特0806023低環(huán)境溫度空氣源熱泵冷水機組產(chǎn)品標準的名義工況研究

1、低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組產(chǎn)品標準的名義工況研究韓林俊 1, 王嘉 1, 石文星 1, 謝嶠 2, 張樂平 2（1 清華大學(xué)建筑學(xué)院 , 2 同方人工環(huán)境有限公司）摘 要： 作為寒冷地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)冷、熱源設(shè)備的低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組近年來得到快速 發(fā)展，迫切需要建立其產(chǎn)品標準，其中名義工況的確定是其首要問題。本文認為，為保持標準的延續(xù)性， 其名義制冷工況應(yīng)與 GB/T18430 保持一致； 在此基礎(chǔ)上本文提出其制熱運行時空氣側(cè)和用戶側(cè)的名義工況 確定方法，并通過對氣象參數(shù)的統(tǒng)計分析與傳熱計算分析給出了具體的建議方案，為商用和戶用低環(huán)境溫 度空氣源熱泵（冷水）機組的標準制定提供參考

2、。關(guān)鍵詞： 低環(huán)境溫度空氣源熱泵；標準；名義制熱工況；采暖Research on Nominal Conditions for Standard of Low EnvironmentTemperature Air Source Heat Pump (Water Chilling) Packages1 1 1 2 2HAN Linjun 1, WANG Jia1, SHI Wenxing 1, XIE Qiao 2, ZHANG Leping 21 2( School of Architecture, Tsinghua University, Tongfang Artificial Enviro

3、nment CO. LTD)Abstract: Low environment temperature air source heat pump (water chilling) packages have been rapidly developed as cooling and heating sources of air-conditioning system for cold region recent years. The product standard is needed urgently, in which the defining problem of nominal con

4、ditions lies first. To maintain the continuity of standards, this paper suggests nominal cooling conditions of new standard be kept as GB/T18430, based on which, defining method of nominal heating conditions for both air-side and user-side is raised. Concrete proposal projects are given after the st

5、atistic of meteorological parameters and the calculation of heat transfer, which provide reference idea for the standards of industrial and commercial low temperature heat pumps.Keywords: Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (LET-ASHP); Standard; Nominal Heating Condition; Heating1. 前言 利

6、用空氣源熱泵供熱是一類高效清潔的采暖方式， 其突出優(yōu)點在于獲取熱源的便利性與 清潔性， 并具有較大的節(jié)能潛力。 近年來， 適合我國北方寒冷地區(qū)的低環(huán)境溫度空氣源熱泵 技術(shù)得到迅速發(fā)展，其產(chǎn)品即低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組（簡稱：低溫?zé)岜茫┲饾u 成為這些地區(qū)重要的空調(diào)冷熱源設(shè)備。由于低溫?zé)岜枚静膳瘯r的室外空氣溫度最低可達 -20 ，但現(xiàn)有相關(guān)標準僅適用于環(huán)境溫度不低于-7的情況，故需填補標準空白，從而為企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、 性能檢測提供統(tǒng)一的測試條件與能效目標， 促進行業(yè)健康規(guī)范發(fā)展， 縮小 與國際先進水平的差距， 由此可見， 商用、 戶用及類似用途低溫?zé)岜脟覙藴实钠鸩莺椭贫?刻不容緩。本文

7、將圍繞低溫?zé)岜妹x工況的確定問題展開討論， 重點探討其名義制熱工況的確定方 法，并給出其名義制冷與名義制熱工況建議方案。2. 名義制冷工況的確定 低溫?zé)岜貌粌H需要實現(xiàn)冬季采暖， 還需同時承擔(dān)夏季的制冷功能。 為保持相關(guān)標準的一 致性和延續(xù)性， 低溫?zé)岜妹x制冷工況應(yīng)與現(xiàn)行標準GB/T18430蒸氣壓縮循環(huán)冷水 （熱泵）機組(報批稿)一致，即用戶側(cè)的水流量為0.172 m3/(h kW) ，機組出水溫度為 7；空氣側(cè)的干球溫度為 35 1 。3. 名義制熱工況的確定 低溫?zé)岜脴藴实拿x制熱工況既需體現(xiàn)低溫?zé)岜迷诘铜h(huán)境溫度下制熱運行的顯著特點， 也需體現(xiàn)采暖設(shè)計的環(huán)境條件， 這正是該標準區(qū)別于普通

