天津农村住宅空气源热泵供暖应用分析
天津农村住宅空气源热泵供暖应用分析天津大学邢金城&赵宇新凌继红△杨秩勋
天津市建筑设计研究院有限公司周忆惟
摘要为研究天津农村地区空气源热泵供暖取代燃煤供暖后居民的热舒适需求变化及不 同供暖末端的供暖效果，在天津某农村进行了热舒适调研，并实测了空气源热泵+散热器/风 机盘管系统的运行性能，最后利用模拟软件进行了建模比较分析。调研发现，天津农村地区冬 季供暖时90%居民可接受的操作温度范围为16. 4〜19. 2 ’C。实测表明，风机盘管用户室内空 气温度高于散热器用户，且日均单位面积供暖电耗与散热器用户基本相同。能耗模拟结果也 表明，在保障室内舒适度前提下，供暖末端为风机盘管时所需机组供回水温度比散热器低，供 暖电耗少。
关键词空气源热泵农村住宅热舒适散热器风机盘管能耗
A p p lic a tio n of air-source h eat pum p heating systems
to rural residences in Tianjin
郑爽个人资料简介及By Xing Jincheng^, Zhoo Yuxm , Ling Jihong, Yang Zhixun and Zhou Yiwei
Abstract In order to study the change of residents’ thermal comfort demand when air-source heat pump
heating instead of coal-fired heating and the heating effect of different heating terminals in rural areas of Tianjin, conducts a thermal comfort survey in a rural area of Tianjin, and tests the on-site performance of radiators/fan coils combined with an air-source heat pump. To compare the heating effect of two heating terminals, establishes an energy consumption model by the simulation software. The survey results show that 90% residents in rural areas of Tianjin can accept the operating temperature range of
16.4-19.2 °C during winter heating. The measured results show that the indoor air temperature of the fan-
coil users is higher than that of the radiator users, and the average daily heating power consumption per unit area is almost the same as that of radiator users. The energy consumption simulation results also show that on the premise of indoor comfort, the required supply and return water temperature of the fan-coil heating system is lower than that of the radiator heating system, and the heating power consumption is less.
Keywords air-source heat pump, rural residence, thermal comfort, radiator, fan coil, energy consumption
★Tianjin University, Tianjin, China
〇引言
近几年，为了解决冬季燃煤供暖带来的环境污 染问题，在京津冀农村地区，广泛开展了空气源热 泵供暖代替燃煤供暖的工作。基于这一现状，空气 源热栗系统在北方农村住宅的应用研究引起了学 术界的广泛关注。空气源热泵的优势主要体现在 清洁环保、高效节能、电网升级费用低、舒适安全、操作简单、清洁卫生等几个方面[1]。曹宇婷等人对 *
*国家重点研发计划项目“可再生能源绿建筑领域应用效果研究”(编号：2016YFC0700104)空气源热泵在农村地区应用的制热性能进行了测 试，连续4天对北京市昌平区的某农户进行测试，室外平均温度为一7. 49 "C，测试房间的平均室内 温度为16. 91〜18. 65 'C，室内舒适度较好，基本能
