摘要：空气源热泵作为冷热源的系统既解决了夏季空调的需要，又可在冬季提供舒适的温水地板采暖。本实验研究以上海地区的一栋独立别墅住宅为对象，经过采暖期中一个月的实测，系统地测得了空气源热泵地板采暖的特性参数和运行能耗数据，把握了空气源热泵地板采暖的运行规律。本文基于实测数据，对上海地区将空气源热泵用于地板采暖系统进行技术经济性分析。
关键词：地板辐射采暖 冷热源 风冷热泵
1 引言
我国上海地区地处夏热冬冷地区，日平均气温低于5℃的天数将近60天。不设采暖空调时，冬季室内温度低于热环境卫生学下限标准，影响工作﹑生活和健康。由于该地区经济的发展和生活水平的提高，不但在夏季采用空调制冷已经相当普遍，而且对冬季的采暖需求也日趋增强。
空气源热泵夏季可制冷，冬季可提供低温热水。但冬季的低温热水在传统的空气-水空调系统中难以发挥出令人满意的采暖效果，而低温热水（一般在40-45℃左右）理论上却恰好满足地板辐射采暖系统的需要，从而有可能使能源得到梯级利用，提高能源的利用效率。同时将夏季供冷和冬季供热系统进行了合理整合。这样的系统形式虽然已经在北方地区得到应用，但对于在不同地区的适用性尚有待研究。
对地板辐射采暖的研究在最近几年得到展开，从传热模型的建立到实验室测定，也有一些地区的实际住宅的实测报告。大多数研究重点在对系统传热特性的研究上。然而系统的实际运行效果及运行经济性与热源方式，建筑围护结构，地区气候，居住习惯等诸多因素有关，系统的适用性尚有待进一步的考察验证。为此，笔者于2003年冬季对上海地区的一幢独立别墅住宅进行采暖期间的现场测试，系统地测得了空气源热泵用于地板采暖系统的特性参数，分析了在上海地区将空气源热泵用于地板采暖系统的技术及经济的可行性。
2 实验概要
测试对象的住宅为上海地区的一幢三层别墅，建筑面积约280 m²，地板采暖面积为164m²（总敷设率约为59%，对象房间敷设率接近100%）,地面装饰材料为实木复合地板。墙体为厚240mm的空心砖墙（未做保温），窗户为铝合金中空双层玻璃窗。地板采暖采用湿式施工（混凝土预埋管），埋管采用PEX管，管径规格为12/16mm（内径/外径），双回型布置，管间距150mm。本实验重点考察了位于住宅中位于二层的一间卧室，房间约14 m²，有南北东三面外墙，一面内墙，南，北面各有一扇外窗。如图1，图2示。
系统采用空气源热泵作为冷热源，夏季空调（水-空气式）和冬季供暖（辐射地板采暖）整合为一个系统（图3）。本实验对地板，室内温度，室外温度，维护结构内表面温度，供回水温度，水流量，机组耗电量进行了测试，所有数据能实时观察和自动记录。
图1 测试对象房间埋管及测点布置平面图
Fig.1 Plane figure of heating pipe and test point
图2 测试对象房间断面图
Fig.2 Sectional drawing of room and test point
3.1 空气源热泵地板采暖系统的热泵主机特性
空气源热泵冬季制热供水温度低，不足以满足传统的热风系统热交换的需要，一些产品则只好添置电加热器助力。显然这不符合节能高效原则。图2目前国内常见的温水循环式地板辐射采暖系统热源以壁挂式热水锅炉为主，在北方采用城市热网集中供暖的地方可通过板式水-水换热器换热降温后提供采暖温水，但这些都是属于高品位热源的利用，而空气源热泵在冬季制热工况下的供水温度正好吻合地板辐射采暖的条件。把握空气源热泵的温水循环及传热特性对于空气源热泵地板采暖系统的应用非常重要。
图3 风冷热泵空调/地板采暖系统示意图
Fig.3 Schematic drawing of floor heating system with air source heat pump
泵地板采暖的供回水温度变化特性，测试时室外气温约为0.3℃，热泵开机后，系统供回水温度逐渐升高，经过4.5小时，供水温度达到45℃，回水温度达到35℃。开机后供回水温差很快达到9.3℃，并稳定下来呈周期性的变化。实验测得该热泵机组的除霜间隔时间为45分钟，除霜时间很短，约为2～3分钟。除霜时，四通阀换向，进入制冷工况，室外风机停转，压缩机排气直接进入翅片管换热器，除去翅片表面的霜，供水温度迅速降低（图中供水温度瞬间低于回水温度是由于除霜反向运行所致）。虽然除霜时供水温度明显降低，但室温及地板表面温度下降幅度小，表明除霜期间对地板采暖效果影响不大，主要是因为除霜时间短，而温水式地板采暖的热容性较大。
图4 热泵系统供回水温度特性
Fig.4 Performance of water system of air source heat pump
图5 燃气炉热源系统供回水温度特性
Fig.5 Performance of water system of gas furnace
笔者对燃气炉热源方式的供水情况也进行了对比考察，结果是：燃气炉供水温度迅速达到设定值，回水温度逐渐上升，供回水温差有一个先增加再减小的过程（图中供回水温差较大是由于采用了不同于传统埋管方式的板状散热结构的地板采暖系统，该系统的实验内容另撰文介绍）。
