清华大学 杨子旭 吕伟华 石文星 王宝龙 李先庭
【摘 要】空气源热泵-地板供暖系统具有热舒适好、节能高效的特点。采用何种运行模式可实现节能、降低运行费用并保证热舒适是目前关注的问题之一。以上海市典型房间为例，建立房间及供暖系统模型并进行模拟，分析连续和多种间歇运行模式对房间温度、热舒适、系统能耗及运行费用的影响。结果表明：居住建筑供暖系统采用下午停机的间歇运行模式PMV和PPD指标与连续运行差异很小，最冷周的耗电量可减少6.0%、运行费降低10.1%；办公建筑供暖系统采用夜间谷电运行模式不仅可保证室内的舒适性，同时可以充分利用“峰谷电价”降低运行费用，相对于白天运行模式可节省40%。
【关键词】地板供暖 空气源热泵 间歇运行 热舒适 峰谷电价
【基金项目】本文由国家重点研发计划项目“长江流域建筑供暖空调解决方案和相应系统”（课题编号：2016YFC0700304）资助
Abstract: Floor heating with air source heat pump system is thermal comfort, energy saving and high efficiency. It is concerned that which operating mode can saves energy, reduce the operating costs and ensure thermal comfort. The article took a typical room in Shanghai as an example. The model of room and heating system was established and simulated. The effects of continuous and intermittent operation modes on room temperature, thermal comfort, system energy consumption, and operating costs were analyzed. The results showed that for intermittent operation (afternoon stop operating) of residential buildings has little difference between PMV and PPD with continuous operation. The power consumption in the coldest week can be reduced by 6.0% and the operating fee can be reduced by 10.1%. The valley price operation mode of office buildings can not only guarantee indoor comfort, but also taking full advantage of the "peak-valley price" to reduce operating costs. Compared to the daytime operating mode, it can save 40% of operating fee.
Keywords: floor heating, air source heat pump, intermittent operation, thermal comfort, peak and valley price
0 引言
空气源热泵-地板供暖系统具有清洁、高效，热舒适性好、室内温度分布均匀、供水温度低等优点，近年来随着北方清洁供暖和长江流域供暖的需求，在国内供暖市场上占据重要地位，广泛应用作为建筑的供暖系统[1,2]。
夏热冬冷地区供暖主要采用空气源热泵、电热器等分散供暖设备，具有部分时间（间歇性）、部分空间（局部性）的特点[3]，目前采用空气源热泵-地板供暖的供暖形式逐渐增多。由于地板热容大、蓄热性强、延迟性大[4]，使得需要供暖时间与机组实际运行时间不对应。因此，亟需探究不同运行模式对室内舒适性、系统能耗和运行费用的影响特征。
付祥钊等[1,5]对空气源热泵-地板供暖系统的室内温度及供回水温度、流量等进行实测，结果表明，该类系统在电网调峰及空气源热泵结霜除霜等间歇运行时，室内温度波动较小，不会严重影响室内舒适性；许可[6]针对该系统应用于住宅建筑进行了仿真研究，提出了多种运行模式建议。然而，地板供暖服务的建筑类型、供暖时间，使用者的生活习惯不尽同，现有研究对不同建筑类型、供暖时间对应的房间热舒适和系统能耗分析较少。因此，对于不同类型建筑、不同运行策略，室内舒适性、系统能耗和运行费用的特征尚需进一步研究。
