摘要：针对西北地区一套别墅，对采用以直流变频热水机为热源的地板采暖系统进行了特性分析。测试了不同方案中室内环境温度等数据，通过比较不同情况下的温度变化和耗电量，对比分析了地板采暖采用带执行器分水器在能耗方面的优势。确定了地板采暖最佳的供水水温范围，评估了间歇式运行的可行性，得出了地板采暖有较好的经济性结论。
关键词：直流变频热泵 地板采暖 经济性分析
引言
目前建筑能耗所占能源生产总量的比重在逐年上升，据估算我国建筑能耗在社会终端总能耗中所占的比例将逐步提高到35%左右，建筑将超越工业等其它行业居于能耗的首位[1]。因此建筑节能成为刻不容缓的问题。现阶段，低温热水地板辐射采暖技术已成为提高建筑物对能源利用率的主要研究技术。地板辐射采暖不仅有舒适、节能、卫生条件好、可利用低温热源等优点，而且大量的理论和试验研究证明地板辐射采暖总体比传统的散热器采暖要节能30%[2]，是目前建筑节能的一种有效方法。直流变频热水机采用热泵和直流变频技术，通过检测室外环境温度和实际水温，及时调整室外机输出能力，从而实现节能供水。直流变频热水机结合地板采暖，可大幅度地提高能源利用率，将成为现代节能建筑主流采暖设备之一。
1 研究对象
1.1 建筑物
图1建筑物为我国西北某地区一套小别墅，分上下两层，总建筑面积约200m2，采暖面积为144m2。墙体内夹有保温材料，次卧有较大的玻璃门（双层）。地暖热管采用PE-RT材料，管径为DN25，呈回形排布，间距为250mm～280mm。
1.2 采暖设备
该套采暖设备由一台直流变频热水机组和供水管路组成，其中机组额定制热水量为28kW，额定水流量4.8m3/h，额定功率9kW，放置在一楼。供水管路管径为DN32，在一楼处分成两路，然后再通过分水器分别进入一楼和二楼的地暖热管。一楼和二楼的分水器均布置在厨房内，分成四路，每路总长约60m，分别通往各自的书房、起居室、主卧和次卧。
1.3 检测设备
为了准确地反映采暖系统的状态，在水路系统上布置了水压表、流量仪和温度仪。其中两个流量仪分别布置在一楼和二楼的供水总路上，在两层楼的供水和回水处都布置了水压表和温度仪。并且为了有效地控制水路，在两层楼的回水总管上加了截止阀。附系统简图，见图2。
2 运行步骤与结果
2.1 第一次运行
分水器均为手动控制，八路均设置全开，设定供水水温为45℃，开机运行。
运行结果如图3所示：一楼室内温度从7℃升高到16℃，耗时64h（约2.5天），平均升温速度为0.14℃/h。二楼室内温度从3℃升高到16℃，耗时136.5h（约5.5天）。
整体采暖效果不佳，尤其是二楼室内温度仅能达到13℃～15℃。且机组耗电量偏大。一般情况下，机组平均耗电量为8.9度/小时。在气温很低时，耗电量会上升到9.7度/小时。
2.2 第二次运行
对水系统调整如下：a）采用大流量水泵；b）更换带执行器的分水器；c）房间温控装置自动控制。通过带执行器的分水器和房间温控器配合使用，可实现各个房间根据各自室内环境温度控制分水器支路的开停。
方案一：设定供水温度45℃。测量全负荷运行时，机组在24小时内的平均耗电量、地暖的平均水流量和室内环境温度上升情况。
实际运行中，记录了从24小时以内一楼和二楼室内环境温度数据，室内温度的升温过程如图4所示：
从图4的结果中可以看出，一楼和二楼的室内温度的升温速度有所提升，尤其是一楼，升温速度增加了将近一倍，为0.25℃/h。
在第一次试验过程中，随着室内环境温度升温，需要地暖管内的热水连续不断地向室内所有房间提供热量，因此定频压缩机和变频压缩机都在运行。变频压缩机运行频率一直保持在较高频段75Hz-80Hz，此时每个小时的耗电量为8.9℃/h。
从2011-2-23到2011-2-24，室内房间的感温器结合带执行器的联动控制，热量在不同房屋之间得到合理分配。此时能力需求降低，水温会发生相应变化。根据供、出水温度变化，变频压缩机能力输出控制采用PID控制算法，维持中间频率50-60Hz运行后，平均每小时耗电量为5.24 度，运行的耗电量明显降低，机组达到较佳的控制和运行状态。
