变频空气源热泵地暖系统蓄热过程的实验研究

望怡 张小松 夏燚

1 东南大学能源与环境学院

2 南京师范大学能源与机械工程学院

0 引言

以空气源热泵为热源，地暖为末端的供暖系统因其热舒适性好、能效比高、节能环保等特点得到了广泛应用[1-6]。但定频热泵机组由于制热量不可调节，当机组的制热量大、需求的供热量小时，会导致压缩机频繁启停，使得供水温度变化引起地面温度的波动，降低了热舒适性[7]。常规的地暖系统管间距较大，与地面总接触面小，传热的效率低，因此蓄热层地表温升会比较慢[8]。

针对常规地暖系统蓄热层温升慢和定频热泵机组频繁启停导致热舒适性较差的问题，本文搭建了变频空气源热泵机组驱动的薄型地暖系统进行实际测试，探究在蓄热过程中地面温升速度，变频空气源热泵机组供热能力和地暖混凝土层吸热能力之间的关系，研究变频空气源热泵机组与地面辐射供暖系统的匹配性。

1 实验装置及测试方法

1.1 测试系统介绍

低温热水地面辐射供暖系统如图1 所示[9]。地面辐射供暖系统由：热源、地面盘管系统，分集水器，供回水干管和温控等系统构成[10]。热源提供 35～50 ℃温度范围内的低温热水[11]，由干管送到分水器，再由分水器输送到各个房间的地面盘管系统。热水在地面盘管内循环流动，将地面加热至 30 ℃左右，通过热辐射和空气热对流向房间输送热量，室内的温度可达到 20 ℃以上。

图1 低温热水地面辐射供暖系统图

本系统的热源设备为变频空气源热泵机组，末端使用的是薄型地暖系统：地暖管是内外径分别为7 mm/10 mm 的耐热聚乙烯管（Pex），盘管间距为5 cm，绝热层采用厚度为 1.5 cm 的保温板模块，混凝土找平蓄热层厚度 1.5 cm，地面瓷砖厚度1 cm。在分水器、集水器的供回水管路上和地面分别设置了温度传感器，温度传感器采用 NTC10K 热敏电阻，精度为1%。供水温度，回水温度和地表温度的数据通过安捷伦（34970A）数据采集仪每 1 分钟采集1 次，实验数据采集的设备如图2 所示。

图2 实验数据采集设备

1.2 测试方案

本实验主要研究的是热水在地暖盘管内循环流动的过程：供水经热泵机组加热升温后通过分水器进入地暖盘管，通过与混凝土层的换热，将热量传递到地表，地面温度升高，此时水温度降低，降温后的水通过集水器被送入热泵机组继续被加热升温，然后进行下一循环。

在本实验中热泵机组设置的供水温度为45 ℃，实验开始阶段，供水，回水和地面三者温度维持在同一水平，均为17 ℃。温度数据每间隔1 分钟采集1 次。本实验研究的是变频空气源热泵薄型地暖系统的蓄热过程，因此实验周期为从热泵机组开机到地面温度趋于稳定的全过程。

2 实验结果与分析

图3 给出了变频空气源热泵薄型地暖系统的蓄热过程中，供水温度，回水温度和地面温度随时间的变化曲线。

图3 供水、回水、地面温度变化曲线

从图3 中可以看出，当系统开启后，供水温度大约在40 分钟内由17 ℃逐渐升高并稳定在 45 ℃左右，升温速度较快。这是由于系统在刚开始运行时，初始供水温度较低，变频压缩机以高频率快速运行，让热泵机组的制热能力达到最大，使供水温度能在最短的时间内升上去。当供水温度快达到45 ℃时，压缩机运行频率能随之降低，实现无级调节，维持维持供水水温稳定在45 ℃而不用压缩机停机来实现制热量调节，减少了热泵机组的启停次数及温度波动。曲线变化趋势表明变频空气源热泵机组具有良好的供水温度调节性，能够保持45 ℃的持续供水。