8、空氣源熱泵標準的主要內(nèi)容， 也是 其制定過程中的難點之一。由于定水量空調(diào)系統(tǒng)是目前的主要形式，參照文獻 1 ，制熱運 行時，用戶側(cè)水流量應(yīng)與制冷工況相同，即 0.172 m3/(h kW) ，但尚需在此基礎(chǔ)上研究其名 義制熱工況的空氣側(cè)溫、濕度條件和熱水溫度。為保證室內(nèi)供暖的安全性，該“熱水溫度” 以低溫?zé)岜玫幕厮疁囟葹橐?當(dāng)忽略熱水管路的熱量損失時即為室內(nèi)末端的出水溫度) 。確定名義制熱工況的基本思路是： 通過對我國寒冷地區(qū)典型城市供暖季節(jié)的室外干球溫 度分布以及對應(yīng)的濕球溫度分布的統(tǒng)計分析，在供暖時間不保證率為 3% 的條件下，確定低 溫?zé)岜妹x制熱工況的空氣側(cè)干、 濕球溫度； 通過對典型

9、房間分別采用風(fēng)機盤管供暖和地板 輻射供暖時保證室內(nèi)供暖安全性和舒適性的空調(diào)末端最低出水溫度的研究， 以確定低溫?zé)岜?名義制熱工況的回水溫度。3.1 空氣側(cè)的名義工況空氣側(cè)的名義工況包括干球溫度和濕球溫度。 根據(jù)我國建筑熱工分區(qū) 2 ，選取位于我國 寒冷地區(qū)的北京、天津、 、西安、鄭州、濟南、蘭州、石家莊和太原 8 個主要城市為對象， 研究其在不同供暖時間不保證率條件下的室外設(shè)計干球溫度分布， 從中選取相對合理的溫度 值作為低溫?zé)岜妹x制熱工況的空氣側(cè)干球溫度， 并根據(jù)其對應(yīng)的濕球溫度分布規(guī)律， 確定 空氣側(cè)的濕球溫度。1) 干球溫度為確保統(tǒng)計結(jié)果的可靠性，選用不同氣象數(shù)據(jù)庫(建筑環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)

10、模擬軟件 DeSTa)基于 DeST 的氣象數(shù)據(jù)庫的典型年 氣象數(shù)據(jù)3,4和能耗分析軟件 EnergyPlus 網(wǎng)站公布的典型年氣象數(shù)據(jù) 5 ) 分別進行分析。其中， EnergyPlus 軟件中的 數(shù)據(jù)庫 CSWD ( Chinese Standard Weather Data)來源為建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù) 據(jù)庫 6，數(shù)據(jù)庫 CTYW ( Chinese Typical Year Weather)來源為中國建筑用標準氣 象數(shù)據(jù)庫 7。圖 1 是所選城市不同供暖時 間不保證率條件下的室外設(shè)計干球溫度統(tǒng) 計圖。-21%2% 3%4% 5% 6% 供暖時間不保證率7% 8% 9% 10%b )基

11、于 EnergyPlus 的 CSWD 氣象數(shù)據(jù))(度溫計設(shè)外室80%-6 -8 0 2 4 6)(度溫計設(shè)外室北京 天津 西安 鄭州 濟南 蘭州 石家莊 太原0 2 4 6 8北京 天津 西安 鄭州 濟南 蘭州0%1% 2%3% 4% 5% 6% 7% 供暖時間不保證率8% 9% 10%c)基于 EnergyPlus 的 CTYW 氣象數(shù)據(jù)庫圖 1 各城市基于不同氣象數(shù)據(jù)庫的室外干球溫度與供暖時間不保證率的關(guān)系圖由圖 1 可知，所選三個數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計結(jié)果具有良好的一致性，綜合考慮低溫?zé)岜迷诖蟛糠趾涞貐^(qū)使用的經(jīng)濟性以及采暖的安全性，最終以供暖時間不保證率為 3% 條件下的室外 溫度為基準確定低

12、溫?zé)岜玫拿x制熱工況，即室外干球溫度為 -12，該溫度可滿足寒冷地 區(qū)各主要城市的安全采暖要求。 值得注意的是， 在不保證率的范圍內(nèi)不是低溫?zé)岜貌荒苓\行， 而是此時的室內(nèi)溫度不能滿足設(shè)計室溫要求。（2）濕球溫度濕球溫度與干球溫度具有強相關(guān)性， 但并不遵循特定的分布規(guī)律， 故擬采用統(tǒng)計平均的 方法確定熱泵名義工況的濕球溫度，即提取寒冷地區(qū)主要城市干球溫度在-12附近（ -11-13）的數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的濕球溫度進行統(tǒng)計平均， 其統(tǒng)計結(jié)果如圖 2 所示（其中 EnergyPlus 的 CTYW 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)不全， 未參與統(tǒng)計） 。從圖中可以看出， 室外空氣平均溫度約為 -12 時，各城市的平均濕球溫度

