送風參數(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角度和送風速度下室內(nèi)溫度場的分布特性，比較和分析不同送風角度和送風速度下室內(nèi)垂直溫差的變化關系。結果表明，當送風速度一定時，送風角度越小，室內(nèi)垂直溫差越小; 當送風角度一定時，送風速度越大，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方式，到達室內(nèi)預先設定的溫度時間較長，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)外相關學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，研究送風角度對個性通風性能的影響，當送風角度為 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)器送風參數(shù)對室內(nèi)溫度場、速度場的影響，結果表明送風角度影響較大。國內(nèi)目前對于如何優(yōu)化送風參數(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速度和三種送風角度組合而成的六種送風工況，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)實驗結果研究送風參數(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，南側是房間進口的門，尺寸為 0． 98 m × 2． 00 m。實驗房間結構如圖 1 所示。 圖 1 房間結構示意圖50 98 294 21 28.5 30 20 170 50 313

    2． 2 實驗內(nèi)容
    本實驗在送風溫度不變的情況下測試不同的送風角度與送風速度對溫度場的影響。首先將送風溫度設成 22 ℃，然后研究不同送風風速、送風角度組合的影響。實驗所需主要儀器設備為: T 型熱電偶，HYGＲOFLEX 溫濕度變送器，SYSTEM-6242 多點風速儀，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)器送風速度和送風角度的不同，分為六種工況進行實驗，風速設定為 2 m/s 和 3 m/s，將擋風板與豎直平面之間的夾角分別設為 30°，60°，90°，6 組實驗工況表如表 1 所示。

    3 實驗結果及分析
    3． 1 不同送風角度下室內(nèi)垂直方向溫度場的分析
    以送風速度 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 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。由此可以得出擋風板的角度對室內(nèi)溫度場的影響規(guī)律，即擋風板角度越大，溫度升高的速率越快，相應的室內(nèi)溫度場達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間就越短。當送風角度較小時，送風風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; 當送風角度較大時，送風風向與地面接近水平，風口正下方容易出現(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，以送風速度 3 m/s 為例，經(jīng)計算得出 A2，A3 工況下的垂直溫差，結果如圖 3 所示。

    由圖 3a) 可知，當送風角度為 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，當送風速度一定時，送風角度越大，室內(nèi)溫度升高越快。送風角度為 60°時，垂直溫差更小，有利于改善熱力分層現(xiàn)象; 送風角度為 90°時室內(nèi)溫度升高速度更快。

    3． 2 不同送風速度下室內(nèi)垂直方向溫度場的分析
    當送風速度為 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，可以看出風速越大，單位時間內(nèi)出風量
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。

    當送風角度為 90°，送風速度為 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角度不變時，風速越大，垂直方向溫差越小，風速為 3 m/s時的溫差比風速為 2 m/s 時的溫差降低了大約 0． 2 ℃，原因是風速越大，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，分析比較送風角度分別為 30°， 60°，90°，送風速度為 2 m/s，3 m/s 的六種工況下室內(nèi)溫度分布情況，得到如下結論:
    1) 增大風速、減小擋風板的角度，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 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角度為90°比更均勻。
    3) 當送風角度為 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，送風風速為3 m/s 時比風速為2 m/s時的平均溫度減小了 0． 3 ℃左右。