本文建立了上海居住和办公建筑的典型房间及供暖系统的仿真模型，对比分析空气源热泵-地板供暖在不同运行模式下，典型年最冷周（7天）内的室内温度、热舒适指标、系统能耗和运行费用（考虑峰谷电价）的差异，以期为该类系统的运行管理提供参考。
1 建筑模型与参数设置
1.1 围护结构设置
居住和办公建筑典型房间模型的尺寸为12×6.5×3.6m，其中东、南为外墙，其余为内墙。围护结构热工参数分别满足JGJ 134《夏热冬冷地区住宅建筑节能设计标准》[7]及GB 50189《公共建筑节能设计标准》[8]。
地板供暖的供水温度设定为35℃，流量为0.172kW/(m3·h)。居住和办公建筑的埋管间距分别为250mm/200mm。输配系统为单台定频水泵，功率为80W。地板构造设置满足《辐射供暖供冷技术规程》[9]的要求。
1.2 人员在室及保障时间设置
居住建筑结合生活习惯、工作规律、在室时间与行为活动特征等因素的分析，设定夜间和清晨全家人员都在家，上午时段，老人和儿童在家[10]，因此人员活动及保障时间设置为18：00~12：00（居住建筑18：00~8：00人数按4人，8：00~12：00人数按2人）；办公建筑以《单元式空气调节机》[11]规定的办公建筑工作时间为依据，人员活动及保障时间段为8：00~18：00。
1.3 散热量及通风设置
室内发热量主要包括人员、设备及灯光发热量。考虑到居住、办公建筑人员作息等因素，其室内设备人员散热量和通风换气次数如表1所示。其中，办公建筑人员密度、设备发热量等按照《公共建筑节能设计标准》[8]人均面积进行设计。
1.4 供暖模式设置
居住建筑和办公建筑供暖运行模式设置如表2所示。由于地板具有的蓄热性和延迟性，有必要提前开机以满足供暖的需要。此外，考虑到经济性，机组可利用峰谷电价的谷电时间运行。因此，本文主要探讨以下六种运行模式。
2 系统仿真模型
房间模型通过TRNSYS中TRNBuild模块设置围护结构参数、通风换气次数及室内发热量等指标。围护结构外墙采用“辐射+对流”边界条件；内墙采用“等壁温”边界条件。辐射地板通过Active Layer设置供水温度、管排间距等。热泵设备采用与室外温度、回水温度相关的性能模型。
TRNBuild模块将室内划分为多个非几何平衡模型区域，每个区域有一个空气节点，代表该区域空气体积的热容量和与空气节点紧密连接部分（例如地板）的热容量。辐射地板通过网格划分、利用有限元法来计算三维热传导问题，并与室内空气、墙体的对流与辐射建立方程计算。以TRNSYS为平台的房间与机组性能模型耦合模拟的逻辑图如图1所示。
上海市是夏热冬冷地区典型城市。以上海市为例，计算其在典型年最冷周（1月8日~1月14日）的房间温度、人员热舒适，系统能耗及运行费用。计算步长设置为0.1h。
3 供暖模式对供暖效果的影响
3.1 室内温度和热舒适
（1）室内温度
图2表示不同供暖模式的室内温度随时间分布情况。
1）居住建筑：供暖系统连续运行能够保障室内温度高于18℃；间歇运行的总供热量小于连续运行模式，室内温度低于连续运行。三种模式的室内平均温度依次为20.3℃、19.3℃、18.4℃。当室外温度极低时（如第7日），间歇运行的室内温度低于18℃，但仍满足规范[8]的要求。
2）办公建筑：供暖系统上班运行及提前开机模式在白天运行，办公初期（8：00~8：30）室内温度低，第7日办公初期平均温度仅为17.2℃；而谷电运行模式第7日办公初期平均温度18.6℃，主要由于地板蓄热性强，虽然在办公时间停止供暖，室内温度逐渐低于前两种模式，但室外高温段、太阳辐射强烈及人员设备散热发生在工作时间，因此依靠地板蓄热也能使室温满足要求[9]。
对于居住建筑和办公建筑，在自然通风时间段内，室内温度急剧下降，最低至12℃。停止通风后，室内温度能够迅速恢复。
（2）室内热舒适
在某一室内空间里，使至少80％建筑使用者在心理状态上感到满意的热环境温度范围，被ASHRAE和ISO定义为热舒适[12]。Fanger综合空气温度、流速、环境表面平均辐射温度、相对湿度和两个人为变量(衣服热阻、人体代谢率)，提出了室内热舒适指标预测平均评价PMV及人群对热环境不满意的百分数预测不满意百分比PPD。
室内热舒适的人为变量因素以及风速等设置参见图3。
图4、图5分别表示不同供暖模式对应室内PMV值和PPD值。表3总结了“不舒适时间”所占比例。
1）居住建筑：人员大部分时间位于-1<PMV<1的区间内，傍晚家务时间稍热、清晨衣着系数变化时稍凉，而其他时间处于非常舒适或稍凉区域。连续运行与下午停机模式的|PMV|>1与PPD>20%的“不舒适时间”均为0，而|PMV|>0.5的“不舒适时间”相差14%，即适当间歇供暖不会对居住建筑室内热环境造成太大影响。夜间运行模式“不舒适时间”最长，且集中在清晨和傍晚通风时间段；|PMV|>0.5的时长为51.6%，|PMV|>1的时长为2.3%，PPD>20%的时间为13.9%。
