送風(fēng)參數(shù)對空氣源熱泵制熱運行的影響研究★

金梧鳳 湯余珍 范夢珂 楊 婕 高若丹 馬競達(dá)

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134)

1 概述

隨著人們生活水平的提高，夏熱冬冷地區(qū)采用空氣源熱泵供暖變得越來越普及，同時對熱泵的熱舒適性要求也越來越高[1-3]。空氣源熱泵多采用上送上回的送風(fēng)方式，到達(dá)室內(nèi)預(yù)先設(shè)定的溫度時間較長，并且會出現(xiàn)明顯的熱力分層現(xiàn)象，室內(nèi)溫度分布不均勻。針對這些問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。

胡萬玲等[4]采用CFD數(shù)值模擬得出，壁掛式空調(diào)在冬季工況下，水平向下75°送風(fēng)時室內(nèi)舒適性最佳。李曉東等[5]分析了大空間建筑分層氣流組織在夏季、冬季工況下的流場的分布特點。Mao等[6]采用CFD數(shù)值模擬，研究送風(fēng)角度對個性通風(fēng)性能的影響，當(dāng)送風(fēng)角度為30°時室內(nèi)熱舒適性和系統(tǒng)能耗的綜合性能達(dá)到最優(yōu)的效果。周艷蕾等[7]通過模擬和實驗的方法研究了空調(diào)器送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)溫度場、速度場的影響，結(jié)果表明送風(fēng)角度影響較大。國內(nèi)目前對于如何優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)以實現(xiàn)快速制熱并減少熱力分層的研究較少。因此研究不同的送風(fēng)參數(shù)下室內(nèi)溫度場分布特性，對于提高室內(nèi)人體舒適度、提高空調(diào)運行效率進(jìn)而改進(jìn)人體生活環(huán)境，節(jié)約能源具有重要意義。

本文通過實驗研究兩種送風(fēng)速度和三種送風(fēng)角度組合而成的六種送風(fēng)工況，對比分析了室內(nèi)溫度分布特性及垂直溫差的變化情況，根據(jù)實驗結(jié)果研究送風(fēng)參數(shù)對改善室內(nèi)熱力分層現(xiàn)象和提高人體舒適度的效果。

2 實驗方案

2.1實驗對象

本實驗研究對象為一安裝有空氣源熱泵的房間，房間尺寸為5.10 m×2.94 m×3.13 m，室內(nèi)機安裝在西墻(內(nèi)墻)，距地面2.4 m，尺寸為885 mm×285 mm×210 m，南側(cè)是房間進(jìn)口的門，尺寸為0.98 m×2.00 m。實驗房間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 實驗內(nèi)容

本實驗在送風(fēng)溫度不變的情況下測試不同的送風(fēng)角度與送風(fēng)速度對溫度場的影響。首先將送風(fēng)溫度設(shè)成22 ℃，然后研究不同送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)角度組合的影響。實驗所需主要儀器設(shè)備為：T型熱電偶，HYGROFLEX溫濕度變送器，SYSTEM-6242多點風(fēng)速儀，MX100數(shù)據(jù)采集儀，斯威瑪Swema3000多功能室內(nèi)PMV測試系統(tǒng)。

根據(jù)分體式空調(diào)器送風(fēng)速度和送風(fēng)角度的不同，分為六種工況進(jìn)行實驗，風(fēng)速設(shè)定為2 m/s和3 m/s，將擋風(fēng)板與豎直平面之間的夾角分別設(shè)為30°，60°，90°，6組實驗工況表如表1所示。

表1 實驗工況表

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 不同送風(fēng)角度下室內(nèi)垂直方向溫度場的分析