从图3 中可以看出，在系统运行中，回水温度大约在120 分钟内17 ℃逐渐升高并稳定在42 ℃左右。这是因为在系统运行的初始阶段，混凝土温度较低，与供回水平均水温的差值较大，其吸热能力强，导致回水温度降低。当混凝土层温度升高后，与供回水平均水温的差值逐渐减小，吸热能力降低，回水温度逐渐升高。当混凝土层温度逐渐升温达到稳定值后，吸热能力不变，因此回水温度趋于稳定。回水温度的稳定滞后于供水温度的稳定，大约滞后80 分钟。

《地面辐射供暖技术规程 JGJ142-2004》规定，在人员短期或经常停留区，地面的表面平均温度的适宜范围为 24～30 ℃[12]。根据杨巧霞[13]做的关于低温热水辐射供暖末端性能实验的研究数据可以发现，在供水温度设定为45 ℃时，常规地面辐射供暖的地面温度由15 ℃升温至19 ℃大约耗时330 分钟。通过本实验的地面温度曲线可以看出，当采用薄型地暖系统时，经过60 分钟的加热，地面温度就从 17 ℃上升到规范要求的适宜温度25 ℃。经过120 分钟，地面温度便达到了30 ℃，升温速度远远大于常规地暖的地面升温速度。

图4 是经过数据处理后，供回水平均温度以及供回水温差，地面与供回水平均水温的温差随时间的变化曲线。

图4 供回水温差，平均温度以及与地面温差的变化曲线

通过供回水温差曲线可以看出供回水的温差是先增大后降低，在 120 分钟后基本维持在 3.5 ℃左右。这是因为在系统运行的初始阶段，变频机组满负荷运转，供水温度不断地升高，但由于混凝土蓄热层温度低吸热能力强，回水温度低，因此供回水温差逐渐增大。当供水温度达到稳定值45 ℃后，混土蓄热层的温度也逐步上升，吸热能力下降回水温度逐渐升高，供回水温差开始降低。当回水温度趋于稳定后，供回水温差也趋于稳定。通过曲线可以看出供回水温差的最大值为11.4 ℃，最小值为 3.5 ℃，这说明变频空气源热泵机组具有良好的调节性能，在系统由起始到稳定阶段的运行中，压缩机的功率由初始阶段的 100%降低为30.7%。

地面温度与供回水平均温度的温差曲线是先上升后降低，最后基本维持在12 ℃左右。这是因为混凝土的比热容很大，约为970 kJ/(kg·K)，因此初期混凝土蓄热层的升温速度较慢，混凝土蓄热层温度与供回水平均水温的差值较大，具有较好的蓄热性能。后期随着混凝土蓄热层温度上升，它与供回水平均水温的差值变小，蓄热性能下降，最后趋于平衡和稳定。

3 结论

1）地暖管内外径7 mm/10 mm、管间距5 cm、混凝土找平层1.5 cm、地砖厚度1 cm 的薄型地暖系统因为管间距小，混凝土蓄热层薄，地面温度上升温快，在45 ℃供水条件下，经过 1 小时的加热，地面温度就从17 ℃上升到25 ℃，经过2 小时地面温度便达到30 ℃，升温速度远远大于常规地暖的地表升温速度。

2）混凝土蓄热层蓄热规律：供暖初期由于自身温度低其蓄热能力大，要求热源设备有较大的供热能力，后期随着自身温度的上升其蓄热能力变小，对热源设备供热能力要求变低，如果热源设备没有良好的调节性能，会出现频繁启停影响稳定性。

3）通过分析变频机组的供水温度、回水温度、供回水温差，发现变频机组能够很好的适应混凝土蓄热层的蓄热规律，刚开机时满负荷供热，供水温度到达设定的 45 ℃时，随着混凝土蓄热能力的下降，回水温度上升，机组通过降低压缩机频率，减少供热量维持供水温度稳定。供回水温差从11.4 ℃降低到3.5 ℃，供热量从100%降低到30.7%。