董建锴1，闫森1，黄 顺1,2，姜益强1，姚杨1
1哈尔滨工业大学 热泵空调技术研究所；2中铁第四勘察设计院集团有限公司
【摘 要】为解决常规空气源热泵供暖中存在的热舒适性差的问题，本文结合辐射供暖具有较高热舒适性的优点，提出了一种基于辐射和强制对流换热的新型供暖末端，搭建了空气源热泵辐射对流换热性能实验台，并对其性能进行实验研究。实验结果表明：在额定制热工况下，系统COP趋于稳定在2.90~3.02之间，较集中供暖系统节能；当墙面板送风速度从2.3m/s降低1.2m/s时，系统辐射换热占总换热量的18.1%~25.9%，因此调节墙面板的送风量可以有效调节辐射换热和强制对流换热比例。
【关键词】空气源热泵；墙面板；强制对流换热；辐射换热
【基金项目】国家自然科学基金（51608146）
Keywords: Air source heat pump; Radiant panel; Forced convection heat transfer; Radiative heat transfer
0 引言
随着我国城镇化的不断发展，建筑能耗大幅增加，目前已占到社会总能耗的30%-40%，而其中40%左右为冬季供暖能耗。随着南方供暖的不断推进，其所占比例还将继续增大[1]。此外，近年来，我国雾霾天气频发，空气污染严重，而这已经成为了我国最严重、最亟待解决的环境问题之一。因此，面对节能减排的重大挑战，高效节能的建筑供暖新技术已成为暖通空调行业发展的主要方向之一。
空气源热泵作为一种清洁且节能的供暖技术，在我国被越来越广泛地使用，尤其在长江流域各地区。但是常规空气源热泵在冬季供暖时通常采用上送上回的送风方式，一方面由于热风未与室内空气充分换热直接进入回风口，导致热能利用率低，造成能源浪费；另一方面由于送风热气流的上升，房间热分层现象明显，进而导致房间不同高度垂直温差较大，人体热舒适性较差[2]。此外，为了提高空气源热泵制热效率，通常送风风速较大，从而造成了吹风感，进一步降低了室内环境的热舒适。因此，常规空气源热泵冬季供暖过程中的不舒适性已经成为制约其推广应用的重要因素。
为了改善常规空气源热泵供暖过程中恶化的室内热环境问题，国内外学者在空气源热泵系统和供暖末端等方面开展了相关研究。陈小慧[3]对采用变频空调进行供暖和制冷的办公室内温度场进行了测试。结果显示夏季制冷时室内垂直温差仅有 0.3℃，而冬季供暖时室内垂直温差达到 2.7℃，在过渡季节房间工作区域的垂直温度梯度达 2.4℃; 费玉敏[4]对新型低温热水墙面辐射供暖系统中两种不同铝板面层的温度和热流密度进行了分析，并拟合了其随水温变化的关系式，且两者的辐射换热比例均高于 65%；徐帮耀[5]实验和模拟研究了低温热水墙面辐射供暖系统性能的影响因素，并分析了墙面板布置位置及管间距等因素对室内热舒适和能耗的影响，为系统优化提供了参考；曾章传[6]实验研究了直膨式空气源热泵地板辐射供暖的室内热舒适性和系统能效，得出该供暖方式具有热舒适性高、节能效果好的优点，并模拟研究了管间距、填充层厚度、地面层材料等因素对地板传热的影响，为优化地板辐射供暖系统提供了有益参考；Chae[7]模拟研究了地板辐射供暖系统中盘管参数对墙面板换热性能的影响，通过优化盘管结构可以改善液体循环，从而有效提高系统的换热量。李梦竹[8]模拟研究了冷凝温度对直膨式空气源热泵地板辐射供暖系统制热性能的影响，并对该系统进行了经济性分析，得出该系统具有良好的热舒适性和经济性。
综合国内外研究现状不难发现，虽然前人对常规空气源热泵供暖系统、以热水为媒介的辐射供暖系统、以制冷剂为媒介的辐射供暖系统方式均进行了一定的研究，取得了一定的效果。但在实际运行过程中都会存在一些不足:
1）空气源热泵制热过程中采用强制对流换热方式，虽然提高换热效率，但造成了室内空间温度分层大，燥热感明显、有吹风感等问题，热舒适性问题未能得到有效解决;
