分布式送风气流组织节能特性研究

林金煌，陈姣，何振健

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

随着生活水平的不断提升，人们对室内环境舒适性的要求逐渐提高，这使得空调系统的普及度大幅增长。同时，空调用电量占总用电量的比例也在不断上升，能源消耗随之呈日益增长的趋势。因此，人们在注重室内环境热舒适的同时，也开始日渐关注空调系统的节能技术。

现有空调系统主要通过高效部件、变频技术、节能控制策略等方式达到节能的目的。张华等[1]、尚磊等[2]和叶翠安[3]通过改进压缩机技术，如双级压缩技术、变容技术、变频技术等来提高系统性能系数，使系统更加高效、节能且舒适。宋吉等[4]和施骏业等[5]通过对比不同翅片换热器的性能，研究分析提升翅片的换热系数的方法，以达到提高房间空调器效率的目的。

金听祥等[6]基于冷凝水回收用于冷却冷凝器可降低空调冷凝温度的理论，设计了超声波雾化冷凝水装置，将其用于家用空调系统中进行节能效果，实验研究超声波雾化器雾化冷凝水冷却冷凝器后，冷凝器的换热效率得到了很大的提升。黄晓清等[7]提出了4种可以在不增加生产制造成本的情况下提高空调机组室内机蒸发器的换热效率，为设计开发节能型空调机组提供新的思路，即有效利用空调机组换热器迎风面和背风面的换热特性、工质在换热器中的重力影响、工质在换热过程中两相的换热特点、改善分流器结构设计等。

随着物联技术和计算机技术的快速发展，控制算法成为提升空调系统节能和舒适性一种较有效的手段。宋丽芳[8]、王琳等[9]、HENDERSON等[10]、YANG等[11]和王雁[12]通过建立了基于热舒适的空调节能设计模型，提出空调器的控制策略，以达到对房间温度稳定、舒适的调控，从而提高现有空调设备的运行效率，节约能源，协调解决热舒适与节能之间的矛盾。

另有学者通过仿真等方式，分析不同送风方式下室内气流的有效性、舒适性及节能特性。GAN等[13]通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟研究发现在供热和制冷两种情况下最有效的空气分布方式是不同的。张继刚[14]对壁挂式空调房间内流场特性、温度场特性和热舒适性进行了较为系统的研究。探讨了家用壁挂机的导风板旋转角度和送风速度对室内舒适性及节能的影响。戚大海等[15]对风机盘管提出一种新的送风方式，通过比较、分析不同工况下的气流组织分布，发现送风角度对节能特性的影响显著。

综上可知，在家用空调行业，针对气流组织或者送风方式对家用空调的节能特性的研究还很少。而房间内的气流组织通过温度场和速度场影响人体热舒适的同时，影响气流的分布及利用效率。对于传统家用空调，送风形式单一，无法同时保证气流组织的热舒适和经济性。

本文从热舒适与能耗两个方面出发，提出分布式送风形式，并将分布式送风与常规送风气流组织进行对比分析，研究分布式送风的节能特性。

1 气流组织节能评价方法

1.1 空气分布特性指标

良好的室内热舒适是节能的重要前提条件，而送风气流组织影响着房间的热舒适。有效合理的气流组织是节能的必要条件，可作为评价系统节能的指标之一。

而室内气流组织的性能可用空气分布特性指标（Air Diffusion Performance Index，ADPI）来进行评价，其定义为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比[16-17]。定义式如下所示：其中ΔET为有效温度差，其表达式为：

式中：

ti——人体活动区域某点温度，℃；

tn——室内平均温度，℃；

ui——为人体活动区域某点的空气流速，m/s。

ADPI的值越大，说明感到舒适的人群比例越大。一般情况下ADPI值≥80%，则认为房间气流组织较为合理。但ADPI的定义式中“总测点数”包括房间内的所有测点，即人体常活动区域和人体非常活动区域（靠近天花板位置）。由于热空气上浮，人体非常活动区域的空气温度高，且风速小，导致大部分满足要求的测点很可能位于人体非常活动区域，即空气温度和速度较优的区域在靠近上部空间——远离人体常活动区域，故用房间所有测点数作为计算基准存在偏差，不能准确衡量房间有效制热/冷区域内的气流组织特性。可对ADPI的定义式进行修正，将房间内人体活动区域（本文取1.6 m高度）内的测点数作为总测点数。同时对有效温度差ΔET进行修正，即将人体活动区域的平均温度作为给定的室内平均温度tn。