13、約為 -13.1 -13.6。圖 2 各城市基于不同數(shù)據(jù)庫氣象數(shù)據(jù)的室外干、濕球溫度統(tǒng)計結(jié)果確定名義工況濕球溫度不僅需要依照寒冷地區(qū)的客觀氣象數(shù)據(jù)， 還需考慮產(chǎn)品測試條件 的可實現(xiàn)性問題。研究發(fā)現(xiàn)，在標準大氣壓，干球溫度為-12時，濕球溫度變化 1.5，其相對濕度的變化率達到 50%以上，露點溫度變化達 10以上。低溫?zé)岜玫脑囼灲Y(jié)果表明， 如果測試工況的濕球溫度取值過高， 則換熱器上將迅速結(jié)霜， 系統(tǒng)將難以穩(wěn)定運行。 經(jīng)過大 量的試驗證實：取名義工況的濕球溫度為 -13.5 既可以保證機組在標定過程中較長時間處 于穩(wěn)定運行，同時也符合氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。根據(jù)上述分析，確定低溫?zé)岜每諝鈧?cè)的名義工

14、況為干球溫度/濕球溫度： -12 /-13.5。3.2 水側(cè)的名義工況對于民用或公共建筑， 利用低溫?zé)岜米鳠嵩催M行采暖的主要方式為地板輻射采暖和空調(diào) 送風(fēng)采暖。 采暖水溫的選取必須考慮供暖的安全性與舒適性， 取值不能過低， 同時還需考慮 低溫?zé)岜眠\行的節(jié)能性， 取值也不宜過高。 與名義制冷工況不同， 為更有效地保證用戶在冬 季采暖的安全、 可靠，筆者認為以熱泵機組的回水溫度（當(dāng)忽略沿程熱量損失時， 即用戶側(cè) 換熱設(shè)備的出水溫度） 作為低溫?zé)岜妹x制熱工況條件更為合理。 以下將分別研究北京地區(qū) 典型房間采用風(fēng)機盤管供暖和地板輻射供暖時滿足用戶供熱舒適性的室內(nèi)換熱末端的出水 溫度，在此基礎(chǔ)上確定低

15、溫?zé)岜妹x制熱工況的回水溫度。（1）典型建筑介紹一般而言， 一棟建筑內(nèi)的北向房間的夏季設(shè)計負荷比南向房間小， 但二者的冬季設(shè)計負 荷卻基本相近。 由于夏季冷負荷較冬季熱負荷大， 而空調(diào)末端的選型一般依據(jù)夏季冷負荷選 取，故北向房間的空調(diào)末端面積相對較小， 因此以北向房間來分析冬季采暖性能， 能夠更好 地保證其供暖的安全性。 下面以一棟位于北京的多層公共建筑的中間層北向辦公室作為典型 房間來分析采暖舒適性對熱水溫度的要求。設(shè)房間的南北長為 5m ，東西寬 4 m，層高 3.3m；北側(cè)為外墻，其余各面均為內(nèi)墻或內(nèi) 樓板。根據(jù)文獻 8,9確定相關(guān)熱工指標，取北墻傳熱系數(shù)0.8W/(m 2K) ，窗體

16、傳熱系數(shù)2.5W/(m 2K) ，窗墻比 50；室內(nèi)人員 2人，計算機 2 臺，照明功率密度 11W/m 2，新風(fēng)量 30m3/(人 h)。表面層找平層填充層圖3 輻射采暖地板的一般結(jié)構(gòu) 12一般而言，采用風(fēng)機盤管供冷、供熱的建筑 較多，但目前以地板輻射采暖的系統(tǒng)呈逐漸增多 之勢，故冬季采暖末端需分別考慮風(fēng)機盤管和輻 射地板兩類形式， 其后者的常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。本文計算分析所采用的輻射地板的結(jié)構(gòu)和熱 工數(shù)據(jù)如下：表面層厚度=10mm ，導(dǎo)熱系數(shù)=0.14 W/(m K) ；找平層采用 20mm 水泥砂漿， =0.9 3W/(m K) ；填充層采用 30mm 豆石混 凝土， =1.28W(

