清華大學 楊子旭 呂偉華 石文星 王寶龍 李先庭 

       【摘  要】空氣源熱泵-地板供暖系統具有熱舒適好、節能高效的特點。采用何種運行模式可實現節能、降低運行費用并保證熱舒適是目前關注的問題之一。以上海市典型房間為例，建立房間及供暖系統模型并進行模擬，分析連續和多種間歇運行模式對房間溫度、熱舒適、系統能耗及運行費用的影響。結果表明：居住建筑供暖系統采用下午停機的間歇運行模式PMV和PPD指標與連續運行差異很小，最冷周的耗電量可減少6.0%、運行費降低10.1%；辦公建筑供暖系統采用夜間谷電運行模式不僅可保證室內的舒適性，同時可以充分利用“峰谷電價”降低運行費用，相對于白天運行模式可節省40%。

       【關鍵詞】地板供暖 空氣源熱泵 間歇運行 熱舒適 峰谷電價

       【基金項目】本文由國家重點研發計劃項目“長江流域建筑供暖空調解決方案和相應系統”（課題編號：2016YFC0700304）資助

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

       空氣源熱泵-地板供暖系統具有清潔、高效，熱舒適性好、室內溫度分布均勻、供水溫度低等優點，近年來隨著北方清潔供暖和長江流域供暖的需求，在國內供暖市場上占據重要地位，廣泛應用作為建筑的供暖系統^[1,2]。

       夏熱冬冷地區供暖主要采用空氣源熱泵、電熱器等分散供暖設備，具有部分時間（間歇性）、部分空間（局部性）的特點^[3]，目前采用空氣源熱泵-地板供暖的供暖形式逐漸增多。由于地板熱容大、蓄熱性強、延遲性大^[4]，使得需要供暖時間與機組實際運行時間不對應。因此，亟需探究不同運行模式對室內舒適性、系統能耗和運行費用的影響特征。

       付祥釗等^[1,5]對空氣源熱泵-地板供暖系統的室內溫度及供回水溫度、流量等進行實測，結果表明，該類系統在電網調峰及空氣源熱泵結霜除霜等間歇運行時，室內溫度波動較小，不會嚴重影響室內舒適性；許可^[6]針對該系統應用于住宅建筑進行了仿真研究，提出了多種運行模式建議。然而，地板供暖服務的建筑類型、供暖時間，使用者的生活習慣不盡同，現有研究對不同建筑類型、供暖時間對應的房間熱舒適和系統能耗分析較少。因此，對于不同類型建筑、不同運行策略，室內舒適性、系統能耗和運行費用的特征尚需進一步研究。

       本文建立了上海居住和辦公建筑的典型房間及供暖系統的仿真模型，對比分析空氣源熱泵-地板供暖在不同運行模式下，典型年最冷周（7天）內的室內溫度、熱舒適指標、系統能耗和運行費用（考慮峰谷電價）的差異，以期為該類系統的運行管理提供參考。

1 建筑模型與參數設置

       1.1 圍護結構設置

       居住和辦公建筑典型房間模型的尺寸為12×6.5×3.6m，其中東、南為外墻，其余為內墻。圍護結構熱工參數分別滿足JGJ 134《夏熱冬冷地區住宅建筑節能設計標準》^[7]及GB 50189《公共建筑節能設計標準》^[8]。

       地板供暖的供水溫度設定為35℃，流量為0.172kW/(m³·h)。居住和辦公建筑的埋管間距分別為250mm/200mm。輸配系統為單臺定頻水泵，功率為80W。地板構造設置滿足《輻射供暖供冷技術規程》^[9]的要求。

       1.2 人員在室及保障時間設置

       居住建筑結合生活習慣、工作規律、在室時間與行為活動特征等因素的分析，設定夜間和清晨全家人員都在家，上午時段，老人和兒童在家^[10]，因此人員活動及保障時間設置為18：00~12：00（居住建筑18：00~8：00人數按4人，8：00~12：00人數按2人）；辦公建筑以《單元式空氣調節機》^[11]規定的辦公建筑工作時間為依據，人員活動及保障時間段為8：00~18：00。

