送風(fēng)參數(shù)對鉑銠熱電偶制熱運行的影響研究

                 2020年5月份針對夏熱冬冷地區(qū)冬季采用鉑銠熱電偶供暖時出現(xiàn)的熱力分層現(xiàn)象，通過實驗研究了鉑銠熱電偶在不同送風(fēng)角度和送風(fēng)速度下室內(nèi)溫度場的分布特性，比較和分析不同送風(fēng)角度和送風(fēng)速度下室內(nèi)垂直溫差的變化關(guān)系。結(jié)果表明，當送風(fēng)速度一定時，送風(fēng)角度越小，室內(nèi)垂直溫差越小; 當送風(fēng)角度一定時，送風(fēng)速度越大，得到的室內(nèi)垂直溫差越小。

    1 概述
    隨著人們生活水平的提高，夏熱冬冷地區(qū)采用鉑銠熱電偶供暖變得越 來 越 普 及，同時對熱泵的熱舒適性要求也越來越高［1-3］。鉑銠熱電偶多采用上送上回的送風(fēng)方式，到達室內(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)運行效率進而改進人體生活環(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鉑銠熱電偶的房間，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。 圖 1 房間結(jié)構(gòu)示意圖50 98 294 21 28.5 30 20 170 50 313

    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。

    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)溫度場達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間就越短。當送風(fēng)角度較小時，送風(fēng)風(fēng)向接近垂直地面方向，熱量首先到達下部，影響室內(nèi)溫度升高速率; 當送風(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，所達到的溫度越高。

    當送風(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鉑銠熱電偶的房間進行實測研究，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。