５８ 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷第６期
夏热冬冷地区供暖
长江流域住宅分散式供暖
改造案例及分析
清华大学 赵 康☆ 吴明洋 佟 振 刘晓华 江 亿
摘要 针对目前长江流域住宅冬季室内温度低、舒适性差的问题，在合肥某住宅安装了空气源热泵和辐射地板供暖系统。测试结果表明，辐射地板采用３室内温度５℃的热水供暖时，竖直方向温度分布均匀，能较好地满足人员舒适性要求。结合该供暖改造案例，在１６～１８℃，
室内热舒适和供热量等方面分析比较了辐射地板和送风末端，并探讨了空气源热泵作为长江流域住宅分散式供暖热源的适宜性。
关键词 长江流域 住宅 分散式供暖 辐射地板 空气源热泵 送风末端
ＤｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｈｅａｔｉｎｆｏｒｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｓｉｎＹａｎｔｚｅ ｇｇｇ
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０ 引言
长江中下游流域（以下简称长江流域）处于我国夏热冬冷地区，有２～３个月室外日平均温最冷月月平均温度３～５℃，冬季度低于１０℃，有供暖需求。目前，该地区居民主要采用家用空调器进行分散供暖，或者采用电加热器进行局部
１］
。室内温度普遍维持在较低水平：供暖［不开启
热舒适性的要求和呼声日渐强烈。如何有效改善该地区住宅冬季室内热环境，但又不大幅度增加能源消耗，成为关系该地区民生和我国建筑节能事业的重要问题。
为了改善冬季住宅室内热环境，部分地区尝试采用集中供暖方式，如武汉市，但因供暖费用和改
２］
。２造费用较高，目前仅覆盖极少数住宅［０１２年
供暖设备时室内温度普遍低于１甚至不到８２℃，开启空调时，室内温度集中在１℃；２～１６℃①。
随着该地区居民生活水平的稳步提高，对住宅室内热环境的要求不断提高，加之近些年冬季时常居民对提高冬季室内温度、改善出现极寒天气，
清华大学，上海大学．城镇居民生活方式与节能状况① 同济大学，调查，２０１２
全国“两会”期间，也有政协委员提出“将北方集中
３］
，。从气候特公共供暖延伸到南方”并引发热议［
①☆
赵康，女，在读博士研究生１９８７年１０月生，
１０００８４清华大学建筑技术科学系（）６０１０２７７３７７２
：ａｉｌｚｈａｏｋ０６ａｉｌｓ．ｔｓｉｎｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎＥ－ｍ－＠ｍｇ
收稿日期：２０１３－０４－２６修回日期：２０１３－０５－０２
（）２０１３６赵 康，等：长江流域住宅分散式供暖改造案例及分析
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点、能源结构和居民生活方式等多方面分析，长江流域供暖期短、供暖负荷小且波动大，不适宜采用而推荐采用部分时间、部分空间的集中供暖方式，
分散式供暖，满足不同住户对室温的需求差异，同
１］
。时可节省初投资和运行成本［
作为一种分散供暖方式，辐射地板供暖系统已室内热环境得到经在该地区部分住宅中得到应用，
显著改善。现有辐射供暖方式多采用燃气壁挂炉作为热源，近些年持续发生“气荒”等原因使得燃气壁挂炉热源方式的应用受到限制，而且天然气直接燃烧供热在能源利用效率方面的适宜性也有待商榷。
本文介绍了合肥某住户采用空气源热泵为辐射地板提供热水进行供暖的改造案例，对辐射地板末端改善室内热舒适性效果及其对供热量的影响进行了分析，并对空气源热泵与燃气壁挂炉在长江流域的适宜性进行了比较分析。１ 合肥某住户供暖改造