       1.3 散熱量及通風設置

       室內發熱量主要包括人員、設備及燈光發熱量?？紤]到居住、辦公建筑人員作息等因素，其室內設備人員散熱量和通風換氣次數如表1所示。其中，辦公建筑人員密度、設備發熱量等按照《公共建筑節能設計標準》^[8]人均面積進行設計。

       1.4 供暖模式設置

       居住建筑和辦公建筑供暖運行模式設置如表2所示。由于地板具有的蓄熱性和延遲性，有必要提前開機以滿足供暖的需要。此外，考慮到經濟性，機組可利用峰谷電價的谷電時間運行。因此，本文主要探討以下六種運行模式。

2 系統仿真模型

       房間模型通過TRNSYS中TRNBuild模塊設置圍護結構參數、通風換氣次數及室內發熱量等指標。圍護結構外墻采用“輻射+對流”邊界條件；內墻采用“等壁溫”邊界條件。輻射地板通過Active Layer設置供水溫度、管排間距等。熱泵設備采用與室外溫度、回水溫度相關的性能模型。

       TRNBuild模塊將室內劃分為多個非幾何平衡模型區域，每個區域有一個空氣節點，代表該區域空氣體積的熱容量和與空氣節點緊密連接部分（例如地板）的熱容量。輻射地板通過網格劃分、利用有限元法來計算三維熱傳導問題，并與室內空氣、墻體的對流與輻射建立方程計算。以TRNSYS為平臺的房間與機組性能模型耦合模擬的邏輯圖如圖1所示。

       上海市是夏熱冬冷地區典型城市。以上海市為例，計算其在典型年最冷周（1月8日~1月14日）的房間溫度、人員熱舒適，系統能耗及運行費用。計算步長設置為0.1h。

3 供暖模式對供暖效果的影響

       3.1 室內溫度和熱舒適

       （1）室內溫度

       圖2表示不同供暖模式的室內溫度隨時間分布情況。

       1）居住建筑：供暖系統連續運行能夠保障室內溫度高于18℃；間歇運行的總供熱量小于連續運行模式，室內溫度低于連續運行。三種模式的室內平均溫度依次為20.3℃、19.3℃、18.4℃。當室外溫度極低時（如第7日），間歇運行的室內溫度低于18℃，但仍滿足規范^[8]的要求。

       2）辦公建筑：供暖系統上班運行及提前開機模式在白天運行，辦公初期（8：00~8：30）室內溫度低，第7日辦公初期平均溫度僅為17.2℃；而谷電運行模式第7日辦公初期平均溫度18.6℃，主要由于地板蓄熱性強，雖然在辦公時間停止供暖，室內溫度逐漸低于前兩種模式，但室外高溫段、太陽輻射強烈及人員設備散熱發生在工作時間，因此依靠地板蓄熱也能使室溫滿足要求^[9]。 

       對于居住建筑和辦公建筑，在自然通風時間段內，室內溫度急劇下降，最低至12℃。停止通風后，室內溫度能夠迅速恢復。

       （2）室內熱舒適

       在某一室內空間里，使至少80％建筑使用者在心理狀態上感到滿意的熱環境溫度范圍，被ASHRAE和ISO定義為熱舒適^[12]。Fanger綜合空氣溫度、流速、環境表面平均輻射溫度、相對濕度和兩個人為變量(衣服熱阻、人體代謝率)，提出了室內熱舒適指標預測平均評價PMV及人群對熱環境不滿意的百分數預測不滿意百分比PPD。

       室內熱舒適的人為變量因素以及風速等設置參見圖3。

       圖4、圖5分別表示不同供暖模式對應室內PMV值和PPD值。表3總結了“不舒適時間”所占比例。

                             

