空氣源熱泵集群式布置的采暖系統(tǒng)中冷島效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及控制措施

文_雷艷杰 陳奎 北京華譽(yù)能源技術(shù)股份有限公司

由于空氣源熱泵在我國(guó)北方地區(qū)采暖中應(yīng)用時(shí)間短，已應(yīng)用的均為機(jī)組數(shù)量少，因此，目前對(duì)于數(shù)量較多的空氣源熱泵集群式布置鮮有提及，對(duì)于機(jī)組集群中的冷島效應(yīng)也罕有研究。空氣源熱泵機(jī)組布置過(guò)于集中，導(dǎo)致?lián)Q熱后的低溫空氣回流進(jìn)入處于集群中間位的機(jī)組，隨著時(shí)間的推移，形成冷島。換熱后的低溫空氣的溫度明顯低于周邊空氣溫度，使機(jī)組蒸發(fā)溫度降低，制熱量減少，COP值降低，對(duì)供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性不利。

1 空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下運(yùn)行的可行性

普通空氣源熱泵在較高的室外溫度下運(yùn)行時(shí)，性能表現(xiàn)良好。例如，在室外溫度為7℃，進(jìn)出水為40/45℃時(shí)，制熱性能COP可達(dá)3.5。但是，隨著室外溫度的降低，蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度隨之降低，壓比增大，壓縮機(jī)吸氣量減少，排氣溫度升高。工況惡劣時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)，制熱量大幅降低。

噴氣增焓技術(shù)使空氣源熱泵有效提高了制熱性能，拓寬了工作溫度范圍，如圖1所示。型號(hào)為ZW286HSP-TFP的壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度可到-35℃，冷凝溫度可到50℃，可滿足北方地區(qū)絕大部分區(qū)域的供熱溫度需求。噴氣增焓熱泵的運(yùn)行能效明顯高于普通熱泵能效，節(jié)能效果顯著。噴氣增焓熱泵與普通熱泵在不同室外溫度下制熱性能的比較如圖2所示。

圖1 ZW286HSP-TFP型壓縮機(jī)運(yùn)行溫度范圍（灰色部分為噴氣運(yùn)行區(qū)域）

圖2 空氣源熱泵在不同溫度下的制熱能效比

劉暢等研究了普通熱泵與噴氣增焓熱泵在同等室外溫度條件下的制熱量，室外溫度-20℃時(shí)，普通熱泵的制熱量是標(biāo)準(zhǔn)工況（室外溫度7℃）下制熱量的47%，而噴氣增焓熱泵的制熱量是標(biāo)準(zhǔn)工況（室外溫度7℃）下制熱量的69%，制熱量提高22%。董旭等研究了在進(jìn)水溫度為35℃，出水溫度為45℃，散熱末端為地暖盤(pán)管，室外氣溫不低于-15℃的工況下，噴氣增焓熱泵比普通熱泵平均制熱量增加了19.6%，制熱性能平均提高了5.9%，且噴氣增焓熱泵在-25℃的環(huán)境溫度下仍可正常運(yùn)行，而普通熱泵在-15℃以下溫度已不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，噴氣增焓空氣源熱泵在北方地區(qū)用于集中供熱，在技術(shù)上完全具有可行性。

2 冷島效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的數(shù)值模擬

通常情況下，空氣源熱泵集群式布置的采暖系統(tǒng)中熱泵機(jī)組的布置方式如圖3和圖4所示。該布置方式下各機(jī)組四周相距均為1000mm?？諝庠礋岜眠\(yùn)行時(shí)，以空氣為熱源，分析空氣源熱泵集群的冷島效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理即分析熱泵機(jī)組集群內(nèi)的空氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)。

圖3 集群式空氣源熱泵機(jī)組布置平面圖

圖4 集群式空氣源熱泵機(jī)組布置剖面圖

Fluent軟件在數(shù)值模擬方面有著出色的表現(xiàn)，目前，其在美國(guó)數(shù)值仿真領(lǐng)域占有率已高達(dá)60%，和流體、熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的工業(yè)均可使用。本文在數(shù)值仿真過(guò)程中，主要采用了Fluent軟件中的Fan風(fēng)機(jī)模型、湍流模型、Energy能量方程、Source Terms源項(xiàng)等，著重分析了集群式布置的空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)機(jī)組周邊氣流的組織形式、流動(dòng)方向、溫度場(chǎng)的變化情況。

為了計(jì)算模型的簡(jiǎn)化及縮短計(jì)算時(shí)間，選取圖3中虛線框內(nèi)9臺(tái)機(jī)組作為仿真模型和仿真區(qū)域。計(jì)算區(qū)域平面尺寸如圖5所示，其中X軸方向長(zhǎng)度為13380mm，Y軸方向長(zhǎng)度為10000mm。