１．１ 建筑信息
）见图１位于安徽省合肥市某小区，该建筑（ａ，建于１９９９年。建筑外墙采用普通砖墙（３７０ｍｍ）
２
／（·Ｋ）；传热系数约为１．窗户为铝合金单５Ｗｍ
２
／（·Ｋ）。测试传热系数约为４．层玻璃窗，５Ｗｍ２
，住户位于１层西侧，套内建筑面积８除阳台５ｍ２
，外建筑面积７户型如图１７ｍｂ所示。安装辐射
图２ 典型门窗缝隙
图３ 辐射地板末端
水由空气源热泵机组提供，机组额定容量为１０压缩机可变频调节。ｋＷ，
辐射地板供暖系统原理如图４所示。在客厅内１．可以根据室温５ｍ高处安装了温度传感器，调节热泵内压缩机频率，从而改变与室温设定值，
供水温度，使得室内温度满足用户需求。此外，热每４泵在制热工况运行时，０～５０ｍｉｎ需要切换四通阀，对室外机进行除霜，每次除霜时间约为３。ｍｉｎ
地板供暖系统前，该住户采用电加热器局部供暖，冬季室内温度通常为７～１２℃。建筑多采用铝合）。测试期间，金门窗，可见明显缝隙（见图２对较ａ，窗缝添加了密封条（见图２减少为明显的门缝、ｂ）室外渗风带入的冷量。
图４ 辐射地板供暖系统原理
２ 供暖改造测试结果
对该住户供暖改造效果进行２０１３年１—２月，了测试，测试内容包括室内热环境、辐射地板供热量和热泵机组能效等。
图１ 测试住户建筑外观和户型图
１．２ 供暖改造方案
对该住户铺装了辐针对室内温度偏低的情况，
射地板供暖系统。所采用的辐射地板末端主要组成部分包括预制辐射板（厚度１和复合地板２ｍｍ）（，厚度１如图３所示。辐射地板采用的热０ｍｍ）
２．１ 室内热环境
测试期间，室外温度－２～１含湿量４～８５℃，／。室内空气温度、湿度情况如图５所示，各房ｋｇｇ
间温度均维持在１其中主卧、次卧和客厅６～１８℃，北向书房和厨房由于卫生间渗水导致墙温度较高，
体潮湿，温度略低。该住户依照生活习惯，每天上
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夏热冬冷地区供暖
午或者傍晚开窗通风２开窗期间室内０～３０ｍｉｎ，温度降低２～３℃。
采用热成像仪对各房间壁面温度进行了测试。图６显示了主卧各个壁面的温度分布，从图中可以外墙（南墙和西墙）内墙（东墙、北看出，１４～１５℃，
墙）天花板１地板表面２１６～１７℃，６～１７℃；２～２３比其他壁面温度高６～８℃。与送热风或散热℃，
器供暖方式相比，由于地板表面温度较高，空气温度相同时，操作温度提高了２℃。
为考察房间温度均匀性，测试了距离地板不同高度处的温度，结果见图７。从图７可以看出，从近地面０．空气温度均１ｍ处至天花板２．５ｍ处，空气温度沿高度方向分布在１７．５～１８．５℃之间，非常均匀，有效避免了传统送风空调热风难以下上热下冷的问题。坠、
２．２ 辐射地板供暖系统运行情况
室内温度维持在１热泵机组供水温６～１８℃，／，水流量为０．供回水温差度为３５℃左右，１６Ｌｓ约为５℃，空气源热泵供回水温度和总供热量如图８所示。热泵机组提供的总热量为２．２～３．２ｋＷ，平均供热量为２．单位面积供热量为３７ｋＷ，８～５６
２２／（）。这些热量包括辐射地板铺设面积５Ｗｍ７ｍ
辐射地板向房间提供的热量和向下的散热损失。
辐射地板向房间提供的热量可以通过热流计直接测量，也可以通过辐射板热阻、表面温度和热水温度计算得到。根据热流计测量的地板表面散从图中可看出，客厅、卧室一般为热量如图９ｂ所示，
图５ 室外和室内主要房间空气温湿度
２２
／，／。北侧书房和厨房一般为４２５４５Ｗｍ０６０Ｗｍ～～
图６ 主卧各壁面温度分布
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板向室内的有效散热量为１．平均供热６～２．８ｋＷ，量为２．２ｋＷ。根据热泵提供的总热量和辐射地板辐射地板向下的热损失约向房间散热量计算得到，
