董建鍇¹，閆森¹，黃 順^1,2，姜益強¹，姚楊¹
1哈爾濱工業大學 熱泵空調技術研究所；2中鐵第四勘察設計院集團有限公司

【摘  要】為解決常規空氣源熱泵供暖中存在的熱舒適性差的問題，本文結合輻射供暖具有較高熱舒適性的優點，提出了一種基于輻射和強制對流換熱的新型供暖末端，搭建了空氣源熱泵輻射對流換熱性能實驗臺，并對其性能進行實驗研究。實驗結果表明：在額定制熱工況下，系統COP趨于穩定在2.90~3.02之間，較集中供暖系統節能；當墻面板送風速度從2.3m/s降低1.2m/s時，系統輻射換熱占總換熱量的18.1%~25.9%，因此調節墻面板的送風量可以有效調節輻射換熱和強制對流換熱比例。

【關鍵詞】空氣源熱泵；墻面板；強制對流換熱；輻射換熱

【基金項目】國家自然科學基金（51608146）

Keywords: Air source heat pump; Radiant panel; Forced convection heat transfer; Radiative heat transfer

0 引言

       隨著我國城鎮化的不斷發展，建筑能耗大幅增加，目前已占到社會總能耗的30%-40%，而其中40%左右為冬季供暖能耗。隨著南方供暖的不斷推進，其所占比例還將繼續增大^[1]。此外，近年來，我國霧霾天氣頻發，空氣污染嚴重，而這已經成為了我國最嚴重、最亟待解決的環境問題之一。因此，面對節能減排的重大挑戰，高效節能的建筑供暖新技術已成為暖通空調行業發展的主要方向之一。

       空氣源熱泵作為一種清潔且節能的供暖技術，在我國被越來越廣泛地使用，尤其在長江流域各地區。但是常規空氣源熱泵在冬季供暖時通常采用上送上回的送風方式，一方面由于熱風未與室內空氣充分換熱直接進入回風口，導致熱能利用率低，造成能源浪費；另一方面由于送風熱氣流的上升，房間熱分層現象明顯，進而導致房間不同高度垂直溫差較大，人體熱舒適性較差^[2]。此外，為了提高空氣源熱泵制熱效率，通常送風風速較大，從而造成了吹風感，進一步降低了室內環境的熱舒適。因此，常規空氣源熱泵冬季供暖過程中的不舒適性已經成為制約其推廣應用的重要因素。

       為了改善常規空氣源熱泵供暖過程中惡化的室內熱環境問題，國內外學者在空氣源熱泵系統和供暖末端等方面開展了相關研究。陳小慧^[3]對采用變頻空調進行供暖和制冷的辦公室內溫度場進行了測試。結果顯示夏季制冷時室內垂直溫差僅有 0.3℃，而冬季供暖時室內垂直溫差達到 2.7℃，在過渡季節房間工作區域的垂直溫度梯度達 2.4℃; 費玉敏^[4]對新型低溫熱水墻面輻射供暖系統中兩種不同鋁板面層的溫度和熱流密度進行了分析，并擬合了其隨水溫變化的關系式，且兩者的輻射換熱比例均高于 65%；徐幫耀^[5]實驗和模擬研究了低溫熱水墻面輻射供暖系統性能的影響因素，并分析了墻面板布置位置及管間距等因素對室內熱舒適和能耗的影響，為系統優化提供了參考；曾章傳^[6]實驗研究了直膨式空氣源熱泵地板輻射供暖的室內熱舒適性和系統能效，得出該供暖方式具有熱舒適性高、節能效果好的優點，并模擬研究了管間距、填充層厚度、地面層材料等因素對地板傳熱的影響，為優化地板輻射供暖系統提供了有益參考；Chae^[7]模擬研究了地板輻射供暖系統中盤管參數對墻面板換熱性能的影響，通過優化盤管結構可以改善液體循環，從而有效提高系統的換熱量。李夢竹^[8]模擬研究了冷凝溫度對直膨式空氣源熱泵地板輻射供暖系統制熱性能的影響，并對該系統進行了經濟性分析，得出該系統具有良好的熱舒適性和經濟性。

       綜合國內外研究現狀不難發現，雖然前人對常規空氣源熱泵供暖系統、以熱水為媒介的輻射供暖系統、以制冷劑為媒介的輻射供暖系統方式均進行了一定的研究，取得了一定的效果。但在實際運行過程中都會存在一些不足:

       1）空氣源熱泵制熱過程中采用強制對流換熱方式，雖然提高換熱效率，但造成了室內空間溫度分層大，燥熱感明顯、有吹風感等問題，熱舒適性問題未能得到有效解決;

       2）對于以熱水為媒介的墻面板供暖系統,雖然熱水輻射供暖系統有著熱舒適較高的優點，但換熱損失和輸送損失較大，系統能效較低；

       3）以制冷劑為媒介的地板輻射供暖系統中經常會出現制冷劑泄露，以及維修管理不便等諸多問題；

       為了有效解決上述問題，本文設計了一種新型的墻面板結構的供暖末端，并搭建系統實驗臺，開展直膨式空氣源熱泵墻面板供暖系統性能實驗，研究壓縮機吸排壓力、墻面板進出風溫度、系統制熱量、壓縮機功率、系統 COP等特性參數的變化規律，分析室外環境溫度和墻面板的送風量對系統制熱性能的影響。

1 試驗臺介紹

       1.1 系統流程

       考慮到部分儀器流通的單向性，以及直膨式空氣源熱泵墻面板供暖系統在供暖和除霜過程中制冷劑的流向不同，設計的實驗系統流程如圖1所示。

       該系統主要由墻面板、室外機、壓縮機、四通換向閥、熱力膨脹閥、質量流量計、球閥等構成，通過控制球閥的開關，來保證系統在供熱模式、制冷模式、除霜模式下的安全運行和儀器的單向流通性。制冷劑的流程如下：

       壓縮機→四通換向閥→球閥 1→干燥過濾器→質量流量計→球閥 4→墻面板→視液鏡→熱力膨脹閥→球閥 5→室外機→四通換向閥→氣液分離器→壓縮機

       1.2 實驗裝置

       整個實驗裝置由室內環境模擬小室、室外環境模擬小室、室內外熱環境控制系統、熱泵系統等四個部分組成，如圖2所示。

       室內環境模擬小室和室外環境模擬小室的尺寸分別為4×4×2.8和2×2×2m(長×寬×高)。在室外模擬小室中，通過溫濕度控制器控制室外環境模擬小室里面暖風機和加濕器的啟停來控制室外環境的溫度和濕度，從而滿足不同實驗工況的需求。而室內環境模擬小室則分為制冷系統、加熱系統、通風系統、測試小室四大部分，其中測試小室作為安放墻面板并測試其制熱性能的室內環境模擬小室。熱泵系統的室外機是將一臺1匹分體空調室外機為原型進行改裝，將壓縮機換成1匹R410A定頻壓縮機，節流元件為熱力膨脹閥，室內機為新型的末端裝置墻面板，其中墻面板的結構如圖3所示。該墻面板的正面為紫銅板，背面為翅片+銅管的形式。翅片管的后面做一層保溫層，避免墻面板向后面傳熱。銅板、翅片管以及保溫層之間形成一個風道，進風口處設置貫流風機以達到強制對流換熱的效果。銅板表面通過輻射和自然對流換熱的方式向室內供暖，翅片管通過強迫對流換熱的方式向室內供暖，調整風量的大小可以改變墻面板輻射換熱和對流換熱的比例。

       1.3測試方法

       本實驗主要測量的物理量為溫度、濕度、壓力、質量流量和功率等。實驗過程中采用鉑電阻測定墻面板表面和進出風溫度、室外機的進出風溫度和系統中各主要部件的進出口制冷劑溫度以及室內溫度；Hygroflex3濕度傳感器測定室外機進出風相對濕度；用丹佛斯AKS3000壓力傳感器測定系統各部件進出口的制冷劑壓力；型號為 DMF-1-2-A質量流量計，用來測定制冷劑通過墻面板的質量流量；單相有功功率變送器測定壓縮機和風機的耗功；實驗數據的自動檢測與儲存采用Agilent 34980A多功能數據采集儀實現。

       1.4 實驗方案

       對該直膨式空氣源熱泵墻面板常規供熱研究的實驗方案包括以下三部分：

       （1）根據國家標準[9] ，室內外環境維持在標準的額定制熱工況，即室外機進風干球溫度為 7.0℃，濕球溫度為 6.0℃（相對濕度 86%），墻面板進風干球溫度為 20.0℃，通過控制模擬室外環境小室中的暖風機、加濕器、制冷設備控制室外環境干球溫度為 7.0±0.3℃，相對溫度為 86%±3%；開啟測試小室外的制冷系統、供熱系統以及送風系統，調節送風溫度，控制室內墻面板進風干球溫度為20.0±0.3℃，墻面板送風量調至高檔風量為 551m3/h，分析該系統的制熱性能；

