多臺(tái)空調(diào)難于合理布置，惟有增加投資、犧牲局部建筑空間，采用住宅中央空調(diào)系統(tǒng)。南京的情況在長(zhǎng)江中下游地區(qū)及至整個(gè)冬冷夏熱地區(qū)有代表性。住宅空調(diào)采暖方式的多樣性是老百姓的現(xiàn)實(shí)需求，是市場(chǎng)的呼喚，也是暖通空調(diào)工作者義不容辭的職責(zé)。

輻射供暖因其節(jié)能、舒適，不占用室內(nèi)使用面積等突出特點(diǎn)，已在北京地區(qū)獲得大面積應(yīng)用。但假設(shè)要在南方地區(qū)推廣應(yīng)用，最好能同時(shí)解決夏季供冷問(wèn)題。換言之，首先要面對(duì)熱泵作熱源帶地板供暖的效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。由于空氣源熱泵在南京地區(qū)的成功使用有不少先例（當(dāng)然，不是作為地板供冷暖的冷熱源），加之作為家用設(shè)備，要綜合考慮設(shè)備價(jià)格、質(zhì)量、運(yùn)行費(fèi)等因素，為便于推廣應(yīng)用，恐怕首選還是空氣源熱泵。所以在本工程中，選用國(guó)產(chǎn)空氣水熱泵機(jī)組（熱泵式冷熱水機(jī)組）。

2實(shí)驗(yàn)住宅概況

實(shí)驗(yàn)住宅位于南京市東郊新建的仙林地區(qū)大學(xué)城，依傍仙鶴山麓，空氣清新，風(fēng)景秀麗。由于位于市郊，冬季室外溫度低于市區(qū)。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(lái)方者實(shí)際體驗(yàn)地暖效果，樓下地面鋪設(shè)地磚，路層地面鋪設(shè)復(fù)合木地板?？紤]到夏季供冷時(shí)地面可能結(jié)露以及地冷暖的效果，大多數(shù)家具選用帶"腿"的，或墊膠皮使其離開(kāi)地面。

圖1實(shí)測(cè)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(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)在屋頂室內(nèi)側(cè)貼裝了20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

3地板采暖系統(tǒng)及熱泵機(jī)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(fù)荷計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取18℃和16℃時(shí)的熱負(fù)荷分別為12.9kW和11.7kW，按建筑面積160m2計(jì)算，單位面積負(fù)荷分別為約81和73W/m2。

地暖管采用進(jìn)口生產(chǎn)線及進(jìn)口原料、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯（PEX）管，管徑DN16，管間距25～35mm，沿外墻處密，內(nèi)區(qū)疏。為便于調(diào)節(jié)，樓下分5個(gè)回路，躍層3回路，可通過(guò)供回水集水器上的閥門(mén)進(jìn)展開(kāi)關(guān)。采用雙回路布置方式以盡量均勻地面溫度。各回路管長(zhǎng)根本一致，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(guó)上地磚，約60～70mm。系統(tǒng)中加裝了壓力表、流量計(jì)，熱泵機(jī)組單獨(dú)安裝了電表，用來(lái)進(jìn)展實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和運(yùn)行控制。

為了做使用效果的實(shí)測(cè)比照，在樓下和躍層各關(guān)閉一個(gè)房間的水閥，實(shí)際采暖面積約124m2，16℃采暖負(fù)荷約9kW。采用國(guó)產(chǎn)的分體式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組，額定制熱量9.7kW，機(jī)組配用進(jìn)口全封閉渦旋式壓縮機(jī)，功率3.08kW。軸流風(fēng)機(jī)功率0.1kW。水泵額定流量2.2m3/h，揚(yáng)程15～20m，功率0.37kW。熱泵機(jī)組總功率3.55kW。

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

4熱泵運(yùn)行情況

由于2001年末的暖冬現(xiàn)象，11月份需采暖天數(shù)不多，所以實(shí)測(cè)主要集中在12月中下旬，該時(shí)段室外最低溫度5℃。一般最低溫度在1至2℃之間。為了實(shí)際了解運(yùn)行效果和能耗情況，運(yùn)行方式按常規(guī)意義上的連續(xù)運(yùn)行和"分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行"兩種。連續(xù)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組日夜，根據(jù)出水溫控制開(kāi)停，設(shè)定溫度上限分別定為45℃和40℃。由于負(fù)荷大，水溫下降快，地板采暖對(duì)水溫又不敏感，為防止頻繁開(kāi)機(jī)，溫差調(diào)節(jié)幅度調(diào)至10℃，實(shí)際運(yùn)行中開(kāi)機(jī)與停機(jī)時(shí)間比大體為1.5：1。15min內(nèi)水溫可上升10℃，停機(jī)后10min左右水溫下降10℃。一般連續(xù)運(yùn)行時(shí)，即使采用上限溫度40℃的水，室內(nèi)空氣溫度可達(dá)18℃以上。相對(duì)濕度仍保持50%～60%之間，舒適性極佳。