方案二：设定供水温度为50℃。一楼和二楼室内温度设定18℃，测试室内温度的升温速度，并与热水发生器设定水温设定为45℃时对比升温速度。
开机时，室外环境温度为0℃，一楼、二楼室内初始温度为11℃，一楼、二楼室内环境温度设定18℃，室内温度的升温情况如图5所示。
从表1中可以看出，当地暖供水温度为50℃时，温升速度提升明显，如一楼客厅的升温速度从原来的0.25℃/h提高到1.03℃/h，预热时间可以缩短。由于热水发生器设定水温比较高，加热水的过程中，压缩机一直高频满负荷运行，且冷凝压力提高，平均耗电量由之前的5.24度/小时上升到8.27度/小时。高频输出，提高制热能力，提高了出水温度，加快了升温速度和舒适性。
2.3 停机试验，研究温降速度，评估地暖系统间歇运行的可行性
为了测量室内环境温度在停止供暖条件下的降温速度。故在实际试验中，记录了停机23 小时以内一楼和二楼室内环境温度的变化情况，如图6所示。
以一楼客厅为例，计算出停机后，室内环境温度在23h内的降温速度，如表2所示。
从表2可以看出，一楼的室内平均环境温度在23小时内从19℃降到13.6℃，降温速度为0.235℃/h；二楼的室内平均环境温度在23小时内从16℃降到12℃，降温速度为0.174℃/h，也就是4～6小时降低1℃，只要升温速度远大于这个值，间隙运行是可行的。
3 经济性评价
3.1 变频热泵热水机运行费用估算：
假设每度电的价格为0.6元。
最佳热泵运行状态，平均每小时耗电量为5.24度。
按照5.24度/小时计算，地板采暖一个月的运行费用为：5.24×24×30×0.6＝2263.68元。
3.2 燃气壁挂炉运行费用估算：
以样板房为例，建筑总面积为200m2，地板采暖面积为143.36m2。其单位面积取暖热负荷为120W/m2。那么200m2的房间单位时间需要消耗的热量是：200×120=24000W。若选择一台30kW的燃气壁挂炉。假设燃气壁挂炉的使用率为0.6,则一个月需要消耗的热量是：
30000×30×24×60×60×0.6=46656000KJ。如果是用天然气，则需要消耗天然气是：46656000/8500/4.184=1312Nm3（天然气热值：8500Kcal/Nm3）。考虑到壁挂炉的燃烧效率，一般欧洲进口机的热效率大多是95%，则实际的天然气消耗量是：1312/0.95=1381Nm3。(天然气单价：2.4 元/Nm3。)
则使用燃气壁挂炉采暖一个月的采暖运行费用是：1381×2.4=3314.4元。
综上所述，多联热水机投入使用，则其一个月的运行费用大约比燃气壁挂炉少了1050.7元，节省了31.7%。而且天然气还会随着石油价格不断上调，热泵系统地板采暖经济性明显。
4 结论
通过对小别墅的实际测试研究，初步掌握了直流变频热水机应用在地板采暖时的系统特性，并对地板采暖的部分特性进行了一定程度上的研究，总结如下：
(1)以直流变频热水机为热源的地板采暖系统，高频运行提高制热效果，加快温升速度。稳定运行过程中，结合带执行器的分水器系统控制，使直流变频热水机中低频运行，从而达到了运行节能效果。而且地板采暖供水水温一般在40℃～45℃范围较好，因此出水温度50℃具有更好的节能效果。
(2)地板采暖系统预热时间偏长，一般需6～10小时，首次加热时间会更长。若适当提高供水水温，室内温度上升速度会加快，提高制热速度和舒适性，减少了预热时间。
(3)对比室内环境温度上升速度和下降速度，证实了地板采暖采用间歇式节能运行的可行性。
(4)从经济性方面得以明显体现，节省年运行费用30%以上。
参考文献
[1]周卿,苏华,建筑能耗分析方法与现状[J],中国科技信息,2008,18:67～71
[2]Abdelaziz Laouadi.Development of A Radiant Heating and Cooling Model for Building Energy Simulation Software.Building and Environment,2004,(39)421-431
