低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)模擬及換熱性能影響分析

譚慶澎 劉金平，2 許雄文，2 王宇潔 陳勇春

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640；2.廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640）

0 引言

空氣源熱泵作為一種高效、節(jié)能裝置，采用空氣源熱泵代替燃煤鍋爐供暖，能夠減少煤炭消耗和碳排放[1]。數(shù)據(jù)顯示，2022 年1-8 月中國(guó)空氣源熱泵出口額度達(dá)44.5 億元，同比增長(zhǎng)65.75%[2]。但它運(yùn)行時(shí)易受到氣候環(huán)境的影響，在低溫環(huán)境下存在制熱效率過低、制熱量不足以及結(jié)霜的問題，限制了空氣源熱泵的推廣和使用[3]。在冬季工況下，低環(huán)溫空氣源熱泵的室外機(jī)翅片管換熱器用作蒸發(fā)器，空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度降低，再通過風(fēng)機(jī)排出到環(huán)境中。由于排出冷空氣溫度比環(huán)境空氣低，密度比環(huán)境空氣密度大，冷空氣在風(fēng)機(jī)上部堆積，在壓差力和密度差的作用下冷空氣可能會(huì)重新回到蒸發(fā)器入口，形成冷風(fēng)回流，導(dǎo)致蒸發(fā)器入口溫度降低，影響空氣源熱泵傳熱性能，且溫度越低，影響越顯著[4,5]。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)方面取得重大的現(xiàn)實(shí)成果和不同技術(shù)的突破，同時(shí)項(xiàng)目施工的過程中面臨著不同的問題，尤其防水施工工程是目前需要重點(diǎn)解決的問題和日益關(guān)注的熱點(diǎn)問題，防水施工工程的好與壞，對(duì)工程質(zhì)量方面具有重大的意義。因此，我國(guó)需要在防水施工工程方面，主要是在防水混凝土施工技術(shù)方面進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和革新，為我國(guó)的城建工程的發(fā)展提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)，促進(jìn)我國(guó)未來(lái)城建工程的良性發(fā)展和為用戶提供一個(gè)安全穩(wěn)定的居住環(huán)境。

我國(guó)幅員遼闊，涵蓋多個(gè)氣候區(qū)，不同氣候區(qū)特征不同，對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)具有重要意義[6]。按照使用的制熱季氣候環(huán)境，可以分為4 種類型，基于制冷需求的通用名義制冷工況（室外干球溫度=308.15K）和名義制熱工況（室外干/濕球溫度=280.15/279.15K）研發(fā)的空氣源熱泵產(chǎn)品，雖然能滿足制冷需求，但不能滿足不同氣候區(qū)制熱需求。在不同環(huán)境溫度下工作的空氣源熱泵，機(jī)組使用規(guī)模和布置方式也各不相同，對(duì)實(shí)際工程問題和系統(tǒng)要進(jìn)行具體定量分析。低環(huán)境溫度工況使用的熱泵日漸趨多，國(guó)家也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了干球溫度為261.15K，濕球溫度為259.15K[7,8]。但針對(duì)空氣源熱泵外流場(chǎng)的研究主要集中在環(huán)境溫度較高工況下進(jìn)行研究，少有對(duì)低溫工況下空氣源熱泵進(jìn)行模擬研究[9-13]。

自身免疫甲狀腺炎導(dǎo)致的甲減很常見，需要限制碘攝入；甲狀腺全部切除或完全破壞所致甲減，患者需要服用甲狀腺激素（替代治療），此時(shí)攝入碘既沒有生理作用，也沒有風(fēng)險(xiǎn)，食用加碘食鹽或未加碘食鹽對(duì)甲狀腺無(wú)明顯影響。如果是甲狀腺腺葉切除或甲狀腺組織尚有殘留，可以正常碘飲食，包括食用加碘食鹽。

不同布置方式，機(jī)組安裝狀態(tài)對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)也存在影響[14,15]，當(dāng)空氣源熱泵常規(guī)集群式布置時(shí)，由于空氣的反復(fù)循環(huán)，致使中間位置的機(jī)組周邊溫度越來(lái)越低，形成冷島。冷島使機(jī)組提前進(jìn)入低溫工況，制熱性能降低[16,17]。機(jī)組集群對(duì)低溫空氣源熱泵存在影響，影響機(jī)組的回流率。目前少有研究機(jī)組布置對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵的影響，因此研究機(jī)組布置對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)的影響具有重要意義。