占热泵提供的总热量的１住户地下是一高为９％（。温度接近室外温度）１．２ｍ的地下层，
空气源热泵总供１月２３日至２月１４日期间，／平均为２．单位热量为１４１２ｋＷ·ｈ，７ｋＷ·ｈｈ，
２
／（面积供热量为３除阳台外建筑面积７５Ｗｍ７
２）。供暖系统总耗电量为５平均为ｍ９５ｋＷ·ｈ，
图７ 竖直方向温度分布
／其中压缩机、室外机风机和水泵的１．１３ｋＷ·ｈｈ；平均功率分别为６７０，２９０，１７０Ｗ。热泵平均制热供热量／压缩机电耗）为４．热泵机组平均ＣＯＰ（０，
供热量／压缩机和室外机风机的电耗）为能效（２．８。
２．３ 整个供暖季能耗和改进
合肥地区冬季室外日平均温度如图１０所示，其中１１月１５日至２月１５日室外日平均温度低于单位面积电耗１０℃。按照供暖时间为９０ｄ计算，
２２／，（约为３电费约为１合肥峰谷２ｋＷ·ｈｍ５元／ｍ（））。电价平均为０．４７５元／ｋＷ·ｈ
图８ 空气源热泵供回水温度和总供热量
］）图１数据来源：文献［０ 合肥冬季室外日平均温度（４
目前该住户的热泵设备选型过大，压缩机一直处于低频运行状态，风机能耗较大。如果选型合风机能耗可以降到１这样热泵机组适，２０～１５０Ｗ，平均能效可以达到３．供暖季电耗可以降至２３，７
２
／。ｋＷ·ｈｍ另外，该住户建筑围护结构性能较差，外墙传２
／（·Ｋ），热系数为１．不满足Ｊ５ＷｍＧＪ１３４—２０１０
《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中对外墙
２
／（·Ｋ））。在当地传热系数值的规定（０Ｗｍ≤１．
图９ 主要房间辐射地板表面温度和散热量
新建居住建筑中，多采用多孔砖或加气混凝土加保
２／（·Ｋ）温的外墙，传热系数在１．以下。按０Ｗｍ
单位面积散照新建住宅的围护结构保温情况来看，
２
／，热量可以降至２供暖季电耗可以降４～２８Ｗｍ２／。至１８～２２ｋＷ·ｈｍ
各房间地板表面温度如图９从图中可看出，ａ所示，一般为２计算得到的地板表面散热量与０～２３℃，热流计测试值基本吻合。系统稳定运行时，辐射地
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夏热冬冷地区供暖
３ 讨论
从上述供暖改造工程的实际运行效果来看，辐射地板供暖方式在低温供水情况下满足了室内热舒适需求。下面，对辐射地板和送风末端在并探室内热舒适和供热量等方面进行比较分析，讨空气源热泵作为长江流域住宅分散式供暖热源的适宜性。
３．１ 辐射地板与送风末端的舒适性比较
传统空气源热泵（家用空调器）通过送热风方式来满足冬季室内供暖需求。图１１ａ所示是典型的壁挂式空调，根据热成像仪测得冬季供暖时送风温度常高达４５～５０℃。图１１ｂ所示的实测结果表室内温度在竖直方向上存在明显的温度梯度：明，
空调送风口附近及上部区域温度较高，而底部人员热空气聚积在顶部，难活动区温度显著低于顶部，
以送达低处的人员活动区。当满足人员活动区的舒适温度水平时，这种方式的热泵所需的室内冷凝导致热泵制热能效难以提高。温度很高，
采用辐射地板供暖时，竖直方向温 相比之下，
，度梯度显著减小（仅１℃）热舒适性明显优于送热风方式。由于地板表面温度较送热风方式时高在空气温度相同时，辐射地板末端的作业６～８℃，
反映环境空气和壁面对人体热感受的综合温温度（
度）还会比送热风方式高１～２℃。合肥住宅改造辐射地板末端需要的热水温度仅为３案例中，５℃，采用空气源热泵作为热源时，显著降低了热泵冷凝温度，有助于提高热泵效率。
此外，当采用空气源热泵作为热源时，热泵部分时间需要运行融霜模式。送热风方式的热泵（家用空调器）从室内空气取热用以融霜，就会向室内易引起人员不舒适。而采用辐射地板作送入冷风，
