上海地区空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的供暖空调系统性能的实验研究

尹慧宇

太阳雨集团有限公司  江苏省连云港市  222243

摘要：我国部分南方地区夏热冬冷，为了帮助上海地区控制室内温度，本文设计了一套室内温度调控系统。为了验证该系统的可行性，本文首先分析了长江流域城市供暖现状以及上海气候条件与供暖之间的关系，随后简单说明了试验方法，并得出实验对象在冬季工况24小时稳态性能，最后给出了系统性能评价与分析，希望能为有需求的建筑和居民提供帮助。

关键词：上海地区；空气源热泵；小温差换热风机；空调系统；实验研究

前言

一、长江流域城市供暖现状

近几年，随着互联网技术的发展，长江流域地区的冬季供暖问题受到了社会各界的关注，而为了解决这一问题，现在支持率比较高的集中方式包括以下几种模式。

集中供暖模式：这种供暖模式在北方较为普及，相关技术以及管理体系已经非常完善，但其对基础建设的要求非常高，上海地区想要引进这种模式就需要投入大量的建设成本，且过多的废气与废物排放也会加大环境压力，推广难度较大；

太阳能热水供暖系统：这种供暖模式的经济效益与环境效益均很高，但长江流域地区存在梅雨季节，因此利用率较低，很容易造成资源浪费；

电或燃气供暖：这种供暖模式消耗的资源为一次性资源，且利用率低、对环境危害大，且安全系数低，很容易发生爆炸、自燃现象；

建立在热泵热源基础上的分布式供暖：作为供暖热源，空气源热泵的适应性与节能效果远超其他模式，普及程度较高，但其缺陷主要表现在工况气流组织不合理，且室内机对冷凝温度、蒸发温度的需求较高，这大大加强了整体效能提升的难度，很容易出现室内热量不达标的现象。

近些年，长江流域大多数商业建筑都选择了空气源热泵热水机组供暖系统。根据我国出台的相关规定，商用或住宅用的该制热方式所出热水的温度应低于45℃。大多数情况下，其作为商用系统需要设置配套的辅助锅炉，进一步提高冬季供暖水平。

二、上海气候条件与供暖之间的关系

通过文献综述可知，近些年上海室外平均最低温处在2℃附近，供暖需要严格遵守相关规定，但45℃的出水无法实现机组的持续运行，即便室外温度有所回升，也会大幅度增加除霜频率，COP无法达标。对于商用企业来说，冬季室内最佳温度应该处在20℃以上，而为了实现这一目标，就需要引入小温差换热末端技术。该技术的运作方法分为以下几种：通过风机盘管末端缩小冷热水与室内空气的换热温差；通过地板供暖扩大辐射面，但这种辐射末端的方式只能用在工程尚未完成的建筑中，既定建筑无法使用。所以本文的实验选用了前者，风机盘管末端能够避免供水温度下降影响小温差换热，提高机组运行效能。比如，在R134a空气一水热泵系统中，若室外环境温度为3℃，使用增加末端换热面积的方式降低出水温度，使其符合45℃的标准，就会使其COP同比60℃高出14摄氏度，若再降低至35℃，就会进一步提高至24％。在这种思路下，本文以上海市内某95m2的街边饭店为例，针对性地安装了一套空气源热泵结合小温差换热末端的供暖空调系统，主要测量了其冬季供暖性能。

三、实验方法

本项目测试饭店位于上海市城隍庙区，内部可用面积为95m2，建筑内包括后厨、前台和用餐区，属于典型传统饭店结构。后厨和前台各布置了一台落地式风机盘管，用餐区布置了3台落地式风机盘管。建筑外墙使用砌块搭配4cm厚挤塑聚苯板，传热系数为0.55W/（m2·K）；屋面使用多孔混凝土加0.08m厚硬聚氨酯，传热系数为0.31W/（m2·K）；门上床以及侧面落地窗使用Low-E中空玻璃断桥铝合金窗，单层玻璃厚度0.5cm，真空层厚度0.7cm，传热系数为2.5W/（m2·K）。整体室内热负荷达到7.5kW。

该店使用的空气源热泵与小温差换热末端系统见图1。

图 1 空气源热泵结合小温差换热末端系统图

图中所示的结构中，热泵冷热水机所使用的是开利42VL型机组，可以直接设置出水温度。选用该机组的主要是希望能够通过换热末端实现控制出水温度的目的，因此在投入使用后要在一定范围内调整其制热量，从而帮助低温出水参数达标。水泵选用的品牌为欧驰达，该品牌产品受系统产生阻力的影响较小，能够确保扬程始终达标；室内换热末端为JAGA的Low-H2O末端，相较于市面上常见的传统分机盘管，该末端能够在低温位进水温度的情况中给出达标的制热总量。

测试内容主要包括温度、流量、电量三个模块。其中，使用温度自记仪测量温度，该自记仪最低测量温度为-10℃，最高温度为70℃，误差为±0.3℃，足够完成门磁研究。温度测量包括三个部分：室内空气温度、室外温度以及机组进出水温温度。使用涡流流量传感器测量流量，测量对象为机组出水流量，并可以根据该数据进一步得出机组供温量。使用电量采集仪测量电量，采集的数据会被输入专门的软件进行运行。

四、冬季工况24小时稳态性能

通过文献综述和测量结果可知，上海地区冬季工况实验饭店 24 小时室内外温度变化曲线如图2，其中，机组出水温度设定为35℃。

图 2 上海地区冬季工况实验饭店 24 小时室内外温度变化曲线

饭店室内使用小温差换热末端，因此出水温度为35℃。观察图2可知在上海冬天常规气温下，饭店室温始终保持在20℃以上。这表明本文选用的空气源热泵结合小温差换热末端供暖系统能够为室内提供充足的温度支撑。进一步观察图中信息可以发现，在优化系统设计后，机组除霜工作对房间室温的影响是微乎其微的。

冬季工况下机组与系统的24小时COP变化曲线如图5所示，其中，机组出水温度设定为35℃。

图 3 上海地区冬季工况 24 小时机组及系统COP变化曲线

观察图中信息可知，小温差换热末端能够将温度控制在35℃。需要注意的是，本次试验中使用的系统存在大量的管路阀门，复杂程度非常高，在非实验性应用的过程中可以选择更加优质的水泵以降低功率提高效率。

五、系统性能评价与分析

衡量空调供暖系统的主要指标包括舒适程度、经济效益以及能源消耗。通过文献综述可知，热泵供暖与传统电供暖的COP对比可以达到3：1，且舒适程度远超普通空气源热泵空调系统，经济效益也要高于地暖末端，甚至成本只有燃气中央供暖的一半。总的来说，该供暖系统具有非常高的推广意义。

结语

本文针对上海地区的气候特点，单独设计了一套具有一定针对性的空气源热泵结合小温差换热末端的空调系统，并将其投入实践，通过专业设备获取了相关参数。整理相关数据和信息发现，该末端确实能够实现控制出水温度的目的，相较于传统系统，该系统将热水出水温度控制在35℃即可实现室内供暖。该末端在投入使用后能够有效控制机组冷凝温度，确保COP始终保持在高水平，节能效果较好，能够实现整体系统的经济效益与节能效益双丰收。实际上，本系统只需要一台三匹室外机配风机盘管即可实现单一住宅或小面积饭店的室温调控，建设投入成本较低，不需要过多的运行费用，具有非常强的推广意义，特别是对于长江流域冬季气温过低且过于潮湿的区域，若使用者希望充分发挥热泵功能，还可以通过加设水箱的方式使用热水器，也可以开发出更加多元化的热泵功能。

参考文献

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