由于采用雙U 型翅片管換熱器的空氣源熱泵單位體積換熱面積大，具有較好的性價(jià)比，目前市面上采用雙U 型翅片管換熱器的熱泵較多。然而目前針對(duì)空氣源熱泵外流場(chǎng)的研究主要集中在環(huán)境溫度較高工況下V 型翅片管蒸發(fā)器[18-20]，少有對(duì)低環(huán)境溫度工況下空氣源熱泵進(jìn)行模擬研究。且室外機(jī)換熱量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、環(huán)境風(fēng)和周圍建筑形狀是影響空氣源熱泵冷島效應(yīng)的重要因素。因此本文針對(duì)以261.15K 為名義工況下的空氣源熱泵，對(duì)使用雙U 型翅片管作為蒸發(fā)器的1×1 機(jī)組、3×4 陣列以及4×6 陣列不同機(jī)組布置下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析水平風(fēng)速、機(jī)組布置、墻面阻礙等因素對(duì)機(jī)組平均入口空氣溫度和機(jī)組換熱性能的影響，是對(duì)強(qiáng)化低環(huán)溫空氣源熱泵傳熱具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的工作。

要想防止和解決物流企業(yè)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，就必須做好建立、健全企業(yè)內(nèi)部財(cái)務(wù)控制機(jī)制體系的有效措施。物流企業(yè)財(cái)務(wù)內(nèi)部監(jiān)控工作建立在企業(yè)各項(xiàng)資金預(yù)算的基礎(chǔ)上，并且符合企業(yè)運(yùn)作的整體利益。企業(yè)在充分運(yùn)用實(shí)時(shí)財(cái)務(wù)信息的條件下，應(yīng)該及時(shí)監(jiān)督和控制公司整體經(jīng)營(yíng)目標(biāo)進(jìn)展情況。同時(shí)，企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)資金流量加以監(jiān)控，其目的為確保企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的情況下提升資金使用的效率。

1 物理模型和模擬條件設(shè)置

1.1 物理模型

研究對(duì)象為圖1 所示的風(fēng)冷模塊式低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組。該低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組室外換熱器由兩個(gè)U 型翅片管換熱器組成，對(duì)于冬季工況下，U 型翅片管換熱器作為機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)行換熱?？諝鈴膫?cè)面進(jìn)入U(xiǎn) 型翅片管換熱器后溫度降低，從換熱器頂部風(fēng)機(jī)排出到大氣中，風(fēng)機(jī)排出空氣溫度會(huì)比環(huán)境溫度要低。

圖1 低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組Fig.1 Low ambient temperature air source heat pump unit

1.2 模型假設(shè)

由于U 型翅片管換熱器結(jié)構(gòu)尺寸較大，翅片比較密集而且厚度較小，如果對(duì)所有U 型翅片管進(jìn)行建模劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量劇增，計(jì)算時(shí)間急劇增大，會(huì)給模擬帶來(lái)較大的困難。對(duì)空氣源熱泵外流場(chǎng)模擬主要研究流經(jīng)機(jī)組速度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)，無(wú)需研究翅片管的影響。由此本文忽略翅片管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用radiator 換熱器邊界以及多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬流經(jīng)翅片管換熱器的換熱和壓力損失。因此對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組外空氣流動(dòng)換熱模擬做出以下假設(shè)：

ACL術(shù)前診斷多依靠影像學(xué)檢查,但僅憑影像學(xué)診斷ACL困難。超聲表現(xiàn)為腎上腺區(qū)域邊界清晰的無(wú)回聲包塊[4]。CT表現(xiàn)為薄壁非實(shí)性非結(jié)節(jié)樣組織，無(wú)明顯強(qiáng)化。內(nèi)容物低密度，無(wú)強(qiáng)化，有時(shí)可伴有出血[5]。磁共振顯像較CT更為靈敏，表現(xiàn)為T1低信號(hào)，T2高信號(hào)，復(fù)雜型淋巴管瘤T1T2均為高信號(hào)[3]。ACL術(shù)前仍需與腎上腺皮質(zhì)腺瘤、嗜鉻細(xì)胞瘤、腎上腺單純囊腫相鑒別。GAO等[6]建議其中具有嗜鉻細(xì)胞瘤相關(guān)癥狀或者兒茶酚胺值顯著升高且腫物直徑大于4 cm的患者術(shù)前應(yīng)用藥物準(zhǔn)備。