圖5 計(jì)算區(qū)域平面圖

計(jì)算初始條件為：風(fēng)機(jī)出口平均風(fēng)速為10～11m/s，風(fēng)壓80Pa，風(fēng)機(jī)口徑為800mm；通過(guò)虛邊界補(bǔ)進(jìn)來(lái)的未經(jīng)換熱的空氣溫度為280K(7℃)；仿真過(guò)程中Operating Temperature設(shè)置為280K(7℃)，Operating Pressure設(shè)置為101325Pa，重力加速度為沿Z軸負(fù)方向-9.8m/s2。

單臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組性能參數(shù)如表1所示。

表1 空氣源熱泵機(jī)組參數(shù)表

2.1 壓力場(chǎng)模擬分析

圖6為圖5中A-A虛線剖面處風(fēng)機(jī)的靜壓分布圖。如圖6所示，空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用，風(fēng)機(jī)進(jìn)口周?chē)纬梢粋€(gè)半橢球形負(fù)壓區(qū)，風(fēng)機(jī)在半橢球形壓力等值梯度內(nèi)的抽吸作用相同。

圖6 風(fēng)機(jī)中心線剖面處的靜壓分布圖

由圖7可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有空氣源熱泵機(jī)組均處于一個(gè)靜壓值為-10Pa的負(fù)壓區(qū)內(nèi)。

圖7 風(fēng)機(jī)入口處XY平面上靜壓分布圖

2.2 氣流組織模擬分析

大氣壓力迫使空氣流向圖7中的負(fù)壓區(qū)，然后進(jìn)入圖6中風(fēng)機(jī)下方的橢球形負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而進(jìn)入空氣源熱泵進(jìn)行換熱?？諝庠诖怪狈较虻牧鲃?dòng)組織形式如圖8所示，圖8為圖5中A-A虛線處的剖面圖。由圖6和圖9可知，由于風(fēng)機(jī)的推動(dòng)和抽吸作用，換熱后的冷空氣在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一部分在上升至4.2m左右時(shí)開(kāi)始向下回流?；亓鬟^(guò)程中，在A列的左側(cè)和C列的右側(cè)分別形成一個(gè)大渦區(qū)。如圖9所示，在渦區(qū)作用范圍內(nèi)，回流的冷空氣外側(cè)部分與未經(jīng)換熱的空氣進(jìn)行混合，混合后進(jìn)入機(jī)組繼續(xù)換熱；內(nèi)側(cè)部分空氣被從風(fēng)機(jī)噴出的氣流裹挾向上流動(dòng)，形成一個(gè)內(nèi)部小型渦區(qū)反復(fù)循環(huán)。

圖8 空氣在垂直方向的流動(dòng)組織形式

圖9 A列左側(cè)氣流的組織形式

如圖10所示，在B、C列之間，回流的冷空氣在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一部分進(jìn)入風(fēng)機(jī)繼續(xù)換熱，一部分被從風(fēng)機(jī)噴出的氣流裹挾向上流動(dòng)。由于B、C列兩臺(tái)機(jī)組風(fēng)機(jī)的抽吸能力是相同的，使得B、C列之間形成對(duì)稱分布的氣流組織。冷空氣在向下回流過(guò)程中，形成了兩側(cè)對(duì)稱的兩個(gè)小型渦區(qū)。

圖10 B、C列之間的氣流組織形式

在大氣壓力作用下，空氣從四周流向圖7所示的負(fù)壓區(qū)?？諝膺M(jìn)入負(fù)壓區(qū)后的分配形式如圖11所示。從氣流矢量圖形可見(jiàn)，空氣從縱軸方向較從橫軸方向更易流向紅色圓點(diǎn)處，也即風(fēng)機(jī)的抽吸能力與距離成反比。另外，氣流矢量圖形表征了處于中間位置的機(jī)組在風(fēng)機(jī)入口處下方的平面上，空氣主要來(lái)源于縱軸方向A、B、C三列之間的空隙。根據(jù)風(fēng)機(jī)在半橢球形壓力等值梯度內(nèi)的抽吸能力相同的結(jié)論，在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的橫軸平面上，風(fēng)機(jī)吸收空氣較為困難，轉(zhuǎn)而吸收距離風(fēng)機(jī)比較近的垂直方向的空氣，即出現(xiàn)了圖10所示的冷空氣在垂直方向回流的現(xiàn)象。

圖11 風(fēng)機(jī)入口處XY平面上氣流組織圖

2.3 溫度場(chǎng)模擬分析

根據(jù)2.2得出的結(jié)論，風(fēng)機(jī)在橫軸方向吸取空氣能力較弱，在縱軸方向吸取空氣能力較強(qiáng)，在與縱軸等距的垂直方向上風(fēng)機(jī)吸取空氣的能力相當(dāng)，空氣在垂直方向回流，導(dǎo)致?lián)Q熱后的冷空氣再次進(jìn)入機(jī)組換熱，如此往復(fù)。如圖12和圖13所示，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的推移，處于中間位的機(jī)組周邊溫度從277K降至了274K，整個(gè)溫度場(chǎng)的溫度梯度不斷細(xì)化并向四周外圍擴(kuò)展，中心溫度不斷降低，進(jìn)而在集群的中部位置形成冷島，冷島產(chǎn)生的一系列影響稱為冷島效應(yīng)。