2）对于以热水为媒介的墙面板供暖系统,虽然热水辐射供暖系统有着热舒适较高的优点，但换热损失和输送损失较大，系统能效较低；
3）以制冷剂为媒介的地板辐射供暖系统中经常会出现制冷剂泄露，以及维修管理不便等诸多问题；
为了有效解决上述问题，本文设计了一种新型的墙面板结构的供暖末端，并搭建系统实验台，开展直膨式空气源热泵墙面板供暖系统性能实验，研究压缩机吸排压力、墙面板进出风温度、系统制热量、压缩机功率、系统 COP等特性参数的变化规律，分析室外环境温度和墙面板的送风量对系统制热性能的影响。
1 试验台介绍
1.1 系统流程
考虑到部分仪器流通的单向性，以及直膨式空气源热泵墙面板供暖系统在供暖和除霜过程中制冷剂的流向不同，设计的实验系统流程如图1所示。
该系统主要由墙面板、室外机、压缩机、四通换向阀、热力膨胀阀、质量流量计、球阀等构成，通过控制球阀的开关，来保证系统在供热模式、制冷模式、除霜模式下的安全运行和仪器的单向流通性。制冷剂的流程如下：
压缩机→四通换向阀→球阀 1→干燥过滤器→质量流量计→球阀 4→墙面板→视液镜→热力膨胀阀→球阀 5→室外机→四通换向阀→气液分离器→压缩机
1.2 实验装置
整个实验装置由室内环境模拟小室、室外环境模拟小室、室内外热环境控制系统、热泵系统等四个部分组成，如图2所示。
室内环境模拟小室和室外环境模拟小室的尺寸分别为4×4×2.8和2×2×2m(长×宽×高)。在室外模拟小室中，通过温湿度控制器控制室外环境模拟小室里面暖风机和加湿器的启停来控制室外环境的温度和湿度，从而满足不同实验工况的需求。而室内环境模拟小室则分为制冷系统、加热系统、通风系统、测试小室四大部分，其中测试小室作为安放墙面板并测试其制热性能的室内环境模拟小室。热泵系统的室外机是将一台1匹分体空调室外机为原型进行改装，将压缩机换成1匹R410A定频压缩机，节流元件为热力膨胀阀，室内机为新型的末端装置墙面板，其中墙面板的结构如图3所示。该墙面板的正面为紫铜板，背面为翅片+铜管的形式。翅片管的后面做一层保温层，避免墙面板向后面传热。铜板、翅片管以及保温层之间形成一个风道，进风口处设置贯流风机以达到强制对流换热的效果。铜板表面通过辐射和自然对流换热的方式向室内供暖，翅片管通过强迫对流换热的方式向室内供暖，调整风量的大小可以改变墙面板辐射换热和对流换热的比例。
1.3测试方法
本实验主要测量的物理量为温度、湿度、压力、质量流量和功率等。实验过程中采用铂电阻测定墙面板表面和进出风温度、室外机的进出风温度和系统中各主要部件的进出口制冷剂温度以及室内温度；Hygroflex3湿度传感器测定室外机进出风相对湿度；用丹佛斯AKS3000压力传感器测定系统各部件进出口的制冷剂压力；型号为 DMF-1-2-A质量流量计，用来测定制冷剂通过墙面板的质量流量；单相有功功率变送器测定压缩机和风机的耗功；实验数据的自动检测与储存采用Agilent 34980A多功能数据采集仪实现。
1.4 实验方案
对该直膨式空气源热泵墙面板常规供热研究的实验方案包括以下三部分：
（1）根据国家标准[9] ，室内外环境维持在标准的额定制热工况，即室外机进风干球温度为 7.0℃，湿球温度为 6.0℃（相对湿度 86%），墙面板进风干球温度为 20.0℃，通过控制模拟室外环境小室中的暖风机、加湿器、制冷设备控制室外环境干球温度为 7.0±0.3℃，相对温度为 86%±3%；开启测试小室外的制冷系统、供热系统以及送风系统，调节送风温度，控制室内墙面板进风干球温度为20.0±0.3℃，墙面板送风量调至高档风量为 551m3/h，分析该系统的制热性能；
（2）实验研究室外环境温度对系统制热性能的影响。本组实验中，墙面板风量调为高档风量为 551m3/h，墙面板进风温度控制在 20℃±0.3℃，室外环境温度变化范围：-4.0℃～10.0℃，室外相对湿度控制在 60%±3%；