☆邢金城，男，1962年6月生，硕士研究生，副教授
A凌继红(通信作者）
300350天津市津南区雅观路135号天津大学环境科学与工程学院
E-mail：jihongling@126. com
收稿日期：2019-07-09lol瑞文出装
一次修回:2019-10-24
二次修回：2020-12-10
满足农村居民生活要求[2]。李爱松等人对北京农 村空气源热栗供暖项目作了运行实测，其中系统 C O P大于1.8的项目占比达到80%以上，表明空 气源热泵系统的实际应用效果是可观的，且末端散 热效率对热栗系统能效的影响非常显著，在系统应 用时应重点考虑[3]。周海舰等人对15个典型农村 住宅中安装的空气源热泵供暖系统进行了长期监 测，其中供暖方式包括散热器供暖、地板辐射供暖 及散热器十地板辐射供暖3种类型，空气平均温度 分别为20. 10、19. 80、16. 21 •(：，3种供暖形式下单 位面积平均运行费用分别为18. 2、20. 2、21. 7元/ 潘雷刚等人对户式空气源热泵供暖系统不 同末端形式进行了测试，发现地板辐射盘管用户比 散热器用户的运行费用低[5]。S u等人通过对北京 农村空气源热泵用户进行问卷调查，并对数据进行 了分析，研究用户的满意程度，认为总的价格相对 于产品本身来说更能影响用户的满意程度M。H u 等人对空气源热杲系统不同散热末端的效果进行 了实验研究，认为地板辐射末端热舒适性最好，新 型金属散热器、标准风机盘管、地板辐射供暖运行 费用分别比铸铁散热器高25%、28%、43%，且在 “煤改电”项目中不推荐使用铸铁散热器[7]。靳路 采用T R N S Y S模拟软件对太阳能-空气源复合热 栗系统进行了模拟，得到该系统在供暖季的平均 C O P为4.5，
较空气源热栗系统单独运行提高了 26%[8]。现有研究多为空气源热泵系统运行实测 分析，并没有结合居民供暖的热舒适要求，而且针 对供暖末端为风机盘管的研究较少。
笔者以天津地区成功实施空气源热泵供暖的 某村为对象，进行热舒适调研，并对采用散热器和 风机盘管为供暖末端的两家农户进行了运行实测。为消除被测试用户的建筑围护结构热工性能、人员 活动情况和供暖习惯的差异对能耗的影响，后续采 用EnergyPlus模拟方法，对采用不同供暖末端(散 热器和风机盘管)空气源热泵供暖系统的热舒适性 和能耗进行对比分析。
1室内热舒适调查
1.1测试内容及方法
本次调研对象为武清区某村，调研时间为2017—2019年2个供暖季。该村于2016年入冬 前完成空气源热泵安装并于2016—2017供暖季投 人使用，效果良好。为研究供热形式变化对居民热舒适需求的影响，笔者采取随机走访的形式对居民 进行了热舒适问卷调查，并对室内环境参数进行了 测试。问卷中关于受访者主观评价部分设置了 6 个关于热感觉、热期望、湿感觉、湿期望、吹风感、吹 风期望的问题。被测室内环境参数包括空气温度、空气相对湿度、黑球温度和空气流速。测试仪器型 号及参数见表1。
表1热舒适调查测量参数与仪器
仪器名称仪器精度空气温度温湿度自记仪士 0_ 2 r
空气相对湿度温湿度自记仪士 1.5%
黑球温度湿球黑球指数仪±0. 5 X：
空气流速热线风速仪土0•015 m/s
考虑到环境与人体的对流换热与辐射换热，本 文采用操作温度作为热舒适指标来计算热中性温 度，操作温度k为空气温度G和平均辐射温度G 的平均值^。
平均辐射温度G为
+2.4w0-5(；E—f a)(1)式中G为黑球温度/C p为空气流速，m/s。
1.2热舒适调查分析
本次调研村庄共有200户家庭，对其中72户家庭进行了热舒适调查研究，共有104名身体健康 的居民参与。受访者以中老年体为主，其中女性 占比52%，男性占比48%。
1.2.1室内环境参数和服装热阻分布
室内环境参数测量统计结果见表2。
表2室内环境参数
平均值最大值最小值空气温度/'C18.022.914.4
平均辐射温度/°c18. 123.213.8
相对湿度/%33. 760.721.3
空气流速八"1/3)0.0140.0800表3给出了冬季热泵供暖农宅居民的服装热 阻分布情况。由表3可见，居民的服装热阻集中分 布在1. 1〜1. 3 clo之间，占所有受试者人数的42. 9%。
表3服装热阻统计
服装热阻区间/do居民典型衣着搭配形式占比/%
0.9 〜1.1秋衣+毛衣、秋裤+外裤8.6
1.1 〜1.3秋衣+毛衣、秋裤+绒裤4
2.9
1.3 〜1.5秋衣+毛衣+外套、绒裤+外裤30.0
1.5 〜1.7秋衣+毛衣+外套、秋裤+毛裤+外裤18.5 1.
2.2热感觉M T S评价
图1显示了热泵供暖农宅的热感觉投票分布 情况。其中，热感觉投票为一1、〇、1的样本分别占
19.8%、60. 4%、17. 0%，即 97. 2%的热泵供暖居 民对当前热环境是接受的。
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个人自传 入党芝50.