为末端时，由于辐射地板的热惰性，辐射地板表面）。见图５和图９温度和室内温度波动较小（３．２ 不同末端方式供暖系统供热量
供暖系统的供热量Ｑｈ可以根据下式进行简单估算：
Ａ（）Ｑｈ＝ｑＴ１
１－ηｌ
式中 全空Ａ为供暖面积（ｑ为房间需要的热量；
；间或部分空间）或向下层房间）传热损ｌ为邻室（η失；Ｔ为系统运行时间。
送风末端与辐射地板末端在房间需热量、供暖面积、邻室传热损失和系统运行时间方面的异同如表１所示。其中，房间需热量在舒适性要求相同
图１１ 住宅空调器冬季送风温度及室内竖直温度分布比较
（作业温度相同）时差别不大；在分室调节方面，辐
不同末端对比
表１ 送风末端与辐射地板末端对供暖系统供热量的影响
房间需热量ｑ
供暖面积Ａ或向下层房间）传热损失η邻室（ｌ运行时间Ｔｑ＝围护结构传热负荷＋渗风负荷
）由于辐射地板表面温度高，同样的室内作业温度，室温设计值可比送风方式低２℃左右（应１
）用辐射地板可减少渗风负荷
）同样室温情况下，加大了通过围护结构２应用辐射地板使得外围护结构的内表面温度升高，
辐射地板的不利影响）的散热量（
辐射地板可以按照功能房间划分为多个支路，设置通断阀，实现按需启停，和房间空调器一样实现分室调节
辐射地板直接加热地板，大于送风末端方式０％～２０％，ｌ约占总供热量的１η）送热风方式热惰性小，供暖设备开启时间≈用户需要的供暖时间１
）辐射地板热惰性大，供暖设备开启时间＞用户需要的供暖时间２），不同辐射地板热惰性差异较大混凝土结构辐射地板２～３ｈ，轻薄型辐射地板０．３５ｈ
射地板可以按照功能房间划分为３～６个支路，每个支路设置通断阀，用户根据需要启停各房间末端设备，可以和送风末端一样实现“部分空间”运行。
两种末端方式供暖系统供热量不同的原因主要在于邻室传热损失和系统运行时间。辐射地板
末端直接加热地板，增加了通过楼板向下层房间的散热量。在合肥住户改造案例中，下层房间是无供暖的地下层，在楼板无保温时，辐射地板向下热损失约占系统总供热量的１９％。从减少向下传热损失角度看，在辐射地板与楼板之间增加保温层，尤其当下层房间不供暖时，是十分必要的。另外，由
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于辐射地板自身的热惰性较大，从供热水到辐射板表面温度稳定需要０．需要提前开启供暖５～３ｈ，因此会增加系统运行时设备才能满足室温要求，
间。不同辐射地板稳定时间不同，混凝土结构辐射而图３所示的轻薄型辐射地地板通常需要２～３ｈ，板需要约０．为了加快开启阶段５ｈ。间歇供暖时，建议选择自身热惰性小的辐射地室温上升速度，板。
综上所述，在相同供暖区域和供暖时间要求下，采用辐射地板末端时，供暖系统实际开启时间比家用空调器送风方式提前１～３ｈ（与辐射地板，和房间热惰性相关）另外还会增加部分向下传热。约占系统供热量的１损失（０％～２０％）
３．３ 空气源热泵热源的适宜性
长江流域住宅分散供暖采用的热源主要目前，有空气源热泵和燃气壁挂炉。下面对这两种热源方式在能源利用效率、冬夏季统一的冷热源设备等说明空气源热泵在长江流方面的情况作简单比较，域应用的适宜性。
合肥住户改造案例中，辐射地板供水温度３５热泵Ｃ在风机选型合适时热泵机℃，ＯＰ达到４．０，
组能效比可以达到３．天然气的发电效率３。目前，大型机组的发电效率甚至达到一般在５０％以上，
［］
再驱动空气源热５６％～５８％５。采用天然气发电，
泵供热时，热值为１Ｊ的天然气可产生１．５～１．６Ｊ的热量。而燃气壁挂炉直接燃烧天然气制取热水［］
时，１Ｊ的天然气仅能产生０．８５～１．０Ｊ的热量６。
冬季供暖需求。因此，长江流域冬季供暖和夏季供冷可以使用同一套空气源热泵设备，在夏季供冷的只需要增加冬季供暖用的辐射地板末端基础上，
（。相比采用燃气壁挂炉供暖时需要如图１２所示）采用空气源热泵供暖和供冷增加单独的热源设备，可以节省一套热源设备。