（b）采用多孔介質(zhì)對(duì)蒸發(fā)器流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算；

（a）整個(gè)流場(chǎng)里面空氣為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)；

（c）采用換熱器（radiator）模型對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)部空氣換熱進(jìn)行簡(jiǎn)化；

3.1 評(píng)估顳淺靜脈 經(jīng)顳淺靜脈置管前應(yīng)充分評(píng)估顳淺靜脈的可見度、充盈度及其走行方向。由于右側(cè)顳淺靜脈距離上腔靜脈近，故選常右側(cè)。將患兒頭偏向左側(cè)，先觸摸血管是否搏動(dòng)，觀察血管外形以防誤入動(dòng)脈，再評(píng)估靜脈充盈度，如顳淺靜脈明顯可直接備皮。顳淺靜脈不明顯可用大拇指在顳枕骨縫處橫向來(lái)回輕摸，觸到一條縱向凹槽，用左手拇指和食指輕按血管遠(yuǎn)近兩端，并緩慢內(nèi)聚數(shù)次，可見兩指間皮膚呈條索狀隆起，再備皮［1］。如右側(cè)顳淺靜脈顯露不清晰，且無(wú)法觸及凹槽時(shí)，再同法選左側(cè)。

（d）空氣密度采用Boussinesq 假設(shè)處理；

（e）忽略蒸發(fā)器周圍其他部件對(duì)外流場(chǎng)的影響；

（f）忽略蒸發(fā)器上結(jié)霜導(dǎo)致溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化。

1.3 網(wǎng)格劃分方法和邊界條件設(shè)置

在相同環(huán)境風(fēng)速下，當(dāng)機(jī)組數(shù)目增大，由于陣列內(nèi)部機(jī)組蒸發(fā)器入口空氣溫度易受到陣列機(jī)組的影響，部分冷空氣被風(fēng)機(jī)再次吸入蒸發(fā)器，導(dǎo)致入口空氣溫度降低，傳熱惡化。

圖11 給出了在機(jī)組數(shù)量為1 臺(tái)、12 臺(tái)、24 臺(tái)時(shí)水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)中有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均換熱量隨水平風(fēng)速的變化曲線。有墻面阻礙與無(wú)墻面阻礙下?lián)Q熱量隨水平風(fēng)速的變化規(guī)律基本一致。

將地面、機(jī)組外殼、建筑墻體以及排風(fēng)罩墻面和百葉簡(jiǎn)化為厚度為0 的絕熱薄壁，采用wall 邊界條件，對(duì)于粘性流動(dòng)，墻面采用無(wú)滑移條件。換熱器外流場(chǎng)出口邊界為pressure outlet 邊界條件，對(duì)出口處的靜壓值設(shè)為0Pa，回流溫度為環(huán)境溫度261.15K。當(dāng)研究外界風(fēng)速風(fēng)向?qū)C(jī)組運(yùn)行的影響時(shí)，將自然風(fēng)來(lái)流面設(shè)定為velocity-inlet 邊界條件，自然風(fēng)溫度也為環(huán)境溫度261.15K。

從小到大我對(duì)我的老師們印象都不是很好，謝師宴我也就是去露個(gè)臉而已。可唯獨(dú)我人生中的第一位班主任馬老師，這個(gè)我現(xiàn)在連容貌都想不起來(lái)的老太太，卻讓我懷念無(wú)比。這或許是因?yàn)樾W(xué)二年級(jí)轉(zhuǎn)學(xué)之后新班主任給我留下的陰影太深。也可能是因?yàn)樾W(xué)轉(zhuǎn)學(xué)前的那段時(shí)光太過沒心沒肺無(wú)憂無(wú)慮，太過接近“童年”這個(gè)詞的本質(zhì)。我想要重拾那段時(shí)光，而我卻缺少一個(gè)能夠用來(lái)喚起我回憶的人。就像是兩個(gè)老朋友聚會(huì)，開心的話題很少是現(xiàn)在無(wú)奈的生活或者未知的未來(lái)，在他們的唇齒舌喉間流過，能讓人開心的東西一直只有兩種——各自的“酒”和共同的“過去”。思來(lái)想去，那個(gè)人數(shù)多到我名字都記不全的班級(jí)里，或許我唯一還能找到的人，只剩下馬老師了。