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热感觉投票
图1热泵供暖农宅居民的热感觉投票分布
图2显示了平均热感觉投票和操作温度的关 系。采用温度频率法(B I N法)对热舒适现场实测 数据进行回归分析[9]，通过线性拟合可得到居民平 均热感觉投票值JVTTS与操作温度的关系式：
M T S = 0.35«o p-6.27 (2)当M T S=0时，可得到居民热中性温度为 17.8 •(：；当iW：T S=—0.5〜0. 5 时，得到 90%居民 的可接受温度范围为16. 4〜19.2 °C。可以看出，农村居民对居住环境的热舒适要求相对于G B/T
操作温度/r
图2平均热感觉投票和操作温度的关系
50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中主要 房间室温为14 I：的要求[1°]提高了 3.8 X：。
2空气源热泵系统供暖性能的监测
2.1建筑信息及系统形式
为了分析当前空气源热泵实际供暖效果，选 取末端分别为散热器和风机盘管的2户典型住 宅作为空气源热泵供暖系统运行实测对象。被 测用户概况见表4，建筑平面及室内供暖末端分 布见图3。
2户典型住宅采用的热源均为相同型号的低 温空气源热泵，机组信息及末端形式见表5。
表4被测用户概况
末端形式供暖面积/m2农房形式常住人口
住宅A散热器80非保温，外墙为37〇m:m墙，内墙为240 m m墙，5+6A+5铝合金单框中空窗，坡屋顶一对中老年夫妇
住宅B风机盘管80非保温，外墙为370 m m墙，内墙为240 mm墙，5+6A+5铝合金单框中空窗，坡屋顶一对中年夫妇和一对青年子女散热器用户建筑平面图
b风机盘管用户建筑平面图
图3被测用户建筑平面及室内供暖末端分布
表5被测用户供热系统信息
机组额定制热量/输入功率/k W 数量/
台
机组名义制热量/
输入功率/k W
辅助电加热
功率/k W
内置水泵流
量/(m3/h)
内置水泵
扬程A n
内置水泵额
定功率/W
末端形式
住宅A14.2/4. 2618.7/3. 66347115柱翼780型散热器
住宅B14.2/4. 2618.7/3. 66347115卧室F P-51暗装风机盘管，
客厅F P-68立式风机盘管注：额定制热工况为进水/出水温度40'C/45 ‘C、干球/湿球温度7 'C/6 ’C；名义制热工况为出水温度41 X：、干球/湿球温度一 20'C/—21
2.2测试内容及方法
系统供暖性能测试内容包括典型房间室内空 气温度、供回水温度、机组耗电量和系统循环水量。测试所用仪器及精度如表6所示。每户农宅选取 3〜5个房间对室内空气温度进行监测，每个房间布置2个测点，测点设置在距地面1. 2 m高处，依 托橱柜、书桌摆放，采样间隔为1h。在机组进出 水口布置供回水温度测点，采样间隔为2 m i n；机 组耗电量由单相电表和电表数据采集器进行数据 采集，采样间隔为7 s
；系统循环水量采用超声波流
□期
风机盘管用户室内日平均温度+敝热器用户室内日平均温度—室外曰平均温度
图4测试期间散热器用户与风机盘管用户室内平均温度对比
2.4典型日系统控制模式分析
2月4日室外空气平均温度为一1. 1 °C，与测 试期间室外平均空气温度水平接近，作为测试时间 段的典型日进行分析。
典型日散热器用户与风机盘管用户房间温度 和系统供回水温度的变化如图5所示。空气源热 栗供暖系统控制方式如下：机组根据用户设定的回 水温度进行启停操作，启停温差为±4 °C，水栗定 流量不间断运行。从图5可以看出：散热器用户将 回水温度设定为48 C，风机盘管用户则将回水温 度设定为46 X：，低于散热器用户；以散热器用户为 例，当回水温度低至44 C时机组开启，回水温度升 到52 C时机组关闭，供回水温度开始下降且差值 逐渐变小。
另外可以看出，由于现阶段机组供回水温度由 人为控制，不能及时响应室外温度变化，导致室温nl I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I. B§§§§8S8§§S§g§S S8§§§§§8§f
O — C^C〇r fl〇U3h~O C〇5〇 — C M C O'rL O tO f^O O O JO — csjnrr G O O O C D O i i'—1 •~'i—i*C N J C^J C'J c\j
时刻
卧室A空气温度+书房空气温度+卧室B空气温度餐厅空气温度
+卧室C空气温度—供水温度
---+回水温度
a散热器用户
量计测量。
表6供暖性能测试仪器
仪器精度空气温度温湿度自记仪±0. 2 r
机组供回水温度贴壁式温度自记仪士 0. 2 °C
机组耗电量智能电表士 1.0%
系统流量超声波流量计士 1.0%
2.3室内热环境监测情况分析
测试时间段为2019年1月4日至2月19日，测试期间室外日平均温度为_6. 8〜3. 6 X：，平均 值为—1.7。。。
对测试期间全天连续供暖房间室内温度作加 权平均，权重系数取各房间体积占比，得到散热器 用户和风机盘管用户平均室温，结果如图4所示。可以看出：整个测试期间散热器用户室内日平均温 度为14. 7〜18. 1X：，平均值为16. 3 ’C；风机盘管 用户全天连续供暖房间室内日平均温度为16. 7〜
19.2 X：，平均值为17.9 "C。风机盘管用户室内空 气温度高于散热器用户。