1.2能量利用系数

能量利用系数表征气流分布的能量利用有效性[16]。对家用热泵空调，其回风口本身就在人体活动区域范围内，检测回风口温度实则为人体活动区域的温度。陈志刚等[18]、LIU等[19]和GAN[13]采用非人体活动区域的平均空气温度代替能量利用系数计算式中的排风温度，将能量利用系数进行了修正。而家用热泵空调在实际运行中，因出风口位置及尺寸不一，其出风温度分布也不一样，即沿风口方向送风温度的不一致性。如对于长条形风口，送风温度沿垂直方向存在较大的偏差，而对于方形风口，出风温度的差值不大。故综合考虑家用热泵空调的出风口及回风口的特性，对能量利用系数进行修正。修正后的定义式为：

式中：

tf——非人体活动区域的平均空气温度，℃；且定义1.6 m高度及以上区域为非人体活动区域；

tg——人体活动区域的平均空气温度，℃；且定义1.6 m高度及以下区域为人体活动区域；

t01, t02, …,t0n——家用热泵空调上的送风口处不同位置的出风温度，℃；

n——送风温度的布点个数。

制热工况下，非人体活动区域的平均空气温度一般要小于送风温度，人体活动区域的平均空气温度也会小于送风温度。因家用热泵空调的送风口更接近地面，对于整个房间来说，相当于下部送风或者中部送风，送风口送出的热空气会上浮，漂浮至风口上部区域，非人体活动区域的平均空气温度将大于人体活动区域的平均温度，能量利用系数也将小于1。而非人体活动区域的平均空气温度与人体活动区域内的平均空气温度越接近，此时的能量利用系数越接近于1，说明室内空气混合的越均匀，温度均匀性越好，能量利用的效率更高。

1.3 耗电量

耗电量指空调器在一定运行时间内所消耗的电量，是用户能感受到的较直观的能耗指标。耗电量越低，节能效果越佳。

2 试验模型与方法

2.1 试验模型

2.1.1 物理模型

为了论证分布式送风气流组织的有效性，对不同风口末端所产生的房间气流组织进行对比分析，不同送风末端热泵模型见图1。图1中模型A和B为两类较为典型的送风末端。房间模型及监测点布置如图2所示，房间的物理尺寸为：（长×宽×高）=（9.00 m×5.24 m×2.8 m）。房间一侧宽度方向有一个玻璃窗，其面积为3.2 m2。送风末端作为房间空调器，落地式安装，且安装在房间的角落，右侧邻窗。在整个房间内设置225个监测点，监测房间的温度、风速等参数。测点的布置规则为：沿高度方向每隔0.5 m布置一组测点，共计5排；沿宽度方向每隔0.85 m布置一组测点，共计5排；沿长度方向每隔0.9 m布置一组测点，共计9排，如图2所示。应用FLoEFD仿真软件对不同送风形式进行仿真，其数学模型见下一节。

在仿真模拟的基础上，对不同送风形式空调器进行试验实测对比。测试空调器的尺寸、房间尺寸均与仿真模型一致。不同送风末端的初始环境温度及设定参数均一致，运行时间均为3 h。试验样机均为1级能效，仅送风方式不一样。

图1 不同送风末端

图2 房间模型及监测点布置示意图

2.1.2 数学模型

空调房间内的气流基本上都是湍流运动，可采用湍流模型对空调房间气流组织进行数值模拟。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。其控制方程如下所示[20-21]。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

其中，ui分别表示ux、uy、uz；xi表示所选坐标。

能量守恒方程：

2.2 试验方法

模拟制热工况，室内环境初始温度为0 ℃，室外环境的初始温度为-5 ℃，墙面初始温度为7 ℃，假定出风温度沿风口位置无变化，即出风温度分布均匀，且给定出风温度为40 ℃。对于分布式送风空调器，上风口斜向下出风，出风速度矢量与水平面夹角为40°，下风口水平均匀出风。对于上部及正面送风热泵，斜向下出风，出风速度矢量与水平夹角均为40°。对于不同出风方式的风口末端模型，总风量均取1,200 m³/h。以上所取参数除出风温度为均匀分布外，均与试验测试一致。