2）办公建筑：人员主要位于-1<PMV<0的区间内。以PPD>20%为指标，谷电运行“不舒适时间”为上班运行和提前开机模式的1/3。三种模式的“不舒适时间”都集中在早上办公初期及中午开窗通风阶段；而谷电运行的PPD在清晨低于其他两种模式、在傍晚则高于其他两种模式。
3.2 系统运行能耗和运行费用
（1）运行能耗
表4中给出了上海最冷周各模式下系统的供热量、机组与系统的耗电量及能效比。可以看出：
1）居住建筑：供暖系统的供热量与耗电量随供暖时间减少而递减，下午停机与夜间运行模式比连续运行耗电量降低6.0%、10.5%。连续运行机组能效比高，系统能效比低，主要原因是在室外高温段机组运行，使得机组能效比高；同时水泵运行时间长，使得系统能效比低于其他两种模式，其系统能效比分别比其他两种模式低1.0%和4.1%。
2）办公建筑：供暖系统上班运行模式供暖时间最长、运行时室外温度最高，其系统能效比较其他两种模式高2.3%和6.2%。提前开机与谷电运行模式供暖时间相同，但谷电运行模式在夜间开启机组，其系统能效比较提前开机模式低4.3%，耗电量高4.0%。
（2）运行费用
峰谷电价是按高峰用电和低谷用电分别计算电费的一种电价制度，能够调动用户削峰填谷、均衡用电的积极性，缓和电力供需矛盾，以控制高峰负荷、充分利用电网低谷电量[13]。本文峰谷电价按照上海市设置，峰电时间为06：00~22：00，价格为0.667元/kWh，其余时间为谷电，价格为0.337元/kWh。表4中也给出了上海最冷周采用不同运行模式的系统总运行费用和单位面积运行费用。由此可知：
1）居住建筑：由于系统运行时间缩短，故供暖系统下午停机、夜间运行模式的运行费用分别比连续运行模式低10.1%和23.9%；
2）办公建筑：系统谷电运行模式主要在峰谷电价的“谷电”时间运行，即便其耗电量是三种模式中最高、系统能效比最低的，其运行费用比上班运行和提前开机模式可节省40%，并且实现了电网调节、削峰填谷。
3.3 系统评价
以热舒适、系统能效比、系统能耗及经济性为评价标准综合评价系统运行模式特点，其评价指标分别为PPD>20%的时间比例、系统能效比、最冷周系统耗电量及运行费用，分别考察不同运行模式下房间的热舒适性、系统本身的性能特性、系统运行时间分布与电耗以及是否充分利用峰谷电价等。
不同服务对象，对于各指标要求程度不同。如在保证热舒适条件下，尽可能降低系统能耗与运行费用，则居住建筑供暖系统下午停机模式优于其他两种模式。与连续运行相比，其室内平均温度仅低1℃，而热舒适指标与连续运行相差不大，最冷周耗电量降低6.0%、运行费用降低10.1%；与夜间运行模式相比，其室内热舒适方面有显著优势。办公建筑供暖系统谷电运行模式要优于其他两种模式。主要体现在办公初期室内温度高，“不舒适时间”仅为其他两种模式1/3，充分利用峰谷电价，运行费用比上班运行和提前开机模式节省40%。
4 结论
运行模式直接影响空气源热泵-地板供暖系统的供热效果与能耗，通过建立建筑房间及供暖系统的TRNSYS模型，模拟并考察不同运行模式对上海居住与办公建筑的供暖效果，给出了最冷周的室内温度、热舒适、系统能耗和运行费用的差异。主要结论如下：
（1）温度及舒适性：居住建筑，供暖系统连续运行时其室内温度高于间歇运行，三种模式的室内平均温度依次为20.3℃、19.3℃、18.4℃，连续运行和下午停机模式都能使室内热舒适高，而夜间运行“不舒适时间”最长，其PPD>20%的时间为13.96%；办公建筑，供暖系统谷电运行模式使得办公初期的室温高于上班运行及提前开机模式约1℃，“不舒适时间”仅为其他两种模式1/3，即谷电运行舒适性优于上班运行和提前开机模式的供暖形式。
（2）系统能耗及运行费用：居住建筑，供暖系统间歇运行有利于节能，与连续运行相比，下午停机与夜间运行模式比连续运行耗电量降低6.0%、10.5%，运行费用分别比连续运行降低10.1%和23.9%；办公建筑，供暖系统谷电运行室外温度最低，其系统能效比较提前开机模式低4.3%，耗电量高4.0%。谷电运行模式虽然能耗高，但是充分利用“峰谷电价”，其运行费用比上班运行和提前开机模式节省40%，实现了电网调控和削峰填谷。
（3）在保证热舒适条件下，尽可能降低系统能耗与运行费用，则居住建筑供暖系统下午停机模式最优；办公建筑供暖系统谷电运行模式最优。
参考文献
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备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