       1）居住建筑：人員大部分時間位于-1<PMV<1的區間內，傍晚家務時間稍熱、清晨衣著系數變化時稍涼，而其他時間處于非常舒適或稍涼區域。連續運行與下午停機模式的|PMV|>1與PPD>20%的“不舒適時間”均為0，而|PMV|>0.5的“不舒適時間”相差14%，即適當間歇供暖不會對居住建筑室內熱環境造成太大影響。夜間運行模式“不舒適時間”最長，且集中在清晨和傍晚通風時間段；|PMV|>0.5的時長為51.6%，|PMV|>1的時長為2.3%，PPD>20%的時間為13.9%。

       2）辦公建筑：人員主要位于-1<PMV<0的區間內。以PPD>20%為指標，谷電運行“不舒適時間”為上班運行和提前開機模式的1/3。三種模式的“不舒適時間”都集中在早上辦公初期及中午開窗通風階段；而谷電運行的PPD在清晨低于其他兩種模式、在傍晚則高于其他兩種模式。

       3.2 系統運行能耗和運行費用

       （1）運行能耗

       表4中給出了上海最冷周各模式下系統的供熱量、機組與系統的耗電量及能效比?？梢钥闯觯?/p>

       1）居住建筑：供暖系統的供熱量與耗電量隨供暖時間減少而遞減，下午停機與夜間運行模式比連續運行耗電量降低6.0%、10.5%。連續運行機組能效比高，系統能效比低，主要原因是在室外高溫段機組運行，使得機組能效比高；同時水泵運行時間長，使得系統能效比低于其他兩種模式，其系統能效比分別比其他兩種模式低1.0%和4.1%。

       2）辦公建筑：供暖系統上班運行模式供暖時間最長、運行時室外溫度最高，其系統能效比較其他兩種模式高2.3%和6.2%。提前開機與谷電運行模式供暖時間相同，但谷電運行模式在夜間開啟機組，其系統能效比較提前開機模式低4.3%，耗電量高4.0%。

       （2）運行費用

       峰谷電價是按高峰用電和低谷用電分別計算電費的一種電價制度，能夠調動用戶削峰填谷、均衡用電的積極性，緩和電力供需矛盾，以控制高峰負荷、充分利用電網低谷電量^[13]。本文峰谷電價按照上海市設置，峰電時間為06：00~22：00，價格為0.667元/kWh，其余時間為谷電，價格為0.337元/kWh。表4中也給出了上海最冷周采用不同運行模式的系統總運行費用和單位面積運行費用。由此可知：

       1）居住建筑：由于系統運行時間縮短，故供暖系統下午停機、夜間運行模式的運行費用分別比連續運行模式低10.1%和23.9%；

       2）辦公建筑：系統谷電運行模式主要在峰谷電價的“谷電”時間運行，即便其耗電量是三種模式中最高、系統能效比最低的，其運行費用比上班運行和提前開機模式可節省40%，并且實現了電網調節、削峰填谷。

      3.3 系統評價

      以熱舒適、系統能效比、系統能耗及經濟性為評價標準綜合評價系統運行模式特點，其評價指標分別為PPD>20%的時間比例、系統能效比、最冷周系統耗電量及運行費用，分別考察不同運行模式下房間的熱舒適性、系統本身的性能特性、系統運行時間分布與電耗以及是否充分利用峰谷電價等。

      不同服務對象，對于各指標要求程度不同。如在保證熱舒適條件下，盡可能降低系統能耗與運行費用，則居住建筑供暖系統下午停機模式優于其他兩種模式。與連續運行相比，其室內平均溫度僅低1℃，而熱舒適指標與連續運行相差不大，最冷周耗電量降低6.0%、運行費用降低10.1%；與夜間運行模式相比，其室內熱舒適方面有顯著優勢。辦公建筑供暖系統谷電運行模式要優于其他兩種模式。主要體現在辦公初期室內溫度高，“不舒適時間”僅為其他兩種模式1/3，充分利用峰谷電價，運行費用比上班運行和提前開機模式節省40%。

