分布式送風氣流組織節能特性研究

林金煌，陳姣，何振健

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著生活水平的不斷提升，人們對室內環境舒適性的要求逐漸提高，這使得空調系統的普及度大幅增長。同時，空調用電量占總用電量的比例也在不斷上升，能源消耗隨之呈日益增長的趨勢。因此，人們在注重室內環境熱舒適的同時，也開始日漸關注空調系統的節能技術。

現有空調系統主要通過高效部件、變頻技術、節能控制策略等方式達到節能的目的。張華等[1]、尚磊等[2]和葉翠安[3]通過改進壓縮機技術，如雙級壓縮技術、變容技術、變頻技術等來提高系統性能系數，使系統更加高效、節能且舒適。宋吉等[4]和施駿業等[5]通過對比不同翅片換熱器的性能，研究分析提升翅片的換熱系數的方法，以達到提高房間空調器效率的目的。

金聽祥等[6]基于冷凝水回收用于冷卻冷凝器可降低空調冷凝溫度的理論，設計了超聲波霧化冷凝水裝置，將其用于家用空調系統中進行節能效果，實驗研究超聲波霧化器霧化冷凝水冷卻冷凝器后，冷凝器的換熱效率得到了很大的提升。黃曉清等[7]提出了4種可以在不增加生產制造成本的情況下提高空調機組室內機蒸發器的換熱效率，為設計開發節能型空調機組提供新的思路，即有效利用空調機組換熱器迎風面和背風面的換熱特性、工質在換熱器中的重力影響、工質在換熱過程中兩相的換熱特點、改善分流器結構設計等。

隨著物聯技術和計算機技術的快速發展，控制算法成為提升空調系統節能和舒適性一種較有效的手段。宋麗芳[8]、王琳等[9]、HENDERSON等[10]、YANG等[11]和王雁[12]通過建立了基于熱舒適的空調節能設計模型，提出空調器的控制策略，以達到對房間溫度穩定、舒適的調控，從而提高現有空調設備的運行效率，節約能源，協調解決熱舒適與節能之間的矛盾。

另有學者通過仿真等方式，分析不同送風方式下室內氣流的有效性、舒適性及節能特性。GAN等[13]通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬研究發現在供熱和制冷兩種情況下最有效的空氣分布方式是不同的。張繼剛[14]對壁掛式空調房間內流場特性、溫度場特性和熱舒適性進行了較為系統的研究。探討了家用壁掛機的導風板旋轉角度和送風速度對室內舒適性及節能的影響。戚大海等[15]對風機盤管提出一種新的送風方式，通過比較、分析不同工況下的氣流組織分布，發現送風角度對節能特性的影響顯著。

綜上可知，在家用空調行業，針對氣流組織或者送風方式對家用空調的節能特性的研究還很少。而房間內的氣流組織通過溫度場和速度場影響人體熱舒適的同時，影響氣流的分布及利用效率。對于傳統家用空調，送風形式單一，無法同時保證氣流組織的熱舒適和經濟性。

本文從熱舒適與能耗兩個方面出發，提出分布式送風形式，并將分布式送風與常規送風氣流組織進行對比分析，研究分布式送風的節能特性。

1 氣流組織節能評價方法

1.1 空氣分布特性指標

良好的室內熱舒適是節能的重要前提條件，而送風氣流組織影響著房間的熱舒適。有效合理的氣流組織是節能的必要條件，可作為評價系統節能的指標之一。

而室內氣流組織的性能可用空氣分布特性指標（Air Diffusion Performance Index，ADPI）來進行評價，其定義為滿足規定風速和溫度要求的測點數與總測點數之比[16-17]。定義式如下所示：其中ΔET為有效溫度差，其表達式為：

式中：

ti——人體活動區域某點溫度，℃；

tn——室內平均溫度，℃；

ui——為人體活動區域某點的空氣流速，m/s。

ADPI的值越大，說明感到舒適的人群比例越大。一般情況下ADPI值≥80%，則認為房間氣流組織較為合理。但ADPI的定義式中“總測點數”包括房間內的所有測點，即人體常活動區域和人體非常活動區域（靠近天花板位置）。由于熱空氣上浮，人體非常活動區域的空氣溫度高，且風速小，導致大部分滿足要求的測點很可能位于人體非常活動區域，即空氣溫度和速度較優的區域在靠近上部空間——遠離人體常活動區域，故用房間所有測點數作為計算基準存在偏差，不能準確衡量房間有效制熱/冷區域內的氣流組織特性。可對ADPI的定義式進行修正，將房間內人體活動區域（本文取1.6 m高度）內的測點數作為總測點數。同時對有效溫度差ΔET進行修正，即將人體活動區域的平均溫度作為給定的室內平均溫度tn。

