川西住宅建筑用空气源热泵热风供暖的气流组织及能耗研究

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川西地区属于热工分区中的寒冷地区,冬季供暖需求大。但目前川西大多数地区仍采用传统的燃烧式或电加热供暖,这种传统的供暖方式存在能耗高、安全性低、环保性差等缺点。在国家主导清洁能源供暖的背景下,空气源热泵供暖技术得到快速的发展。传统的分体式热风型空气源热泵室内机已经在国内广泛使用多年,但室内机在热风供暖条件下存在室内温度分布上热下冷等热舒适问题。另一方面,目前对川西地区直接采用分体式热风型空气源热泵供暖时室内温度分布、室内人员舒适度、能耗等的研究相对较少。为此,利用“十三.五国家重点研发计划项目——藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”为平台,在川西康定市建立了一个示范工程,针对一种新型热风型空气源热泵进行实测与理论分析。以示范工程所在居住建筑内的新型末端机组和位于重庆大学寝室内的传统壁挂式末端机组为研究对象,进行了不同运行工况的实验测试;利用实测数据作为计算条件进行CFD模拟计算,得到计算结果;将实验测试结果与模拟计算结果进行对比,结果表明:实验结果与模拟结果误差在10%以内,两个计算模型是可靠的;然后将传统壁挂式末端的模型应用于示范工程房间内,进行相同条件下的气流组织模拟计算。利用“温度、速度不均匀系数”、“PMV及ADPI”两个综合指标对两种末端供暖形成的室内气流组织进行了舒适性评价,结果表明:实验工况中,示范末端供暖时,温度不均匀系数介于0.08~0.12之间、ADPI值达到56%以上,而传统末端供暖时,室内温度不均匀系数介于0.3~0.4之间、ADPI值只有33%左右。所以示范末端机组供暖时室内温度分布更加均匀,满足舒适度要求的空间点更多;利用能量利用系数进行了经济性评价,结果表明示范末端在供暖时的能量利用系数均大于1,而传统末端供暖时的能量利用系数均小于1,示范末端机组能量利用率更高;当采用示范末端供暖时,利用上述评价指标对不同设定温度时室内的气流组织进行了评价,结果表明:服装热阻为1.32clo,代谢率为1met时,设定温度为18℃时是最优工况。对示范工程机组进行了不同工况的能耗测试实验,计算出实验期间机组的逐时COP;SPSS软件结合实验数据拟合了机组不同运行工况的COP理论计算式,利用另一组实验数据进行验证,预测模型算出的COP与机组实际运行COP相差在5%以内,验证了COP计算式的可靠性;分析两个供暖季的监测数据,统计不同设定温度下对应的机组实际运行时长(压缩机运行时长),给出了机组实际运行时间与室内设定温度的关系式,为类似项目的能耗预测提供了依据。对比了不同运行模式下电供暖与空气源热泵供暖的全年能耗差异,结果如下:运行模式1、2、3时,空气源热泵供暖比电供暖在整个供暖季的运行费用分别节省了1119.44、689.423、1125.4元;对比了空气源热泵供暖时不同设定温度的运行能耗及费用差异,结果表明:室内设定温度为16、17、18、20℃时,运行模式1供暖季单位面积耗电量分别为31.73、33.79、37.69、48.31k Wh/m~2,运行模式2单位面积耗电量分别为21.09、22.33、25.43、30.57k Wh/m~2。运行模式3单位面积耗电量分别为33.04、35.16、42.03、50.34k Wh/m~2。总结可以得出:当室内设定温度在16~20℃之间时,供暖季单位面积耗电量随室内设定温度变化成二次函数变化。本文结论可为空气源热泵供暖技术在川西地区的推广、合理的选择热风供暖末端、合理的使用提供建议及理论依据。
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