       （2）實驗研究室外環境溫度對系統制熱性能的影響。本組實驗中，墻面板風量調為高檔風量為 551m³/h，墻面板進風溫度控制在 20℃±0.3℃，室外環境溫度變化范圍：-4.0℃～10.0℃，室外相對濕度控制在 60%±3%；

       （3）室內外環境控制維持在標準的額定制熱工況，即室外機進風干濕球溫度為7.0/6.0℃，墻面板進風干球溫度為20.0℃，調節的墻面板送風量分別為551m³/h、503m³ /h、456 m³ /h、288 m³/h，所對應的送風速度為 2.3m/s、2.1 m/s、1.9m/s、1.2m/s，研究室內墻面板送風量對系統制熱性能的影響。

2 實驗結果分析

       2.1 額定工況下系統的制熱性能

       該系統在0min 室內外環境均達到標準的額定制熱工況，并在該工況下連續運行 90min。

       圖 4給出了墻面板空氣側制熱量、強制對流換熱量、輻射換熱量、自然對流換熱量和墻面板蓄熱量的變化，其中墻面板空氣側制熱量為強制對流換熱量、輻射換熱量、自然對流換熱量和墻面板蓄熱量之和。開啟室內風機后，強制對流換熱量逐漸上升，在 25min 時上升至 2319.2W，之后基本穩定在 2319.2~2562.6W 之間，輻射換熱量主要受墻面板表面溫度和壁面溫度的影響，系統啟動之后，隨著墻面板表面溫度的升高以及壁面溫度的降低，輻射換熱量迅速升高，從系統啟動時的 71.1W 上升至 20min時的 523.8W。之后，因墻面板表面溫度和測試小室壁面溫度趨于穩定，墻面板的輻射換熱量基本穩定在 523.8~558.8W 之間。墻面板自然對流換熱量主要受墻面板表面溫度和室內空氣溫度的影響，前期由于墻面板表面溫度升高的幅度大于室內空氣溫度升高的幅度，自然對流換熱量呈現上升的趨勢，從室內風機開啟時的97.0W 上升至 20min 時的 346.2W。之后，因墻面板表面溫度和室內空氣溫度趨于穩定，墻面板自然對流換熱量基本穩定在 346.2~371.5W 之間。墻面板蓄熱量主要受墻面板表面溫度和墻面板制冷劑進出口溫度變化率的影響，隨著兩者溫度變化率的減小，墻面板蓄熱量呈現下降的趨勢，從 0min 時的 346.6W 下降至 20min 時的 15.8W。之后，因墻面板表面溫度和墻面板制冷劑進出口溫度趨于穩定，墻面板蓄熱量基本穩定在 0W 左右。 

       圖 5給出了在這個過程中壓縮機功率和系統COP的變化情況。壓縮機的功率從系統啟動時的461.5W逐漸升高，至20min時上升至837.6W，之后基本穩定在831.6~854.3W之間。由于風機功率基本保持不變，系統COP主要受系統制熱量和壓縮機功率的影響。系統COP經過啟動階段的波動之后開始下降，從-4min時的3.39降低至0min時的2.95，之后基本穩定在2.90~3.02之間。整個額定工況制熱期內：壓縮機功率平均值為836.7W，最小值為730.1W，最大值為854.3W；系統COP平均值為2.97，最小值為2.90，最大值為3.02。一般來說，COP大于2.8~3.0時，熱泵供暖比燃煤鍋爐供暖節能，該系統額定工況COP最小值為2.90，平均值為2.97，均大于2.80，因此該熱泵系統供暖相比燃煤鍋爐供暖更加節能。

       2.2 室外環境溫度對系統制熱性能的影響

       實驗測試系統性能參數隨室外環境溫度的變化情況，共測試8種工況，其中室外環境溫度變化范圍為：-4~10℃，相對濕度為60%±3%，測試小室內墻面板的進風溫度穩定至 20℃±0.3℃，墻面板的送風量調至高檔風量為551m³/h。