风冷热泵供水温度渐近上升的特征在一定程度上影响了地板的快速预热能力及供暖能力。
空气源热泵需要采取除霜控制来保证系统在湿冷的气候条件下正常运行，一般说来，当室外的相对湿度大于50％时，气温在-1～7℃左右最容易结霜[1]。
笔者通过测试发现，空气源热泵机组随室外温度的变化，出现了三种工况并影响供水模式：
① 发生除霜的连续运行
当室外温度较低，低于5.5℃左右时，机组按这种方式运行，除霜周期为45分钟，除霜时间为2～3分钟，虽然除霜时间很短，但除霜还比较干净。室外温度
较高时，除霜周期变长，除霜周期为45～60分钟。
② 无除霜连续运行
随着室外温度的升高（5.5℃～7.5℃），室外盘管的温度一直高于除霜设定的下限值，此时热泵机组不需要除霜，机组连续运行。
③ 过热保护间歇运行
图6 空气源热泵的三种供水模式
Fig.6 Three supplying water models of air source heat pump
图7 室内环境条件（室外7.3℃,运行8小时后）
Fig.7 Indoor environment of floor heating system
当室外温度继续升高到7.5℃左右时，供水温度达到50℃左右，出于对机组的保护，主机会自动停机，循环水泵仍工作，等供水温度下降达到40℃左右以后，主机又开始工作，如此间歇运行，间歇周期不定，随室外温度升高，周期变短，由于地板采暖对水温不敏感，为了不让机组频繁开关机，可以让水温的下限设定值更低一点，加大调节幅度。
由于室外温度不同，从而导致热泵供水模式的不同，虽然围护结构的蓄热作用对温度波有较大的衰减，但是室外温度的降低还是引起室内温度的明显降低。笔者经过长达一个月的采暖工况测试，取几次典型测试结果，以说明不同室外温度时，室内温度的差异，结果见表1。
表1 室外温度对房间温度的影响 Table 1 Effect of out air temperature to Indoor temperature 测试日室外温度（℃）开机运行时间（小时）地板表面平均温度（℃）室内空气温度（℃）非采暖房室温（℃）1月25日2.81321.615.7 2月13日5.2520.816.613.02月11～12日7.3822.617.412.92月13日13.21325.818.814.3 表1中，比较1月25日（室外温度2.8℃）与2月13日（室外温度5.2℃），地板表面温度的测试值前者高于后者，原因是其开机运行的时间后者较短，还没有达到稳定工况。1月25日和2月13日的测试均是开机13小时后所测结果，此时地板采暖系统已基本稳定。从2月11～12日和2月13日的测试结果看，地板采暖房比非采暖房室温高4.5℃左右。
3.2 风冷热泵为热源的温水式地板采暖效果及其影响因素分析 针对风冷热泵的供回水温度特性对地板采暖系统的供热能力的影响问题，笔者通过长期的测试进行了探讨，发现当室外气温在2℃～13℃变化时，空气源热泵地板采暖系统的室内温度基本上处在15.5℃～19℃，地板表面平均温度基本上处在20℃～24℃，温热感偏低。图7，表2所列数据为热泵开机运行8小时后所测。 表2空气源热泵地板采暖效果able 2 Heating effect of floor heating system with air source heat pump 室外温度（℃）室内温度（℃）地板表面平均温度（℃）地板表面最大温差（℃）平均辐射温度（℃）实感温度（℃）地板总散热量（W/m²）地板向上散热量（W/m²）地板向上散热比例7.317.422.6316.917.294.454.558％ 注：上表中的地板向上发热量采用ASHRAE算法【2】计算。
影响该系统的采暖效果的因素是多方面的，不仅和热泵的供水特性有关，如供水温度和流量，还和地板构造有关，如管径，管间距，构造层厚度，地面敷设材料，保温材料和厚度。此外，不容忽视的是围护结构的保温性的优劣程度严重影响了地板采暖系统的效果，特别是外墙和外窗的比例较大（如独立别墅）的住宅。笔者在测试中发现，有三面外墙的房间室内温度为15.5℃，同楼的只有两面外墙的房间室内温度为16.8℃，温度要高1.3℃，可见围护结构对地板采暖效果影响很大。
另外，从表2的数据得知，室内平均辐射温度（地上1.1m）低于该点的空气温度，从表1得知，但室外气温降到3℃以下时室内温度将难以达到冬季室内温度设定下限值（16℃）。这是因为室内外墙多且围护结构未做保温，导致室内并未完全形成辐射采暖应具有的热舒适环境。所以，采用地板采暖系统的建筑应该执行夏热冬冷地区节能规范，对外墙做保温处理。这样的问题应得到重视和研究。
对于空气源热泵地板采暖，由于室外温湿度会影响热泵除霜特性，进而影响供水温度特性和COP，因此，室外温湿度对空气源热泵地板采暖系统的影响要大于其他热源方式的地板采暖系统。上述中的众多影响因素综合作用决定了地板采暖的效果。热源方式和运行方式，建筑围护结构（保温），供回水温度，地板表面温度，室温和围护结构的各内表面温度，这些因素之间相互影响和作用，形成复杂的传热及耦合过程，限于篇幅，笔者将在别篇通过实验和数值模拟详细讨论这个问题