3 试验结果分析

3.1 空气分布特性

对于不同送风方式的ADPI仿真值如表1所示。从表中可知，上部送风与正面送风的ADPI值均小于分布式送风，其值分别为78%和76%，均未达到一般合理气流组织的要求值。分布式送风的ADPI值为82%，高于80%，可认为房间气流组织较为合理，可达到大多数人员对室内热环境的舒适要求。

表1 不同送风气流组织的空气分布特性指标

3.2 能量利用率

将3种不同送风方式的空调器进行实验及仿真分析，利用式(3)可得其能量利用系数。图3为不同出风方式房间内能量利用系数对比图。

从图3可知，仿真值与实验值存在一定的偏差。分布式送风的能量利用系数的仿真值和实测值分别为0.94和0.93，均要大于正面送风和上部送风气流组织的能量利用系数。以实测值为例，正面送风及上部送风的能量利用系数分别为0.76和0.86；相比正面及上部送风，分布式送风的能量利用系数要优8%～22%。

家用空调器的出风属于自然射流，空气在重力和浮力的作用下会发生向上或者向下的弯曲运动。当空气的浮力大于重力时，空气射流将向上弯曲，热空气将向房间上部漂浮。图4为不同送风气流组织在不同高度处的温度实测平均值，从图中可以看出在不同高度处，空气温度的分层情况。在截面高度≤1.1 m时，正面出风及上部出风方式的平均空气温度变化率较大，0.1 m截面高度与1.1 m截面高度的最大温差值可达10.7 ℃。可见对于上部及正面送风方式，热空气上浮现象严重。而分布式送风的热风可直接从最底部开始输送，且上部区域送风可抑制下部风量的上浮特性。从测试结果可知，分布式送风各截面高度的平均空气温度趋于均匀，与设定温度20 ℃的偏差值在-1.5 ℃～0.7 ℃内，且0.1 m截面高度的平均空气温度高于18 ℃，可以达到脚部温暖。房间上部空气也不存在严重的过热现象，将热量大部分控制在人体所需的区域。从而可以解释为何分布式送风的能量利用率要高于正面及上部送风气流组织。

图3 制热工况，不同出风方式的能量利用系数

图4 不同送风气流组织在不同高度处的温度分布

分布式送风能够向房间上下部同时输送热风，使室内空气温度分布均匀，非人体活动区域平均温度与人体活动区域平均温度的偏差值较小。而上部送风及正面送风形式的热泵空调因存在较为严重的温度分层现象，非人体活动区域的空气平均温度与人体活动区域的平均温度偏差值较大，从而其能量利用系数降低。

3.3 耗电量

仿真中无法直接对能耗进行类比分析，故取实验实测耗电量及功率进行对比分析。取如图1不同送风末端的热泵系统进行对比测试。表2为不同送风形式的热泵空调运行相同时间后的耗电量。图5为0～3 h运行期间的功率曲线。从图中可知，分布式送风落地式空调器由于能将热量压制在房间下部区域，系统更易达到设定温度而运行至较低频率，并能够保持低频率运行，从而耗电量降低。相比上部送风及正面送风，分布式送风气流组织的耗电量可降低29%～48%。

表2 不同送风形式的耗电量

图5 功率动行曲线

4 结论

本文通过空气分布特性、能量利用率和耗电量等指标对分布式送风气流组织的节能特性进行了详细的对比分析，得出如下结论。

1）房间气流组织的优劣不仅影响舒适性，而且与节能息息相关。通过改善气流组织，在保证室内环境热舒适的同时，达到节能目的。良好的气流组织形式可平衡舒适与节能两者间的矛盾。从气流组织角度去评估热泵空调的节能效果，仍具有较大的挖掘潜力。

2）分布式送风气流组织的ADPI可达82%，比正面送风及上部送风气流组织提升4%～6%，能够满足大多数人的热舒适需求。

3） 分布式送风的能量利用系数实测值为0.93，优于上部送风及正面送风8%～22%。

4）相较于其他两种送风形式，分布式送风的耗电量可降低29%～48%，其原因在于，分布式送风能够达到用户所需要的热环境，在需求相同有效热量时，能够使系统处于较低频率运行，总的能量输出减小。另一方面分布式送风的能量利用率高，能够将热量更多地输送到人体活动区域，浪费在非人体活动区域的热量较少。

5）在ADPI、能量利用系数及耗电量均较优时，可判定气流组织是舒适且节能的。

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