以送風(fēng)速度3 m/s為例，即A1,A2,A3三種工況下，室內(nèi)垂直平面平均溫度分布圖如圖2所示。

由圖2可以看出：送風(fēng)角度為30°時，各垂直平面溫度在9 min后保持穩(wěn)定，Z=1.1 m平面溫度上升速率為2.41 ℃/min; 送風(fēng)角度為60°時，各垂直平面溫度在5 min后保持穩(wěn)定，Z=1.1 m平面溫度上升速率為4.50 ℃/min; 送風(fēng)角度為90°時，各垂直平面溫度在3 min后保持穩(wěn)定，Z=1.1 m平面溫度上升速率為7.76 ℃/min。由此可以得出擋風(fēng)板的角度對室內(nèi)溫度場的影響規(guī)律，即擋風(fēng)板角度越大，溫度升高的速率越快，相應(yīng)的室內(nèi)溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間就越短。當(dāng)送風(fēng)角度較小時，送風(fēng)風(fēng)向接近垂直地面方向，熱量首先到達(dá)下部，影響室內(nèi)溫度升高速率；當(dāng)送風(fēng)角度較大時，送風(fēng)風(fēng)向與地面接近水平，風(fēng)口正下方容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，因為下部空間熱量是通過壁面帖附射流與下部冷空氣熱交換得到的，影響人體熱感覺，同時熱力分層現(xiàn)象十分明顯。

同樣的，以送風(fēng)速度3 m/s為例，經(jīng)計算得出A2，A3工況下的垂直溫差，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a)可知，當(dāng)送風(fēng)角度為60°時，各平面之間的相對溫差穩(wěn)定在-0.1 ℃～0.5 ℃之間，由圖3b)可知，當(dāng)送風(fēng)角度90°時，各平面之間的相對溫差穩(wěn)定在-0.1 ℃～0.8 ℃之間。通過對比可知，送風(fēng)角度為60°時，垂直溫差較小，溫度分布更均勻，在Z=0.1 m和Z=0.6 m處的溫度梯度較小。

通過以上分析我們可以得出，當(dāng)送風(fēng)速度一定時，送風(fēng)角度越大，室內(nèi)溫度升高越快。送風(fēng)角度為60°時，垂直溫差更小，有利于改善熱力分層現(xiàn)象；送風(fēng)角度為90°時室內(nèi)溫度升高速度更快。

3.2 不同送風(fēng)速度下室內(nèi)垂直方向溫度場的分析

當(dāng)送風(fēng)速度為2 m/s時，即B1，B2，B3工況下，室內(nèi)各垂直平面溫度分布如圖4所示。

將圖4與圖2相比較,可以看出風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)出風(fēng)量越大，強制對流作用越明顯，與室內(nèi)的熱量交換越多，使室內(nèi)溫度上升越快，所達(dá)到的溫度越高。

當(dāng)送風(fēng)角度為90°，送風(fēng)速度為2 m/s時，室內(nèi)垂直方向平面溫度垂直溫差圖如圖5所示，對比圖5和圖3b)我們可以看出保持送風(fēng)角度不變時，風(fēng)速越大，垂直方向溫差越小，風(fēng)速為3 m/s時的溫差比風(fēng)速為2 m/s時的溫差降低了大約0.2 ℃，原因是風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)與室內(nèi)的換熱量越多，空氣換熱后混合性越好，所以溫差越低。

4 結(jié)語

本文通過對實際安裝空氣源熱泵的房間進(jìn)行實測研究，通過在垂直方向高度分別為Z=0.1 m,Z=0.6 m,Z=1.1 m,Z=1.7 m,Z=2.7 m處布置測點，分析比較送風(fēng)角度分別為30°,60°,90°，送風(fēng)速度為2 m/s,3 m/s的六種工況下室內(nèi)溫度分布情況，得到如下結(jié)論：

1)增大風(fēng)速、減小擋風(fēng)板的角度，可以在一定程度上減少垂直方向的熱力分層，提高人的生活區(qū)域的溫度。

2)當(dāng)送風(fēng)角度為90°時，各平面之間的相對溫差穩(wěn)定在-0.1 ℃～0.8 ℃之間，當(dāng)送風(fēng)角度為60°時，各平面之間的相對溫差穩(wěn)定在-0.1 ℃～0.5 ℃之間，垂直方向溫度較送風(fēng)角度為90°比更均勻。

3)當(dāng)送風(fēng)角度為90°時，在Z=0.1 m,Z=0.6 m,Z=1.1 m,Z=1.7 m,Z=2.7 m高度平面，送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s時比風(fēng)速為2 m/s時的平均溫度減小了0.3 ℃左右。