4 結論

      運行模式直接影響空氣源熱泵-地板供暖系統的供熱效果與能耗，通過建立建筑房間及供暖系統的TRNSYS模型，模擬并考察不同運行模式對上海居住與辦公建筑的供暖效果，給出了最冷周的室內溫度、熱舒適、系統能耗和運行費用的差異。主要結論如下：

      （1）溫度及舒適性：居住建筑，供暖系統連續運行時其室內溫度高于間歇運行，三種模式的室內平均溫度依次為20.3℃、19.3℃、18.4℃，連續運行和下午停機模式都能使室內熱舒適高，而夜間運行“不舒適時間”最長，其PPD>20%的時間為13.96%；辦公建筑，供暖系統谷電運行模式使得辦公初期的室溫高于上班運行及提前開機模式約1℃，“不舒適時間”僅為其他兩種模式1/3，即谷電運行舒適性優于上班運行和提前開機模式的供暖形式。

      （2）系統能耗及運行費用：居住建筑，供暖系統間歇運行有利于節能，與連續運行相比，下午停機與夜間運行模式比連續運行耗電量降低6.0%、10.5%，運行費用分別比連續運行降低10.1%和23.9%；辦公建筑，供暖系統谷電運行室外溫度最低，其系統能效比較提前開機模式低4.3%，耗電量高4.0%。谷電運行模式雖然能耗高，但是充分利用“峰谷電價”，其運行費用比上班運行和提前開機模式節省40%，實現了電網調控和削峰填谷。

      （3）在保證熱舒適條件下，盡可能降低系統能耗與運行費用，則居住建筑供暖系統下午停機模式最優；辦公建筑供暖系統谷電運行模式最優。

參考文獻

      [1] 付祥釗,林真國,王勇,張素云.空氣源熱泵與地板供暖聯合運行實驗研究[J].暖通空調,2005(02):100-103+128.
      [2] 陳曉寧,楊志宇,陳江平,熊瑋.北京地區戶式空氣源熱泵地板輻射供熱系統運行特性研究[J].建筑技術,2016,47(11):990-993.
      [3] 張東凱,鄭潔,黃鋒.夏熱冬冷地區供暖調研分析[J].暖通空調,2014,44(06):21-24.
      [4] A. Arteconi, D. Costola, P. Hoes, J.L.M. Hensen, Analysis of control strategies for thermally activated building systems under demand side management mechanisms, Energy Build. 80 (2014) 384-393. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.05.053.
      [5] 張寅,王璜,陳啟,李海平.空氣源熱泵-地板供暖系統測試分析[J].暖通空調,2014,44(12):45-48.
      [6] 許可. 空氣源熱泵地板輻射供暖系統模擬計算研究[D].大連理工大學,2014.
      [7] 中國建筑科學研究院. 夏熱冬冷地區住宅建筑節能設計標準：JGJ 134—2010 [S]. 中國建筑工業出版社,北京，2010:4-6
      [8] 中國建筑科學研究院. 公共建筑節能設計標準：GB 50189—2015 [S]. 中國建筑工業出版社,北京，2015:8-13
      [9] 中國建筑科學研究院. 輻射供暖供冷技術規程：JGJ 142—2012 [S].中國建筑工業出版社,北京，2012:12,13
      [10] 董旭娟,閆増峰,王智偉,阮丹,趙星.夏熱冬冷地區典型城市住宅供暖模式選擇研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2014,46(06):865-870.
      [11] 合肥通用機械研究院. 單元式空氣調節機 ：GB/T 17758—2010 [S]. 中國標準出版社,北京，2010:47
      [12] 黑賞罡,姜曙光,楊駿,張俊龍.Fanger PMV熱舒適模型發展過程及適用性分析[J].低溫建筑技術,2017,39(10):125-128.
      [13] 李堅.電網運行及調度技術問答[M].中國電力出版社,2004.3

      備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。