       圖 6給出了系統制熱量、強制對流換熱量和輻射換熱量隨室外溫度的變化情況。當室外溫度為-4℃時，系統制熱量為 2173.5W，隨著室外溫度的升高，系統制熱量呈近似線性升高的趨勢，當室外溫度上升至 10℃時，系統制熱量上升至3277.5W，相當于室外溫度每上升 1℃，制熱量上升 78.9W。系統強制對流換熱量和輻射換熱量隨室外溫度的變化趨勢基本與系統制熱量的變化趨勢相一致，均隨室外溫度的升高呈近似線性增加的趨勢，當室外溫度從-4℃上升至 10℃時，系統強制對流換熱量從 1808.3W 升高至 2620.8W，增長速率為 58.0W/℃，輻射換熱量從 416.3W 升高至 567.9W，增長速率為 10.8W/℃。

       圖7給出了壓縮機功率和系統COP隨室外溫度的變化情況。當室外溫度為-4℃時，壓縮機功率為714.6W，隨著室外溫度的升高，壓縮機功率呈近似線性升高的趨勢，當室外溫度上升至10℃時，壓縮機功率上升至877.7W，相當于室外溫度每上升1℃，壓縮機功率上升11.7W。隨著室外溫度的升高，系統COP基本呈近似線性升高的趨勢，主要是由于室外溫度升高，導致系統制冷劑蒸發溫度升高，由壓焓圖可分析系統COP也隨之升高。室外溫度從-4℃上升至10℃時，系統COP從2.47上升至3.17，平均上升速率為0.05/℃。

       2.3 墻面板送風量對系統制熱性能的影響

       實驗測試系統性能參數隨墻面板送風量的變化情況。其中室外機進風干球溫度為7.0±0.3℃，相對濕度為86%±3%，墻面板進風干球溫度為20.0±0.3℃，分別測試墻面板送風量為高檔、中檔、低檔以及微風檔時系統的性能參數，并進行比較分析。四檔送風量分別為551m³/h、503m³/h、456m³/h、288m³/h，所對應的送風速度為2.3m/s、2.1m/s、1.9m/s、1.2m/s。

       表1給出了不同的送風速度下，墻面板的進出風溫差、系統制熱量、壓縮機功率及系統COP等特性參數。從表中數據可知，墻面板的進出風溫差隨著送風速度的降低而增大系統的制熱量和強制對流換熱量隨送風速度的降低而減小，輻射換熱量隨送風速度的降低而增大：當送風速度為2.3m/s時，系統制熱量為3032.1W，強制對流換熱量為2473.7W，輻射換熱量為548.4W；當送風速度降低至1.2m/s時，系統的制熱量降低至2919.4W，降低了3.7%，強制對流換熱量降低至1966.7W，降低了20.5%，輻射換熱量升高至687.7W，升高了25.4%，同時也說明墻面板的送風速度對墻面板輻射換熱量和強制對流換熱量的影響程較大，對墻面板制熱量的影響程度較小。壓縮機功率隨送風速度的減小而升高，當送風速度為2.3m/s時，壓縮機功率為848.6W，當送風速度降低至1.2m/s時，壓縮機功率升高至948.4W，升高了11.8%，而風機耗功隨送風速度的減小而減小，主要是室內風機功耗減小，室外風機功耗基本不變。當室外風速為2.3m/s時，系統COP為3.00，系統COP隨送風速度的減小而減小，當送風速度降至1.2m/s時，系統COP減小至2.74，減小8.7%。

3 結論

       為改善常規空氣源熱泵供暖過程中惡化的室內熱環境問題，本文設計并制作了一種新型供暖末端，搭建了直膨式空氣源熱泵墻面板供暖系統實驗臺，并對該系統進行了供熱性能實驗研究，得到以下主要結論：

       （1）額定制熱工況下，系統各特性參數趨于穩定時，墻面板強制對流換熱量穩定在2319.2~2562.6W之間，輻射換熱量穩定在523.8~558.8W之間，系統制熱量穩定在2982.0~3040.4W之間，壓縮機功率穩定在 831.6~854.3W 之間，系統COP穩定在2.90~3.02之間；

       （2）墻面板表面溫度和出風溫度隨室外溫度的升高而升高，上升速率分別為0.4℃/℃和0.3℃/℃，系統制熱量、強制對流換熱量、輻射換熱量、壓縮機功率、系統COP均隨室外溫度的升高而升高，上升速率分別為68.9W/℃、58.0W/℃、10.8W/℃、11.7W/℃、0.05/℃；

       （3）系統輻射換熱量和輻射換熱比例隨送風速度的減小而增大，系統COP隨送風速度的減小而減小，當送風速度從2.3m/s降低至1.2m/s時，輻射換熱量增加25.4%，輻射換熱比例增加43.1%，系統COP減少8.7%。

參考文獻

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       備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。