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O ■—' C M CO ^7* lO tD C C O C T l O■—1 C'J CO ^10^0CC C7^O•—* C N1 C O
O O O O O O O O O O —---------------------------------■ C M C M C M C N J
时刻
+卧室A空气温度+卧室B空气温度+卧室C空气温度
—供水温度回水温度
b风机盘管用户
图5典型日散热器用户与风机盘管用户供回水温度与
各房间温度的变化
波动较大，而且人为调节周期长。因为热泵的能效 与供水温度有很大关系，相对节能的控制方法是根 据室外温度所处区间值选择相应供回水温度值。如果在室外温度较高的情况下，仍然维持很高的供 回水温度设定值，就会导致系统过量供热，不仅造 成浪费，还会影响室内的舒适性。
2.5系统能效性能分析
根据实测数据计算分析得到的测试期间散热器 用户和风机盘管用户能效性能参数如表7所示。测 试期间系统O O P随室外温度的变化如图6所示。
好听的日文歌表7被测用户空气源热泵系统能效性能参数
平均供水平均回水除霜能机组系统
温度/°c温度r c耗占比/%COP COP
散热器用户49. 8047.832.842.482.28
风机盘管用户48. 3846. 044.872. 562.21由表7可知，2个被测用户的平均回水温度基 本与各自设定值
相等，平均供回水温差接近2 ’C。风机盘管用户平均供水温度和平均回水温度低于 散热器用户，这是由于风机盘管末端与空气进行对 流换热，属于低温末端，也即所需的水温更低。两 者除霜能耗占比不到5%，可见对于天津地区采用 空气源热泵供暖时，除霜能耗所占比例较小。
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散热器用户系统O T
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室外温度
图6空气源热泵供暖系统性能系数C O P 与室外温度逐日变化
从图6可以看出，2个被测系统C O P 大部分 时间保持在2以上，且系统C O P 变化趋势与室外 温度变化趋势基本一致。部分时间段不一致可能 是由于末端开启数量和时间由用户控制，有一定变
化。而且环境空气湿度、除霜等均会影响C O P 。
图7显示了散热器用户与风机盘管用户在测 试期间各自系统的耗电量与制热量的逐日变化。 测试期内散热器用户机组制热量共计28. 0 G J .系 统用电量共3 429 k W  • h ，其中水泵耗电量共265
k W  • h ，平均供暖负荷指标约84 W /m 2，日均建筑
单位面积供暖电耗〇. 89 k W  . h /(m 2 • d )。
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H 期
a 散热器用户
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b 风机盘管用户
什么是渎职罪■耗电量。制热f t
图7散热器用户与风机盘管用户耗电量与制热量的逐日变化
风机盘管用户客厅的风机盘管基本处于长期 关闭状态，实际供暖面积为45 m 2，机组制热量共 计15. 1 G J ，系统用电量共1 898. 9 k W  • h ，其中水 泵耗电量共254 k W  • h ，平均供暖负荷指标约为
82. 5 W /m 2，日均单位建筑面积供暖电耗0. 90
k W * h /(m 2 • d )。可以看出两者日均单位建筑面
积供暖电耗基本相同，但风机盘管用户室温高，且 供暖房间较为分散及向非供暖房间的传热都在一
定程度上增加了其电耗。
3空气源热泵供暖不同末端供热特性模拟分析比较
测试过程中被测用户由于建筑、人员、使用时 长等都会有差异，且连续监测的为空气温度，而非 室内操作温度。为了消除这些影响，本文用 EnergyPlus 模拟软件进行模拟分析，时间步长设 为1 h [7]。在同一建筑环境中对比末端为风机盘管 和散热器时两者在室内热环境、系统供回水温度、 电耗上的差异。3. 1模型建立与验证
香烟保质期
用Open  Studio 建立了如图8所示的散热器 用户和风机盘管用户模型，参数设置与上文中实测 调研结果一致。图9显示了 2月12日散热器用户 与风机盘管用户室内逐时温度和逐时耗电量的模 拟与实测数据对比。
散热器用户
b 风机盘管用户
图8
散热器用户与风机盘管用户模型图
1(
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时刻
散热器用户
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O O O O O O O O O O  — —I— — -------------- C N J  C N J  C M  O J
时刻
b 风机盘管用户
+卧室A 空气温度（实s p )
+卧室A 空气温度($拟值）
+餐丨[空气温度(实测值） +|丨1：空气温度(邊拟值）
+累统逐时耗电攮(实测值）
累统逐时耗电t  (模拟值）
图9
散热器用户与风机盘管用户模拟值和实测值的对比
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