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(nèi)環(huán)境舒適性的要求逐漸提高，這使得空調(diào)系統(tǒng)的普及度大幅增長。同時(shí)，空調(diào)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(nèi)環(huán)境熱舒適的同時(shí)，也開始日漸關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)。

現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)主要通過高效部件、變頻技術(shù)、節(jié)能控制策略等方式達(dá)到節(jié)能的目的。張華等[1]、尚磊等[2]和葉翠安[3]通過改進(jìn)壓縮機(jī)技術(shù)，如雙級壓縮技術(shù)、變?nèi)菁夹g(shù)、變頻技術(shù)等來提高系統(tǒng)性能系數(shù)，使系統(tǒng)更加高效、節(jié)能且舒適。宋吉等[4]和施駿業(yè)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(shù)的方法，以達(dá)到提高房間空調(diào)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(diào)冷凝溫度的理論，設(shè)計(jì)了超聲波霧化冷凝水裝置，將其用于家用空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行節(jié)能效果，實(shí)驗(yàn)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(chǎn)制造成本的情況下提高空調(diào)機(jī)組室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器的換熱效率，為設(shè)計(jì)開發(fā)節(jié)能型空調(diào)機(jī)組提供新的思路，即有效利用空調(diào)機(jī)組換熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面的換熱特性、工質(zhì)在換熱器中的重力影響、工質(zhì)在換熱過程中兩相的換熱特點(diǎn)、改善分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

隨著物聯(lián)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，控制算法成為提升空調(diào)系統(tǒng)節(jié)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(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)模型，提出空調(diào)器的控制策略，以達(dá)到對房間溫度穩(wěn)定、舒適的調(diào)控，從而提高現(xiàn)有空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行效率，節(jié)約能源，協(xié)調(diào)解決熱舒適與節(jié)能之間的矛盾。

另有學(xué)者通過仿真等方式，分析不同送風(fēng)方式下室內(nèi)氣流的有效性、舒適性及節(jié)能特性。GAN等[13]通過計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬研究發(fā)現(xiàn)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(diào)房間內(nèi)流場特性、溫度場特性和熱舒適性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。探討了家用壁掛機(jī)的導(dǎo)風(fēng)板旋轉(zhuǎn)角度和送風(fēng)速度對室內(nèi)舒適性及節(jié)能的影響。戚大海等[15]對風(fēng)機(jī)盤管提出一種新的送風(fēng)方式，通過比較、分析不同工況下的氣流組織分布，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)角度對節(jié)能特性的影響顯著。

綜上可知，在家用空調(diào)行業(yè)，針對氣流組織或者送風(fēng)方式對家用空調(diào)的節(jié)能特性的研究還很少。而房間內(nèi)的氣流組織通過溫度場和速度場影響人體熱舒適的同時(shí)，影響氣流的分布及利用效率。對于傳統(tǒng)家用空調(diào)，送風(fēng)形式單一，無法同時(shí)保證氣流組織的熱舒適和經(jīng)濟(jì)性。

本文從熱舒適與能耗兩個(gè)方面出發(fā)，提出分布式送風(fēng)形式，并將分布式送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)氣流組織進(jìn)行對比分析，研究分布式送風(fēng)的節(jié)能特性。

1 氣流組織節(jié)能評價(jià)方法

1.1 空氣分布特性指標(biāo)

良好的室內(nèi)熱舒適是節(jié)能的重要前提條件，而送風(fēng)氣流組織影響著房間的熱舒適。有效合理的氣流組織是節(jié)能的必要條件，可作為評價(jià)系統(tǒng)節(jié)能的指標(biāo)之一。

而室內(nèi)氣流組織的性能可用空氣分布特性指標(biāo)（Air Diffusion Performance Index，ADPI）來進(jìn)行評價(jià)，其定義為滿足規(guī)定風(fēng)速和溫度要求的測點(diǎn)數(shù)與總測點(diǎn)數(shù)之比[16-17]。定義式如下所示：其中ΔET為有效溫度差，其表達(dá)式為：