（3）室内外环境控制维持在标准的额定制热工况，即室外机进风干湿球温度为7.0/6.0℃，墙面板进风干球温度为20.0℃，调节的墙面板送风量分别为551m3/h、503m3 /h、456 m3 /h、288 m3/h，所对应的送风速度为 2.3m/s、2.1 m/s、1.9m/s、1.2m/s，研究室内墙面板送风量对系统制热性能的影响。
2 实验结果分析
2.1 额定工况下系统的制热性能
该系统在0min 室内外环境均达到标准的额定制热工况，并在该工况下连续运行 90min。
图 4给出了墙面板空气侧制热量、强制对流换热量、辐射换热量、自然对流换热量和墙面板蓄热量的变化，其中墙面板空气侧制热量为强制对流换热量、辐射换热量、自然对流换热量和墙面板蓄热量之和。开启室内风机后，强制对流换热量逐渐上升，在 25min 时上升至 2319.2W，之后基本稳定在 2319.2~2562.6W 之间，辐射换热量主要受墙面板表面温度和壁面温度的影响，系统启动之后，随着墙面板表面温度的升高以及壁面温度的降低，辐射换热量迅速升高，从系统启动时的 71.1W 上升至 20min时的 523.8W。之后，因墙面板表面温度和测试小室壁面温度趋于稳定，墙面板的辐射换热量基本稳定在 523.8~558.8W 之间。墙面板自然对流换热量主要受墙面板表面温度和室内空气温度的影响，前期由于墙面板表面温度升高的幅度大于室内空气温度升高的幅度，自然对流换热量呈现上升的趋势，从室内风机开启时的97.0W 上升至 20min 时的 346.2W。之后，因墙面板表面温度和室内空气温度趋于稳定，墙面板自然对流换热量基本稳定在 346.2~371.5W 之间。墙面板蓄热量主要受墙面板表面温度和墙面板制冷剂进出口温度变化率的影响，随着两者温度变化率的减小，墙面板蓄热量呈现下降的趋势，从 0min 时的 346.6W 下降至 20min 时的 15.8W。之后，因墙面板表面温度和墙面板制冷剂进出口温度趋于稳定，墙面板蓄热量基本稳定在 0W 左右。
图 5给出了在这个过程中压缩机功率和系统COP的变化情况。压缩机的功率从系统启动时的461.5W逐渐升高，至20min时上升至837.6W，之后基本稳定在831.6~854.3W之间。由于风机功率基本保持不变，系统COP主要受系统制热量和压缩机功率的影响。系统COP经过启动阶段的波动之后开始下降，从-4min时的3.39降低至0min时的2.95，之后基本稳定在2.90~3.02之间。整个额定工况制热期内：压缩机功率平均值为836.7W，最小值为730.1W，最大值为854.3W；系统COP平均值为2.97，最小值为2.90，最大值为3.02。一般来说，COP大于2.8~3.0时，热泵供暖比燃煤锅炉供暖节能，该系统额定工况COP最小值为2.90，平均值为2.97，均大于2.80，因此该热泵系统供暖相比燃煤锅炉供暖更加节能。
2.2 室外环境温度对系统制热性能的影响
实验测试系统性能参数随室外环境温度的变化情况，共测试8种工况，其中室外环境温度变化范围为：-4~10℃，相对湿度为60%±3%，测试小室内墙面板的进风温度稳定至 20℃±0.3℃，墙面板的送风量调至高档风量为551m3/h。
图 6给出了系统制热量、强制对流换热量和辐射换热量随室外温度的变化情况。当室外温度为-4℃时，系统制热量为 2173.5W，随着室外温度的升高，系统制热量呈近似线性升高的趋势，当室外温度上升至 10℃时，系统制热量上升至3277.5W，相当于室外温度每上升 1℃，制热量上升 78.9W。系统强制对流换热量和辐射换热量随室外温度的变化趋势基本与系统制热量的变化趋势相一致，均随室外温度的升高呈近似线性增加的趋势，当室外温度从-4℃上升至 10℃时，系统强制对流换热量从 1808.3W 升高至 2620.8W，增长速率为 58.0W/℃，辐射换热量从 416.3W 升高至 567.9W，增长速率为 10.8W/℃。