"分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行"即視室外溫度情況每天連續(xù)開(kāi)機(jī)6～12h，晴天、外氣溫度高時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)間短，陰雨天或室外溫度低時(shí)的時(shí)候，增加開(kāi)機(jī)時(shí)間。南京地區(qū)尚未衽分時(shí)電價(jià)，所以一般在白天外氣溫度較高、相對(duì)濕度較低的時(shí)段開(kāi)機(jī)，熱泵運(yùn)行效率較高。此時(shí)客廳室內(nèi)最高溫度可達(dá)15～18℃，至第二天開(kāi)機(jī)前最低溫度13～16℃。書(shū)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(hù)構(gòu)造蓄熱作用顯著，樓下室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)一晝夜僅為2℃左右，閣樓溫度波動(dòng)2～3℃。短時(shí)間開(kāi)窗通風(fēng)對(duì)室內(nèi)溫度根本無(wú)影響。人穿厚毛衣、線襪、拖鞋，即使靜坐亦無(wú)冷感，舒適性強(qiáng)。睡眠中從被子里伸出胳膊或簡(jiǎn)單空衣起夜也無(wú)特別冷感。

為了統(tǒng)計(jì)能耗，進(jìn)展了不同運(yùn)行模式的測(cè)試、統(tǒng)計(jì)，測(cè)定時(shí)關(guān)閉了樓上西側(cè)房間和樓下東北側(cè)房間（餐廳）的地板管，以供溫度比照。地板管實(shí)際供水建筑面積約124m2。

分時(shí)段連續(xù)運(yùn)行時(shí)，每天機(jī)開(kāi)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(jì)，月耗電量900度，南京電費(fèi)較高，0.52元/度，900度計(jì)為468元，采暖期3個(gè)月，總共花費(fèi)1400元，即每m2建筑面積采暖期耗電7.3kWh，電費(fèi)約11元。由于地暖蓄熱性能好，在目前未實(shí)行峰谷電價(jià)時(shí)，白天高溫時(shí)段開(kāi)機(jī)，提高機(jī)組COP；假設(shè)實(shí)行分時(shí)電價(jià)，完全可在低谷電價(jià)時(shí)段開(kāi)機(jī)，進(jìn)一步降低運(yùn)行費(fèi)。

24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，控制水溫30～40℃之間運(yùn)行（設(shè)定溫度40℃，溫差10℃），統(tǒng)計(jì)日室外溫度3至7℃，相對(duì)溫度23%（15：00h），至64%（8：00h）。24小時(shí)耗電約72kWh，按此計(jì)算，每月電費(fèi)1123元，整個(gè)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(fèi)約27元。實(shí)際由于南京地今年冬天出現(xiàn)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間暖和天氣，根本不用采暖，實(shí)際電費(fèi)遠(yuǎn)低于上述值。

冬季運(yùn)行，宜大溫差、小流量。由于該熱泵系為家用中央空調(diào)設(shè)計(jì)，水泵流量揚(yáng)程均偏大，將總流量調(diào)至20L/min時(shí)，溫差為6～7℃，水溫上升明顯加快，熱泵制熱量加大；但進(jìn)一步調(diào)小流量時(shí)，熱泵因高壓保護(hù)而停機(jī)。此時(shí)8個(gè)分環(huán)路全開(kāi)時(shí)，地板管內(nèi)水流速為0.37m/s，關(guān)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(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)出水溫差、水量，可以算得熱泵日平均制熱量，又通過(guò)安裝的電表得到了日耗電量，由此可算得熱泵冬季運(yùn)行日平均COP。典型日熱泵運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

熱泵運(yùn)行參數(shù)表1統(tǒng)計(jì)時(shí)間室外天氣熱泵運(yùn)行時(shí)間

（h）循環(huán)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(zhuǎn)雪，5～1℃10：00至21：00205.12.777.122.57