1.2能量利用系數

能量利用系數表征氣流分布的能量利用有效性[16]。對家用熱泵空調，其回風口本身就在人體活動區域范圍內，檢測回風口溫度實則為人體活動區域的溫度。陳志剛等[18]、LIU等[19]和GAN[13]采用非人體活動區域的平均空氣溫度代替能量利用系數計算式中的排風溫度，將能量利用系數進行了修正。而家用熱泵空調在實際運行中，因出風口位置及尺寸不一，其出風溫度分布也不一樣，即沿風口方向送風溫度的不一致性。如對于長條形風口，送風溫度沿垂直方向存在較大的偏差，而對于方形風口，出風溫度的差值不大。故綜合考慮家用熱泵空調的出風口及回風口的特性，對能量利用系數進行修正。修正后的定義式為：

式中：

tf——非人體活動區域的平均空氣溫度，℃；且定義1.6 m高度及以上區域為非人體活動區域；

tg——人體活動區域的平均空氣溫度，℃；且定義1.6 m高度及以下區域為人體活動區域；

t01, t02, …,t0n——家用熱泵空調上的送風口處不同位置的出風溫度，℃；

n——送風溫度的布點個數。

制熱工況下，非人體活動區域的平均空氣溫度一般要小于送風溫度，人體活動區域的平均空氣溫度也會小于送風溫度。因家用熱泵空調的送風口更接近地面，對于整個房間來說，相當于下部送風或者中部送風，送風口送出的熱空氣會上浮，漂浮至風口上部區域，非人體活動區域的平均空氣溫度將大于人體活動區域的平均溫度，能量利用系數也將小于1。而非人體活動區域的平均空氣溫度與人體活動區域內的平均空氣溫度越接近，此時的能量利用系數越接近于1，說明室內空氣混合的越均勻，溫度均勻性越好，能量利用的效率更高。

1.3 耗電量

耗電量指空調器在一定運行時間內所消耗的電量，是用戶能感受到的較直觀的能耗指標。耗電量越低，節能效果越佳。

2 試驗模型與方法

2.1 試驗模型

2.1.1 物理模型

為了論證分布式送風氣流組織的有效性，對不同風口末端所產生的房間氣流組織進行對比分析，不同送風末端熱泵模型見圖1。圖1中模型A和B為兩類較為典型的送風末端。房間模型及監測點布置如圖2所示，房間的物理尺寸為：（長×寬×高）=（9.00 m×5.24 m×2.8 m）。房間一側寬度方向有一個玻璃窗，其面積為3.2 m2。送風末端作為房間空調器，落地式安裝，且安裝在房間的角落，右側鄰窗。在整個房間內設置225個監測點，監測房間的溫度、風速等參數。測點的布置規則為：沿高度方向每隔0.5 m布置一組測點，共計5排；沿寬度方向每隔0.85 m布置一組測點，共計5排；沿長度方向每隔0.9 m布置一組測點，共計9排，如圖2所示。應用FLoEFD仿真軟件對不同送風形式進行仿真，其數學模型見下一節。

在仿真模擬的基礎上，對不同送風形式空調器進行試驗實測對比。測試空調器的尺寸、房間尺寸均與仿真模型一致。不同送風末端的初始環境溫度及設定參數均一致，運行時間均為3 h。試驗樣機均為1級能效，僅送風方式不一樣。

圖1 不同送風末端

圖2 房間模型及監測點布置示意圖

2.1.2 數學模型

空調房間內的氣流基本上都是湍流運動，可采用湍流模型對空調房間氣流組織進行數值模擬。湍流是一種高度復雜的三維非穩態、帶旋轉的不規則流動。在湍流中流體的各種物理參數，如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發生隨機的變化。其控制方程如下所示[20-21]。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

其中，ui分別表示ux、uy、uz；xi表示所選坐標。

能量守恒方程：

2.2 試驗方法

模擬制熱工況，室內環境初始溫度為0 ℃，室外環境的初始溫度為-5 ℃，墻面初始溫度為7 ℃，假定出風溫度沿風口位置無變化，即出風溫度分布均勻，且給定出風溫度為40 ℃。對于分布式送風空調器，上風口斜向下出風，出風速度矢量與水平面夾角為40°，下風口水平均勻出風。對于上部及正面送風熱泵，斜向下出風，出風速度矢量與水平夾角均為40°。對于不同出風方式的風口末端模型，總風量均取1,200 m3/h。以上所取參數除出風溫度為均勻分布外，均與試驗測試一致。