。
一般来说间歇运行条件下低温热水地板采暖系统预热时间较长，本系统在开机的前5个小时内，有效发热量与时间基本上呈二次曲线关系（图9）。当室外温度较低时，开机后11小时，回水温度才稳定，系统达到稳定状态（图10）。预热时间较长的特性在一定程度上限制了地板采暖系统的应用，即使采用不同的热源方式，例如间歇运行条件下的电热水锅炉的地板采暖系统预热时间一般也需要10～11小时【3】。地板采暖系统的预热时间的短缩将成为地板采暖推广应用的一个要素。图8 空气源热泵地板采暖预热特性Fig.8 Warming-up performance of floor heating system with air source heat pump图9 空气源热泵地板采暖预热时间Fig.9 Warming-up time of floor heating system with air source heat pump
从图10，图11看出，对于空气源热泵地板采暖，在开机后的前5个小时内，地板温升和室温温升与时间的关系基本上呈线性关系。其上升的快慢与室外温度，围护结构保温条件有关。蓄热阶段，地板温降和室温温降与时间的关系在关机后的5个小时内也基本上呈线性关系。其下降的快慢也和室外温度有关，室外温度较高时，曲线下降变缓。图10 地板表面温度和室温温升Fig.10 Temperature rise of floor surface and indoor air图11 地板表面温度温降和室温温降Fig.11 Temperature drop of floor surface and indoor air
3.3 运行能耗和经济性
空气源热泵地板采暖可以采用连续运行方式和分时段连续运行方式，考虑到连续运行方式运行费用较高[4]，笔者试图找到一种既能满足采暖舒适要求，又能节能的经济运行模式。考虑到普通居民的作息时间安排，笔者设立了一种分时段连续运行的模式，即当天凌晨03：00开机，运行4小时至早上07：00关机，下午16：00再开机，运行4小时到晚上20：00关机。图12表明采用此种分时段连续运行模式，关机后室温不会下降很多，室温波动只有2℃。为了考察此种模式的运行能耗和经济性，笔者测试了热泵机组的耗电量（耗功率），计算出COP，测试结果见表3。其中室内温度一楼卧室（三面外墙）为15.5℃，一楼厨房（两面外墙）为16.8℃。若以此种模式运行，按照上海的分时计价，每平方米每个月需要的采暖费为5.27元，100m²采暖住宅每月的采暖费约为527元（面积为采暖对象面积）。表3 空气源Table 3 Parameter of continuous running periodically of floor heating system with
air source heat pump室外温度（℃）室内温度（℃）供回水水温差（℃）水流量（L/min）平均制热量（kW）平均耗电量（kWh/h）平均COP4.715.5/16.89.41610.53.82.7图12 分时段连续运行采暖温度的变化Fig.12 Temperature change of continuous running periodically
4 结论
通过对上海地区独立别墅住宅的实测调查，初步把握了空气源热泵地板采暖系统的运行特征和效果。通过分析得出下面的见解。
1）在上海现状的大多数住宅保温条件下（未保温）室内温度大多尚不能满足采暖设计要求。当室外温度在2℃～13℃变化时，空气源热泵地板采暖系统的室内温度基本上处在15.5℃～19℃，地板表面平均温度在20℃～24℃。采暖效果与围护结构等众多因素有关，外围护结构的构成和保温条件对室内空气温度影响较大，外墙未作保温的室内平均辐射温度低于空气温度。有两面外墙的房间室温比有三面外墙的室温高1.3℃。
2）预热时间较长。热泵开机后，供回水温度逐渐上升。室外温度较低时，约经过11小时系统才基本稳定。系统的应用普及需要进一步探讨速热功能或运行方式。
3）空气源热泵的周期性除霜对系统供热影响甚微。供回水温度，水温差呈周期性的变化，但短暂时间的除霜对地板采暖影响不会太大。
4）空气源热泵地板采暖受室外气温影响较大，随室外气温的变化，会出现三种供水模式，除霜间隔时间可以适当拉长，避免频繁融霜。由于地板采暖对水温不敏感，可以将水温的下限降低，调节幅度加大，避免频繁开关机，影响机组寿命。
5）为了既达到采暖要求又节电减少运行费用，可以根据作息方式进行分时段连续运行模式。其运行的效果费用比的问题有待进一步研究。
参考文献
1 蒋能照. 空调用热泵技术及应用[M]. 北京：机械工业出版社，1997.182-185
2 ASHRAE Handbook 2000 HVAC Systems and Equipment. Panel heating and cooling[J]. 6.1-6.4
3 陈海波. 低温热水地板辐射采暖地板板体传热性能的研究[D]. 硕士论文
4 王子介. 辐射采暖住宅建筑能耗与室内作用温度[J]. 南京师范大学学报2002年