圖12 機(jī)組運(yùn)行5S時(shí)溫度場(chǎng)分布圖

圖13 機(jī)組運(yùn)行130S時(shí)溫度分布圖

如圖14所示，以山西某項(xiàng)目為例，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，2021年1月13日實(shí)時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度為265K，距機(jī)組集群1000mm的測(cè)點(diǎn)1的溫度為262K，機(jī)組之間的測(cè)點(diǎn)2的溫度為260K，機(jī)組集群中間的測(cè)點(diǎn)3的溫度為258K，測(cè)點(diǎn)3相較于環(huán)境溫度低了7K。

圖14 山西某項(xiàng)目機(jī)組布置平面圖

該機(jī)組采用的是型號(hào)為ZW286HSP-TFP的壓縮機(jī)，該型號(hào)壓縮機(jī)在258K的環(huán)境溫度下，冷凝溫度為60℃條件下，制熱量為33676W，輸入功率14781W；在262K的環(huán)境溫度下，冷凝溫度為60℃條件下，制熱量為37328W，輸入功率14983W；在265K的環(huán)境溫度下，冷凝溫度為60℃條件下，制熱量為39949W，輸入功率14971W；與265K環(huán)境溫度下機(jī)組性能相比，冷島效應(yīng)產(chǎn)生后，測(cè)點(diǎn)1處機(jī)組制熱量減少了6.5%，測(cè)點(diǎn)3處制熱量減少了15.7%。

根據(jù)上述分析可知，處于冷島中的機(jī)組運(yùn)行工況及制熱性能均劣于集群邊界處的機(jī)組。

3 冷島效應(yīng)的控制措施

為了消除圖10中冷空氣回流的現(xiàn)象，削弱冷島效應(yīng)的強(qiáng)度，如圖15、圖16所示，將A、B、E、F列的機(jī)組適當(dāng)架空，架空后每列相鄰機(jī)組底部之間的平臺(tái)采用鏤空形式，使空氣不僅能從機(jī)組側(cè)面流入機(jī)組，還可以使空氣從機(jī)組兩側(cè)平臺(tái)鏤空處流向機(jī)組，增加了空氣的流通通道。C、D列的機(jī)組所需空氣來(lái)源于架空的A、B、E、F列的機(jī)組底部空間所形成的進(jìn)風(fēng)通道，如圖17所示。C、D列的機(jī)組也適當(dāng)架空，使機(jī)組運(yùn)行時(shí)底部不至被冷凝水或者化霜水結(jié)冰淹沒(méi)，防止冷凝水或化霜水凍結(jié)時(shí)膨脹擠壞機(jī)組管路部件，同時(shí)也使從A、B、E、F列底部流過(guò)來(lái)的空氣從C、D列的機(jī)組底部流入機(jī)組。C、D列的機(jī)組與機(jī)組頂部之間的空隙以及C、D列的機(jī)組與B、E列的機(jī)組頂部之間空隙均采用遮流板封閉，防止換熱后的空氣回流進(jìn)入機(jī)組。

圖15 添加遮流板及架空后的機(jī)組布置平面圖

圖16 添加遮流板及架空后的機(jī)組布置剖面圖（圖15 B-B虛線處剖面）

圖17 添加遮流板及架空后的進(jìn)風(fēng)形式

添加遮流板及機(jī)組架空后，未經(jīng)換熱和混合后的空氣從四周經(jīng)進(jìn)風(fēng)通道流向各個(gè)機(jī)組，保證了每臺(tái)機(jī)組都能獲得同樣溫度的空氣?？諝饬魅霗C(jī)組換熱后被整體向上推動(dòng)，換熱后的冷空氣在上升的過(guò)程中與大氣充分混合，混合后一部分空氣經(jīng)A、F兩列回流進(jìn)入機(jī)組。

添加遮流板及機(jī)組架空后，不僅解決了圖10中的回流問(wèn)題，使空氣在機(jī)組周?chē)纬傻奈⒀h(huán)變成了大尺度、大空間的循環(huán)，可有效削弱冷島效應(yīng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)空氣源熱泵集群式布置進(jìn)行數(shù)值模擬分析后，提出了一種削弱冷島效應(yīng)的新型布置形式，這種布置形式可以使中間位的機(jī)組抽吸到從集群邊界進(jìn)來(lái)的空氣，進(jìn)而使中間位的機(jī)組能效提高9.2%。需要指出的是，文章的結(jié)論是在室外空氣不流動(dòng)的情況下分析得出的，此種情況為空氣源熱泵系統(tǒng)最?lèi)毫庸r，而保證機(jī)組在最?lèi)毫庸r下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是空氣源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。