3 試驗結果分析

3.1 空氣分布特性

對于不同送風方式的ADPI仿真值如表1所示。從表中可知，上部送風與正面送風的ADPI值均小于分布式送風，其值分別為78%和76%，均未達到一般合理氣流組織的要求值。分布式送風的ADPI值為82%，高于80%，可認為房間氣流組織較為合理，可達到大多數人員對室內熱環境的舒適要求。

表1 不同送風氣流組織的空氣分布特性指標

3.2 能量利用率

將3種不同送風方式的空調器進行實驗及仿真分析，利用式(3)可得其能量利用系數。圖3為不同出風方式房間內能量利用系數對比圖。

從圖3可知，仿真值與實驗值存在一定的偏差。分布式送風的能量利用系數的仿真值和實測值分別為0.94和0.93，均要大于正面送風和上部送風氣流組織的能量利用系數。以實測值為例，正面送風及上部送風的能量利用系數分別為0.76和0.86；相比正面及上部送風，分布式送風的能量利用系數要優8%～22%。

家用空調器的出風屬于自然射流，空氣在重力和浮力的作用下會發生向上或者向下的彎曲運動。當空氣的浮力大于重力時，空氣射流將向上彎曲，熱空氣將向房間上部漂浮。圖4為不同送風氣流組織在不同高度處的溫度實測平均值，從圖中可以看出在不同高度處，空氣溫度的分層情況。在截面高度≤1.1 m時，正面出風及上部出風方式的平均空氣溫度變化率較大，0.1 m截面高度與1.1 m截面高度的最大溫差值可達10.7 ℃。可見對于上部及正面送風方式，熱空氣上浮現象嚴重。而分布式送風的熱風可直接從最底部開始輸送，且上部區域送風可抑制下部風量的上浮特性。從測試結果可知，分布式送風各截面高度的平均空氣溫度趨于均勻，與設定溫度20 ℃的偏差值在-1.5 ℃～0.7 ℃內，且0.1 m截面高度的平均空氣溫度高于18 ℃，可以達到腳部溫暖。房間上部空氣也不存在嚴重的過熱現象，將熱量大部分控制在人體所需的區域。從而可以解釋為何分布式送風的能量利用率要高于正面及上部送風氣流組織。

圖3 制熱工況，不同出風方式的能量利用系數

圖4 不同送風氣流組織在不同高度處的溫度分布

分布式送風能夠向房間上下部同時輸送熱風，使室內空氣溫度分布均勻，非人體活動區域平均溫度與人體活動區域平均溫度的偏差值較小。而上部送風及正面送風形式的熱泵空調因存在較為嚴重的溫度分層現象，非人體活動區域的空氣平均溫度與人體活動區域的平均溫度偏差值較大，從而其能量利用系數降低。

3.3 耗電量

仿真中無法直接對能耗進行類比分析，故取實驗實測耗電量及功率進行對比分析。取如圖1不同送風末端的熱泵系統進行對比測試。表2為不同送風形式的熱泵空調運行相同時間后的耗電量。圖5為0～3 h運行期間的功率曲線。從圖中可知，分布式送風落地式空調器由于能將熱量壓制在房間下部區域，系統更易達到設定溫度而運行至較低頻率，并能夠保持低頻率運行，從而耗電量降低。相比上部送風及正面送風，分布式送風氣流組織的耗電量可降低29%～48%。

表2 不同送風形式的耗電量

圖5 功率動行曲線

4 結論

本文通過空氣分布特性、能量利用率和耗電量等指標對分布式送風氣流組織的節能特性進行了詳細的對比分析，得出如下結論。

1）房間氣流組織的優劣不僅影響舒適性，而且與節能息息相關。通過改善氣流組織，在保證室內環境熱舒適的同時，達到節能目的。良好的氣流組織形式可平衡舒適與節能兩者間的矛盾。從氣流組織角度去評估熱泵空調的節能效果，仍具有較大的挖掘潛力。

2）分布式送風氣流組織的ADPI可達82%，比正面送風及上部送風氣流組織提升4%～6%，能夠滿足大多數人的熱舒適需求。

3） 分布式送風的能量利用系數實測值為0.93，優于上部送風及正面送風8%～22%。

4）相較于其他兩種送風形式，分布式送風的耗電量可降低29%～48%，其原因在于，分布式送風能夠達到用戶所需要的熱環境，在需求相同有效熱量時，能夠使系統處于較低頻率運行，總的能量輸出減小。另一方面分布式送風的能量利用率高，能夠將熱量更多地輸送到人體活動區域，浪費在非人體活動區域的熱量較少。

5）在ADPI、能量利用系數及耗電量均較優時，可判定氣流組織是舒適且節能的。

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