图7给出了压缩机功率和系统COP随室外温度的变化情况。当室外温度为-4℃时，压缩机功率为714.6W，随着室外温度的升高，压缩机功率呈近似线性升高的趋势，当室外温度上升至10℃时，压缩机功率上升至877.7W，相当于室外温度每上升1℃，压缩机功率上升11.7W。随着室外温度的升高，系统COP基本呈近似线性升高的趋势，主要是由于室外温度升高，导致系统制冷剂蒸发温度升高，由压焓图可分析系统COP也随之升高。室外温度从-4℃上升至10℃时，系统COP从2.47上升至3.17，平均上升速率为0.05/℃。
2.3 墙面板送风量对系统制热性能的影响
实验测试系统性能参数随墙面板送风量的变化情况。其中室外机进风干球温度为7.0±0.3℃，相对湿度为86%±3%，墙面板进风干球温度为20.0±0.3℃，分别测试墙面板送风量为高档、中档、低档以及微风档时系统的性能参数，并进行比较分析。四档送风量分别为551m3/h、503m3/h、456m3/h、288m3/h，所对应的送风速度为2.3m/s、2.1m/s、1.9m/s、1.2m/s。
表1给出了不同的送风速度下，墙面板的进出风温差、系统制热量、压缩机功率及系统COP等特性参数。从表中数据可知，墙面板的进出风温差随着送风速度的降低而增大系统的制热量和强制对流换热量随送风速度的降低而减小，辐射换热量随送风速度的降低而增大：当送风速度为2.3m/s时，系统制热量为3032.1W，强制对流换热量为2473.7W，辐射换热量为548.4W；当送风速度降低至1.2m/s时，系统的制热量降低至2919.4W，降低了3.7%，强制对流换热量降低至1966.7W，降低了20.5%，辐射换热量升高至687.7W，升高了25.4%，同时也说明墙面板的送风速度对墙面板辐射换热量和强制对流换热量的影响程较大，对墙面板制热量的影响程度较小。压缩机功率随送风速度的减小而升高，当送风速度为2.3m/s时，压缩机功率为848.6W，当送风速度降低至1.2m/s时，压缩机功率升高至948.4W，升高了11.8%，而风机耗功随送风速度的减小而减小，主要是室内风机功耗减小，室外风机功耗基本不变。当室外风速为2.3m/s时，系统COP为3.00，系统COP随送风速度的减小而减小，当送风速度降至1.2m/s时，系统COP减小至2.74，减小8.7%。
3 结论
为改善常规空气源热泵供暖过程中恶化的室内热环境问题，本文设计并制作了一种新型供暖末端，搭建了直膨式空气源热泵墙面板供暖系统实验台，并对该系统进行了供热性能实验研究，得到以下主要结论：
（1）额定制热工况下，系统各特性参数趋于稳定时，墙面板强制对流换热量稳定在2319.2~2562.6W之间，辐射换热量稳定在523.8~558.8W之间，系统制热量稳定在2982.0~3040.4W之间，压缩机功率稳定在 831.6~854.3W 之间，系统COP稳定在2.90~3.02之间；
（2）墙面板表面温度和出风温度随室外温度的升高而升高，上升速率分别为0.4℃/℃和0.3℃/℃，系统制热量、强制对流换热量、辐射换热量、压缩机功率、系统COP均随室外温度的升高而升高，上升速率分别为68.9W/℃、58.0W/℃、10.8W/℃、11.7W/℃、0.05/℃；
（3）系统辐射换热量和辐射换热比例随送风速度的减小而增大，系统COP随送风速度的减小而减小，当送风速度从2.3m/s降低至1.2m/s时，辐射换热量增加25.4%，辐射换热比例增加43.1%，系统COP减少8.7%。
参考文献
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备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