17、/mK) ；鋪設(shè)水管的管間距 100 300mm(取平均值 200mm 進行計算)；埋 管選用 PP-R 管， =0.21W/(mK) ，管徑 20mm，壁厚 2.3mm?？紤]到供暖的獨立性，假設(shè)樓 板下部絕熱，即地板不向下層房間傳熱。表 1 典型房間冬夏季典型日參數(shù)室外氣象參數(shù) 9室內(nèi)設(shè)計參數(shù) 9房間負荷 W新風(fēng)負荷 注 1W總負荷 W夏季t w 33.2, w 60%tn 26, n 60%9404201360冬 季送風(fēng)采暖t w12, w 45%tn 20, n 45%320640960地板采暖tw 12注 2 注 3 tn 18注 3250600850注 1：房間不設(shè)專門的新風(fēng)管，新風(fēng)

18、由門窗滲透入室內(nèi)，換氣次數(shù)1次/h 與有組織新風(fēng)的新風(fēng)量相近。注 2 ：為了與送風(fēng)采暖進行對比，此處的地板采暖室外設(shè)計溫度設(shè)定與空調(diào)采暖相同。注 3 ：地板輻射供暖的輻射溫度較高，且下熱上冷，減少了房間上部的熱損耗，故在相同舒適性條件下，計算房間熱負荷時，室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)按降低2計算 10表 1 給出了上述典型房間在冬、 夏兩季典型設(shè)計日的室內(nèi)、 外設(shè)計條件和設(shè)計負荷， 為 后續(xù)分析提供依據(jù)， 由于在滿足相同舒適性條件下的地板輻射所需室溫較低， 故比風(fēng)機盤管 送風(fēng)采暖的熱負荷小。(2)送風(fēng)采暖方式的回水溫度取值分析對于冬、 夏共用風(fēng)機盤管的空調(diào)系統(tǒng)， 設(shè)計時一般先按照夏季室內(nèi)負荷確定風(fēng)機盤管型

19、號，而后校驗冬季供熱工況的舒適性和安全性，具體計算過程如下：1) 依據(jù)夏季設(shè)計工況確定風(fēng)機盤管在表 1 給定的典型房間夏季典型日設(shè)計參數(shù)條件下， 根據(jù)空調(diào)設(shè)計規(guī)范， 可計算出冷水 流速、送風(fēng)量、 析濕系數(shù)和所需風(fēng)機盤管換熱器的傳熱系數(shù)和傳熱面積等參數(shù)。 計算選定采 用 SLX-B 型換熱器，其傳熱系數(shù)為 40.0W/(m 2K) 、換熱面積為 3.0m2。2) 校核冬季供暖的舒適性 冬季制熱工況的水流量和盤管換熱 面積保持不變， 迎面風(fēng)速和水側(cè)流速也與 夏季相同，根據(jù)制熱工況 SLX-B 型換熱 器的換熱系數(shù)公式計算其傳熱系數(shù)為228.7 W/(m 2K)。研究表明， 為滿足人體舒適性， 冬季

20、 供熱送風(fēng)溫度需高于 33 ，同時不宜超 過 4211 。在室外參數(shù)、房間特性、風(fēng)機盤管參數(shù)和風(fēng)機盤管空氣側(cè)參數(shù)已知的條件下， 可根據(jù)風(fēng)機盤管的換熱方程和室熱平衡方 程聯(lián)立求解熱水的進、出口溫度和室溫，如圖 4 所示。由圖可知，在 33 42的送風(fēng)范圍 內(nèi)，室溫均高于 20，說明在設(shè)計工況下該風(fēng)機盤管供暖的安全性和舒適性均有較好的保 證。在實際采暖過程中， 室內(nèi)發(fā)熱量對采暖熱負荷的消減有所貢獻； 另外采用較低 （但需高 于外露皮膚溫度 33）的送風(fēng)溫度不僅能使房間溫度均勻，提高舒適性，還能降低空調(diào)熱 水溫度，提高熱源效率， 非常適合低溫?zé)岜玫乃惋L(fēng)策略。 圖 5 與圖 6 分別為典型房間在 33

21、、 34和 35這三種送風(fēng)溫度下，風(fēng)機盤管的出水溫度和室溫隨室內(nèi)發(fā)熱量的變化曲線。40圖 5 盤管出水溫度隨室內(nèi)發(fā)熱量的變化曲線510 15 20室內(nèi)發(fā)熱量 /W/m 22583/ 度溫水出管盤37 36圖 6 室溫隨室內(nèi)發(fā)熱量的變化曲線由圖 4圖 6 可以看出， 34的送風(fēng)溫度在室內(nèi)發(fā)熱量變化的情況下表現(xiàn)出較好的室溫 特性，能夠適應(yīng)室內(nèi)的高、低發(fā)熱量。所以選定空調(diào)送風(fēng)溫度34，相應(yīng)的盤管出水溫度（或熱泵進口溫度）為 38，足以保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性。（3）地板輻射采暖方式的回水溫度取值分析目前， 地板輻射采暖熱水溫度的工程計算方法主要有兩種，一種可稱為等效傳熱系數(shù)法10,13 ，該方法計算簡便