式中：

ti——人體活動(dòng)區(qū)域某點(diǎn)溫度，℃；

tn——室內(nèi)平均溫度，℃；

ui——為人體活動(dòng)區(qū)域某點(diǎn)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(rèn)為房間氣流組織較為合理。但ADPI的定義式中“總測點(diǎn)數(shù)”包括房間內(nèi)的所有測點(diǎn)，即人體?；顒?dòng)區(qū)域和人體非常活動(dòng)區(qū)域（靠近天花板位置）。由于熱空氣上浮，人體非?；顒?dòng)區(qū)域的空氣溫度高，且風(fēng)速小，導(dǎo)致大部分滿足要求的測點(diǎn)很可能位于人體非?；顒?dòng)區(qū)域，即空氣溫度和速度較優(yōu)的區(qū)域在靠近上部空間——遠(yuǎn)離人體?；顒?dòng)區(qū)域，故用房間所有測點(diǎn)數(shù)作為計(jì)算基準(zhǔn)存在偏差，不能準(zhǔn)確衡量房間有效制熱/冷區(qū)域內(nèi)的氣流組織特性。可對ADPI的定義式進(jìn)行修正，將房間內(nèi)人體活動(dòng)區(qū)域（本文取1.6 m高度）內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)作為總測點(diǎn)數(shù)。同時(shí)對有效溫度差ΔET進(jìn)行修正，即將人體活動(dòng)區(qū)域的平均溫度作為給定的室內(nèi)平均溫度tn。

1.2能量利用系數(shù)

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

式中：

tf——非人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度，℃；且定義1.6 m高度及以上區(qū)域?yàn)榉侨梭w活動(dòng)區(qū)域；

tg——人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度，℃；且定義1.6 m高度及以下區(qū)域?yàn)槿梭w活動(dòng)區(qū)域；

t01, t02, …,t0n——家用熱泵空調(diào)上的送風(fēng)口處不同位置的出風(fēng)溫度，℃；

n——送風(fēng)溫度的布點(diǎn)個(gè)數(shù)。

制熱工況下，非人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度一般要小于送風(fēng)溫度，人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度也會小于送風(fēng)溫度。因家用熱泵空調(diào)的送風(fēng)口更接近地面，對于整個(gè)房間來說，相當(dāng)于下部送風(fēng)或者中部送風(fēng)，送風(fēng)口送出的熱空氣會上浮，漂浮至風(fēng)口上部區(qū)域，非人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度將大于人體活動(dòng)區(qū)域的平均溫度，能量利用系數(shù)也將小于1。而非人體活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度與人體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的平均空氣溫度越接近，此時(shí)的能量利用系數(shù)越接近于1，說明室內(nèi)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(diào)器在一定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所消耗的電量，是用戶能感受到的較直觀的能耗指標(biāo)。耗電量越低，節(jié)能效果越佳。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

2.1.1 物理模型

為了論證分布式送風(fēng)氣流組織的有效性，對不同風(fēng)口末端所產(chǎn)生的房間氣流組織進(jìn)行對比分析，不同送風(fēng)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(fēng)末端。房間模型及監(jiān)測點(diǎn)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(cè)寬度方向有一個(gè)玻璃窗，其面積為3.2 m2。送風(fēng)末端作為房間空調(diào)器，落地式安裝，且安裝在房間的角落，右側(cè)鄰窗。在整個(gè)房間內(nèi)設(shè)置225個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測房間的溫度、風(fēng)速等參數(shù)。測點(diǎn)的布置規(guī)則為：沿高度方向每隔0.5 m布置一組測點(diǎn)，共計(jì)5排；沿寬度方向每隔0.85 m布置一組測點(diǎn)，共計(jì)5排；沿長度方向每隔0.9 m布置一組測點(diǎn)，共計(jì)9排，如圖2所示。應(yīng)用FLoEFD仿真軟件對不同送風(fēng)形式進(jìn)行仿真，其數(shù)學(xué)模型見下一節(jié)。

在仿真模擬的基礎(chǔ)上，對不同送風(fēng)形式空調(diào)器進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)測對比。測試空調(diào)器的尺寸、房間尺寸均與仿真模型一致。不同送風(fēng)末端的初始環(huán)境溫度及設(shè)定參數(shù)均一致，運(yùn)行時(shí)間均為3 h。試驗(yàn)樣機(jī)均為1級能效，僅送風(fēng)方式不一樣。

圖1 不同送風(fēng)末端

圖2 房間模型及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)房間內(nèi)的氣流基本上都是湍流運(yùn)動(dòng)，可采用湍流模型對空調(diào)房間氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。在湍流中流體的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)的變化。其控制方程如下所示[20-21]。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

其中，ui分別表示ux、uy、uz；xi表示所選坐標(biāo)。

能量守恒方程：

2.2 試驗(yàn)方法

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空氣分布特性

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

表1 不同送風(fēng)氣流組織的空氣分布特性指標(biāo)

3.2 能量利用率

將3種不同送風(fēng)方式的空調(diào)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及仿真分析，利用式(3)可得其能量利用系數(shù)。圖3為不同出風(fēng)方式房間內(nèi)能量利用系數(shù)對比圖。