5圍護(hù)構(gòu)造內(nèi)外表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(yùn)行規(guī)律，對(duì)該住宅進(jìn)展了圍護(hù)構(gòu)造外表溫度和室溫的實(shí)測(cè)。圍護(hù)構(gòu)造外表溫度用ST60非接觸測(cè)溫儀（美國(guó)制）測(cè)得，室溫和室內(nèi)相對(duì)濕度用HMP46型溫濕度計(jì)（芬蘭制）讀取。一般在白天每3～4小時(shí)測(cè)定一次。

表2為2002年1月22日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)日天氣晴，室外溫度7至3℃。熱泵在前一天晚上停機(jī)，22日上午8時(shí)開(kāi)機(jī)，表中三組數(shù)值分別為書(shū)房、臥室和餐廳的測(cè)定值。每組中4列數(shù)值的測(cè)定時(shí)間分別為8：00、12：00、15：00和21：30。為了作采暖和不采暖房間比照，餐廳的地板管環(huán)路關(guān)閉，可以看出，北窗內(nèi)外表溫度隨室外氣溫有較大波動(dòng)，（東、北）外墻溫度有一定波動(dòng)，內(nèi)墻和室內(nèi)溫度變化很小。而書(shū)房和臥室隨著地面溫度的升高，圍護(hù)構(gòu)造內(nèi)外表溫度和室溫都有明顯上升。為了進(jìn)一步研究各溫度變化關(guān)系，作出了圖2、圖3的曲線。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，在室內(nèi)風(fēng)速很小時(shí)，作用溫度可認(rèn)為等于圍護(hù)構(gòu)造外表平均溫度和室內(nèi)空氣溫度的平均值，即:

(1)

式中：圍掮構(gòu)造內(nèi)外表平均溫度采用面積加權(quán)平均溫度:

(2)

式中：Ai為圍護(hù)構(gòu)造i元素的面積權(quán)重系數(shù),ti為對(duì)應(yīng)元素的外表溫度。

地板溫度與其余圍護(hù)構(gòu)造外表溫度及室內(nèi)空氣溫度關(guān)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(nèi)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(shù)據(jù)分別為書(shū)房、臥室和餐廳溫度。

圖2空氣溫度、圍護(hù)構(gòu)造內(nèi)外表平均溫度及作用溫度與輻射面溫度關(guān)系（書(shū)房）

圖3空氣溫度、圍護(hù)構(gòu)造內(nèi)外表平均溫度及作用溫度與輻射面溫度關(guān)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(hù)構(gòu)造內(nèi)外表平均溫度升高。當(dāng)輻射面溫度較低時(shí)，作用溫度值與二者有一定差值；當(dāng)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(hù)構(gòu)造保溫好）的房間，作用溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值較大。由于目前空氣水熱泵主要是帶風(fēng)機(jī)盤(pán)管的，應(yīng)加以改進(jìn)便于地板供冷暖使用。主要需改進(jìn)地方有：（1）融霜控制亟待改進(jìn)。按熱泵出廠時(shí)設(shè)定參數(shù)，融霜頻繁，水溫上不去。當(dāng)然自行調(diào)節(jié)設(shè)定參數(shù)可大大改善運(yùn)行效果，但對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，這一要求不太現(xiàn)實(shí)。（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(yáng)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(jìn)而減少水泵功耗。（3）機(jī)組噪聲過(guò)大。

6初步結(jié)論

（1）就冬季運(yùn)行而言，適當(dāng)設(shè)計(jì)選用的熱泵冷熱水機(jī)組加地板采暖用于該地區(qū)無(wú)論就技術(shù)性還是經(jīng)濟(jì)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(jī)組選用不必留較大裕量。

（3）較之鍋爐及城市熱網(wǎng)供水，熱泵水溫低。在負(fù)荷較大情況下水溫及地板溫度上升較慢，所以要求室內(nèi)24h保持室溫恒定的，適合使用連續(xù)采暖。此時(shí)可根據(jù)供不溫度控制機(jī)組開(kāi)停，由于水溫下降快，地板采暖對(duì)水溫又不敏感，為防止頻繁開(kāi)機(jī)，溫差調(diào)節(jié)幅度應(yīng)加大。

（4）由于熱惰性大，當(dāng)使用要求不高時(shí)，也可以在適當(dāng)時(shí)段每天連續(xù)開(kāi)機(jī)一定時(shí)間，例如上班族可以在臨上班前開(kāi)機(jī)。還可以使用定時(shí)控制，在白天高溫時(shí)段開(kāi)機(jī)既滿足使用要求又提高機(jī)組COP。

（5）采用電費(fèi)峰谷差價(jià)的地區(qū)，可以在夜間開(kāi)機(jī)蓄熱，白天關(guān)機(jī)后室溫可體質(zhì)