22、，但由于傳熱模型相對簡化，計算出的水溫偏低；另一種可稱為傳熱 單元分析法 14 ，該方法的傳熱模型相對復(fù)雜，可靠性更高，但該算法中地板向上的傳熱系 數(shù)值較難確定。 在分析上述兩種方法的特點后， 本文對此進行了適當(dāng)改進， 提出綜合計算法， 具體過程如下：1）確定室溫 tn 和單位面積設(shè)計采暖負荷 q，并由 q=q計算單位面積地板散熱量 q， 為家具遮擋修正系數(shù)，這里可取 1.115 ；2）由公式 tb=tn+9（q/100）0.909 計算地板表面溫度 tb；3）由公式 Rd =（/）計算地板的總熱阻，根據(jù)管道參數(shù)（埋管管徑d、壁厚 、導(dǎo)熱系數(shù) 、管間距 L），計算管道與地板之間的傳熱熱阻Rc

23、（/）埋管 L/填充 /4；4）根據(jù)公式 tp=t b+qRd+qLRc/d/計 算輻射盤管的供回水平均溫度， 并根據(jù)供回 水溫差確定出水溫度 （即低溫?zé)岜玫幕厮疁?度）。分別用上述三種方法計算得到熱水平 均溫度隨采暖負荷的變化曲線如圖 7 所示， 由圖可以看出， 綜合計算法算得的供回水平30等效傳熱系數(shù)法傳熱單元分析法綜合計算法34238/度溫均平水回供20 25 30 35 40 45 50 55 60 單位面積采暖負荷 /W/m 2圖7 三種計算方法下的供回水平均溫度均溫度位于其他兩種方法之間， 兼?zhèn)湟欢ǖ?安全性和節(jié)能性。 由表 5 可知，典型房間的 單位面積采暖負荷為 42.5W/m

24、 2，根據(jù)圖 7 可知供回水平均溫度達到 36以上即可滿16在其“施工指導(dǎo)”中38作為低溫?zé)岜盟畟?cè)足供暖舒適性要求。從一些設(shè)計手冊也可得到同樣的結(jié)論，如文獻 指出 35以上的供回水平均溫度就可滿足地板采暖要求。綜合上文對風(fēng)機盤管采暖和地板輻射采暖的分析結(jié)果，確定以 名義制熱工況的回水溫度，可以滿足室內(nèi)安全、舒適的供暖要求。4 結(jié)論低溫?zé)岜貌粌H需要實現(xiàn)冬季供暖， 還需同時承擔(dān)夏季的制冷功能， 為保持標準的一致性 和延續(xù)性，建議其名義制冷工況與 GB/T18430 相同；通過對主要應(yīng)用低溫?zé)岜玫奈覈?地區(qū)八個主要城市 (在不同供暖時間不保證率條件下的) 室外設(shè)計干球溫度分布以及對應(yīng)的 濕球溫度

25、分布的統(tǒng)計分析， 確定低溫?zé)岜妹x制熱工況的空氣側(cè)干、 濕球溫度； 通過對典型 房間分別采用風(fēng)機盤管供暖和地板輻射供暖時， 保證室內(nèi)舒適性要求的空調(diào)末端出水溫度的 研究，確定低溫?zé)岜玫拿x制熱工況回水溫度。綜合得到低溫?zé)岜脴藴实拿x工況如表 2 所示，表中溫度值未考慮工況控制精度，尚需結(jié)合產(chǎn)品的測試條件和相關(guān)標準進行規(guī)定。表 2 低溫?zé)岜玫拿x工況條件(未考慮溫度控制精度)項目使用側(cè)熱源側(cè)(或放熱側(cè))水流量 m3/(h kW)進口水溫 ()出口水溫 ()干球溫度 ( )濕球溫度 ( )制冷0.172/735/制熱38/-12-13.5本文提出的低溫?zé)岜妹x制熱工況，可為商用和戶用低溫?zé)岜脵C組的標準制定提供參 考，其研究方法也可為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品標準的制定所借鑒。參考文獻1 GB/T18430.1, 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 工商業(yè)用和類似用途的冷水熱泵機組(報批稿)S.2 GB 50176-1993, 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范 S.3 DeST 網(wǎng)站 .4 宋芳婷 , 諸群飛 , 江億 . 建筑環(huán)境設(shè)計模擬分析軟件 DeST: 第 5 講 影響建筑熱