從圖3可知，仿真值與實(shí)驗(yàn)值存在一定的偏差。分布式送風(fēng)的能量利用系數(shù)的仿真值和實(shí)測值分別為0.94和0.93，均要大于正面送風(fēng)和上部送風(fēng)氣流組織的能量利用系數(shù)。以實(shí)測值為例，正面送風(fēng)及上部送風(fēng)的能量利用系數(shù)分別為0.76和0.86；相比正面及上部送風(fēng)，分布式送風(fēng)的能量利用系數(shù)要優(yōu)8%～22%。

家用空調(diào)器的出風(fēng)屬于自然射流，空氣在重力和浮力的作用下會發(fā)生向上或者向下的彎曲運(yùn)動(dòng)。當(dāng)空氣的浮力大于重力時(shí)，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(fēng)氣流組織在不同高度處的溫度實(shí)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(shí)，正面出風(fēng)及上部出風(fēng)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(dá)10.7 ℃?？梢妼τ谏喜考罢嫠惋L(fēng)方式，熱空氣上浮現(xiàn)象嚴(yán)重。而分布式送風(fēng)的熱風(fēng)可直接從最底部開始輸送，且上部區(qū)域送風(fēng)可抑制下部風(fēng)量的上浮特性。從測試結(jié)果可知，分布式送風(fēng)各截面高度的平均空氣溫度趨于均勻，與設(shè)定溫度20 ℃的偏差值在-1.5 ℃～0.7 ℃內(nèi)，且0.1 m截面高度的平均空氣溫度高于18 ℃，可以達(dá)到腳部溫暖。房間上部空氣也不存在嚴(yán)重的過熱現(xiàn)象，將熱量大部分控制在人體所需的區(qū)域。從而可以解釋為何分布式送風(fēng)的能量利用率要高于正面及上部送風(fēng)氣流組織。

圖3 制熱工況，不同出風(fēng)方式的能量利用系數(shù)

圖4 不同送風(fēng)氣流組織在不同高度處的溫度分布

分布式送風(fēng)能夠向房間上下部同時(shí)輸送熱風(fēng)，使室內(nèi)空氣溫度分布均勻，非人體活動(dòng)區(qū)域平均溫度與人體活動(dòng)區(qū)域平均溫度的偏差值較小。而上部送風(fēng)及正面送風(fēng)形式的熱泵空調(diào)因存在較為嚴(yán)重的溫度分層現(xiàn)象，非人體活動(dòng)區(qū)域的空氣平均溫度與人體活動(dòng)區(qū)域的平均溫度偏差值較大，從而其能量利用系數(shù)降低。

3.3 耗電量

仿真中無法直接對能耗進(jìn)行類比分析，故取實(shí)驗(yàn)實(shí)測耗電量及功率進(jìn)行對比分析。取如圖1不同送風(fēng)末端的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對比測試。表2為不同送風(fēng)形式的熱泵空調(diào)運(yùn)行相同時(shí)間后的耗電量。圖5為0～3 h運(yùn)行期間的功率曲線。從圖中可知，分布式送風(fēng)落地式空調(diào)器由于能將熱量壓制在房間下部區(qū)域，系統(tǒng)更易達(dá)到設(shè)定溫度而運(yùn)行至較低頻率，并能夠保持低頻率運(yùn)行，從而耗電量降低。相比上部送風(fēng)及正面送風(fēng)，分布式送風(fēng)氣流組織的耗電量可降低29%～48%。

表2 不同送風(fēng)形式的耗電量

圖5 功率動(dòng)行曲線

4 結(jié)論

本文通過空氣分布特性、能量利用率和耗電量等指標(biāo)對分布式送風(fēng)氣流組織的節(jié)能特性進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，得出如下結(jié)論。

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

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

3） 分布式送風(fēng)的能量利用系數(shù)實(shí)測值為0.93，優(yōu)于上部送風(fēng)及正面送風(fēng)8%～22%。

4）相較于其他兩種送風(fēng)形式，分布式送風(fēng)的耗電量可降低29%～48%，其原因在于，分布式送風(fēng)能夠達(dá)到用戶所需要的熱環(huán)境，在需求相同有效熱量時(shí)，能夠使系統(tǒng)處于較低頻率運(yùn)行，總的能量輸出減小。另一方面分布式送風(fēng)的能量利用率高，能夠?qū)崃扛嗟剌斔偷饺梭w活動(dòng)區(qū)域，浪費(fèi)在非人體活動(dòng)區(qū)域的熱量較少。

5）在ADPI、能量利用系數(shù)及耗電量均較優(yōu)時(shí)，可判定氣流組織是舒適且節(jié)能的。

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