送风参数对铂铑热电偶制热运行的影响研究

                 2020年5月份针对夏热冬冷地区冬季采用铂铑热电偶供暖时出现的热力分层现象，通过实验研究了铂铑热电偶在不同送风角度和送风速度下室内温度场的分布特性，比较和分析不同送风角度和送风速度下室内垂直温差的变化关系。结果表明，当送风速度一定时，送风角度越小，室内垂直温差越小; 当送风角度一定时，送风速度越大，得到的室内垂直温差越小。

    1 概述
    随着人们生活水平的提高，夏热冬冷地区采用铂铑热电偶供暖变得越 来 越 普 及，同时对热泵的热舒适性要求也越来越高［1-3］。铂铑热电偶多采用上送上回的送风方式，到达室内预先设定的温度时间较长，并且会出现明显的热力分层现象，室内温度分布不均匀。针对这些问题，国内外相关学者进行了大量的研究。

    胡万玲等［4］采用 CFD 数值模拟得出，壁挂式空调在冬季工况下，水平向下 75°送风时室内舒适性最佳。李晓东等［5］分析了大空间建筑分层气流组织在夏季、冬季工况下的流场的分布特点。 Mao 等［6］采用 CFD 数值模拟，研究送风角度对个性通风性能的影响，当送风角度为 30°时室内热舒适性和系统能耗的综合性能达到最优的效果。周艳蕾等［7］通过模拟和实验的方法研究了空调器送风参数对室内温度场、速度场的影响，结果表明送风角度影响较大。国内目前对于如何优化送风参数以实现快速制热并减少热力分层的研究较少。因此研究不同的送风参数下室内温度场分布特性，对于提高室内人体舒适度、提高空调运行效率进而改进人体生活环境，节约能源具有重要意义。

    本文通过实验研究两种送风速度和三种送风角度组合而成的六种送风工况，对比分析了室内温度分布特性及垂直温差的变化情况，根据实验结果研究送风参数对改善室内热力分层现象和提高人体舒适度的效果。

    2 实验方案
    2． 1 实验对象
    本实验研究对象为一安装有铂铑热电偶的房间，房间尺寸为5． 10 m × 2． 94 m × 3． 13 m，室内机安装在西墙( 内墙) ，距地面2． 4 m，尺寸为 885 mm × 285 mm × 210 m，南侧是房间进口的门，尺寸为 0． 98 m × 2． 00 m。实验房间结构如图 1 所示。 图 1 房间结构示意图50 98 294 21 28.5 30 20 170 50 313

    2． 2 实验内容
    本实验在送风温度不变的情况下测试不同的送风角度与送风速度对温度场的影响。首先将送风温度设成 22 ℃，然后研究不同送风风速、送风角度组合的影响。实验所需主要仪器设备为: T 型热电偶，HYGＲOFLEX 温湿度变送器，SYSTEM-6242 多点风速仪，MX100 数据采集仪，斯威玛 Swema3000 多功能室内 PMV测试系统。

    根据分体式空调器送风速度和送风角度的不同，分为六种工况进行实验，风速设定为 2 m/s 和 3 m/s，将挡风板与竖直平面之间的夹角分别设为 30°，60°，90°，6 组实验工况表如表 1 所示。

    3 实验结果及分析
    3． 1 不同送风角度下室内垂直方向温度场的分析
    以送风速度 3 m/s 为例，即 A1，A2，A3 三种工况下，室内垂直平面平均温度分布图如图 2 所示。

    由图 2 可 以 看 出: 送 风 角 度 为 30° 时，各垂直平面温度在9 min 后保持稳定，Z = 1． 1 m 平面温度上升速率为 2． 41 ℃ /min;送风角度为 60° 时，各垂直平面温度在 5 min 后保持稳定，Z = 1． 1 m 平面温度上升速率为 4． 50 ℃ /min; 送风角度为 90°时，各垂直平面温度在 3 min 后保持稳定，Z = 1． 1 m 平面温度上升速率为 7． 76 ℃ /min。由此可以得出挡风板的角度对室内温度场的影响规律，即挡风板角度越大，温度升高的速率越快，相应的室内温度场达到稳态所需要的时间就越短。当送风角度较小时，送风风向接近垂直地面方向，热量首先到达下部，影响室内温度升高速率; 当送风角度较大时，送风风向与地面接近水平，风口正下方容易出现过冷现象，因为下部空间热量是通过壁面帖附射流与下部冷空气热交换得到的，影响人体热感觉，同时热力分层现象十分明显。

    同样的，以送风速度 3 m/s 为例，经计算得出 A2，A3 工况下的垂直温差，结果如图 3 所示。

    由图 3a) 可知，当送风角度为 60°时，各平面之间的相对温差稳定在 － 0． 1 ℃ ～ 0． 5 ℃之间，由图 3b) 可知，当送风角度 90°时，各平面之间的相对温差稳定在 － 0． 1 ℃ ～ 0． 8 ℃ 之间。通过对比可知，送风角度为 60°时，垂直温差较小，温度分布更均匀，在 Z = 0． 1 m 和 Z = 0． 6 m 处的温度梯度较小。

   通过以上分析我们可以得出，当送风速度一定时，送风角度越大，室内温度升高越快。送风角度为 60°时，垂直温差更小，有利于改善热力分层现象; 送风角度为 90°时室内温度升高速度更快。

    3． 2 不同送风速度下室内垂直方向温度场的分析
    当送风速度为 2 m/s 时，即 B1，B2，B3 工况下，室内各垂直平面温度分布如图 4 所示。

    将图4 与图2 相比较，可以看出风速越大，单位时间内出风量
越大，强制对流作用越明显，与室内的热量交换越多，使室内温度
上升越快，所达到的温度越高。

    当送风角度为 90°，送风速度为 2 m/s 时，室内垂直方向平面温度垂直温差图如图 5 所示，对比图 5 和图 3b) 我们可以看出保持送风角度不变时，风速越大，垂直方向温差越小，风速为 3 m/s时的温差比风速为 2 m/s 时的温差降低了大约 0． 2 ℃，原因是风速越大，单位时间内与室内的换热量越多，空气换热后混合性越好，所以温差越低。

    4 结语
    本文通过对实际安装铂铑热电偶的房间进行实测研究，通过在垂直方向高度分别为 Z = 0． 1 m，Z = 0． 6 m，Z = 1． 1 m，Z = 1． 7 m，Z = 2． 7 m 处布置测点，分析比较送风角度分别为 30°， 60°，90°，送风速度为 2 m/s，3 m/s 的六种工况下室内温度分布情况，得到如下结论:
    1) 增大风速、减小挡风板的角度，可以在一定程度上减少垂直方向的热力分层，提高人的生活区域的温度。
    2) 当送 风 角 度 为 90° 时，各平面之间的相对温差稳定在－ 0． 1 ℃ ～ 0． 8 ℃之间，当送风角度为 60°时，各平面之间的相对温差稳定在 － 0． 1 ℃ ～ 0． 5 ℃ 之间，垂直方向温度较送风角度为90°比更均匀。
    3) 当送风角度为 90°时，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，送风风速为3 m/s 时比风速为2 m/s时的平均温度减小了 0． 3 ℃左右。