图１冬季辐射地板的供冷和供暖方式２ 空气源热泵夏季送风、
因此，从提高能源利用效率、冬夏使用统一的冷热源设备方面来看，空气源热泵适宜作为长江流域住宅分散供暖的热源。
４ 结论
针对目前长江流域住宅冬季室内温度低、舒在合肥某住宅安装了空气源热泵适性差的问题，
和辐射地板供暖系统，并对供暖效果进行了测试。结果表明，辐射地板采用３５℃的热水供暖时，就能够维持室内温度１而且竖直方６～１８℃，向温差在１℃以内，温度分布均匀，实现了较好的舒适性。低温热水供热也使得热泵运行效率提高，制热Ｃ热泵机组平均能ＯＰ平均达到４．０，效达到２．目前设备选型偏大，选型合适时热泵８；机组能效可达到３．３。
结合上述供暖改造案例，对送风末端和辐射地板末端在室内热舒适和供热量等方面进行了比较分析。采用辐射地板末端时，室内温度均匀，舒适性好；需要的供水温度低（改造案例中为，以空气源热泵为热源时可降低冷凝温度、３５℃）
提高热泵效率。而由于辐射地板的热惰性，供暖系统需要提前开启，比送风末端的运行时间长；另外辐射地板还有部分向下热损失（占系统总供。此外，热量的１空气源热泵在长江０％～２０％）
流域供暖时能源利用效率较高，还可以与夏季制冷使用统一的冷热源，适宜作为长江流域住宅分散式供暖的热源。
（下转第５７页）
因此，电驱动的空气源热泵比燃气壁挂炉的能源利用效率更高。
长江流域属于夏热冬冷地区，夏季供冷和冬季供暖需求并存。表２给出了以Ｒ２２为制冷剂的同一套空气源热泵装置用于夏季制冷和冬季供暖时的工作状况。在典型制冷和制热工况下，压缩机的
）表２ 单级压缩空气源热泵设计工况与性能（Ｒ２２
夏季制冷运行
（６℃蒸发温度）
室外温度压缩比
３５℃２．６～２．８ ３．０～３．７ ０．９～１．０
冬季制热运行
（３５℃低温热水）
７℃２．６～２．９３．８～４．２１．１～１．２
ＣＯＰ
相对制冷／热量
压缩比范围十分接近，有利于压缩机运行在合适的工作状态范围内；冬季相对制热量（假设夏季制冷）量为１为１．从长江流域住宅的冬夏负荷１～１．２，来看，按照夏季空调需求设计的热泵装置可以满足
（）２０１３６殷 平：南方供暖的现状和路径
２２９７８５４５３．ｈｔｍｌ
５７
多城市的公共建筑、商业建筑和居住建筑近在咫，尺，往往不需要对交通要道“开肠破肚”冷热水管热网问题还是有网较易处理。因此只要因地制宜，可能解决的。
燃气Ｃ利国利民，但是目ＣＨＰ虽然优点诸多，前在我国推广起来却是寸步难行，这次“南方是否的全国大讨论，应该是一次很好的需要集中供热”
契机，如果中央有关部门能够因势利导，顺水推舟，很可能将大大促进燃气ＣＣＨＰ系统在我国的发展，使更多的南方家庭因此受益，成为解决南方供暖的一条重要路径。
３ 结语
当热议“南方是否需要集中供热”这一公共话题时，政府决策部门和业界首先应该对国内家庭供分析、研究和总结。暖的现状进行全面深入的调查、
笔者关于国内家庭供暖现状的阐述从一个侧面反映了国内家庭供暖存在的主要问题，这些问题的提出可供政府决策部门和有关企业在决定南方供暖合理路径时参考。南方冬季供暖目前仍处于路径笔者认为完善和推广低温高效空气源热设计阶段，
而燃气冷热电三联泵是南方供暖行之有效的捷径，
供系统集中供热则是南方供暖的希望之路，同时也是节能减排的重要手段。参考文献：
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［］杭州网．武汉集中供暖困难重重 能源供给不足成重１１
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４５５５２６４．ｈｔｍ
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