蒸發(fā)器被簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)去計(jì)算經(jīng)過換熱器的壓降，采用porous zone 邊界條件。對(duì)于U 型翅片管換熱器，采用各向異性方法設(shè)置對(duì)不同方向蒸發(fā)器。本文設(shè)置粘性阻力系數(shù)為1.6×107，慣性阻力系數(shù)為209，多孔介質(zhì)孔隙率為0.6786，通過設(shè)置非主流方向阻力系數(shù)為主流阻力系數(shù)1000 倍，控制通過蒸發(fā)器流動(dòng)的空氣只從主流方向流動(dòng)。采用radiator 邊界模擬經(jīng)過蒸發(fā)器的傳熱過程設(shè)置蒸發(fā)器傳熱系數(shù)與流速之間的關(guān)系以及蒸發(fā)溫度為253.15K。排風(fēng)罩出風(fēng)口處風(fēng)扇模型采用fan 邊界條件，在對(duì)設(shè)定工況進(jìn)行計(jì)算之前先進(jìn)行試算，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線得到風(fēng)機(jī)fan 邊界條件中壓降和流速的關(guān)系式，如式（1）所示。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

對(duì)四行六列24 臺(tái)機(jī)組的陣列低環(huán)溫空氣源熱泵及其外流場(chǎng)進(jìn)行不同網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目分別為148W、291W、520W 和1045W。通過模擬得到低環(huán)溫空氣源熱泵最低入口空氣溫度和8 號(hào)機(jī)組風(fēng)機(jī)流量，如圖2 所示。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)目增加到520W 后再繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)目，蒸發(fā)器最低入口空氣溫度和8 號(hào)風(fēng)機(jī)流量變化率小于1%。此時(shí)選定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為520W 的網(wǎng)格設(shè)置方式對(duì)陣列低環(huán)溫空氣源熱泵及其外流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Three-dimensional view of air source heat pump array without wall obstruction

2 不同數(shù)量布置對(duì)無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵的影響

2.1 無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵物理模型

圖6 給出了在機(jī)組數(shù)量為1 臺(tái)、12 臺(tái)、24 臺(tái)時(shí)水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)中無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均入口空氣溫度隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線。從圖6 可以看出，對(duì)于不同數(shù)量的機(jī)組布置，低環(huán)溫空氣源熱泵平均入口空氣溫度都有較為一致的趨勢(shì)。當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s 增大到5m/s，布置1 臺(tái)機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.17℃～0.92℃；布置12 臺(tái)陣列機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.45℃～1.16℃；布置24 臺(tái)陣列機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.78℃～1.57℃。水平方向環(huán)境風(fēng)速越高，不同數(shù)量布置機(jī)組平均入口空氣溫度越低。相同風(fēng)速下，機(jī)組布置數(shù)目越多且內(nèi)部機(jī)組數(shù)目越多，機(jī)組平均入口空氣溫度越低，溫度場(chǎng)均勻性更差。

圖3 無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵位置圖Fig.3 Location diagram of low ambient temperature air source heat pump without wall obstruction

2.2 水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵影響

由于水平環(huán)境風(fēng)速影響低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)溫度分布，研究水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵影響具有重要意義。通過對(duì)水平風(fēng)速為0、1、2、2.5、3、4 和5m/s 下不同數(shù)量機(jī)組進(jìn)行模擬，得到1 臺(tái)、12 臺(tái)以及24 臺(tái)機(jī)組外流場(chǎng)局部溫度場(chǎng)分布圖，如圖4 所示。整個(gè)熱泵機(jī)組高度為2.1m，現(xiàn)選取高度為1.8m 的截面以及0、2.5 和5m/s 的水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)進(jìn)行分析。從圖4 可以看出，在無(wú)風(fēng)工況下，蒸發(fā)器進(jìn)口空氣溫度較高。水平風(fēng)速越大，蒸發(fā)器平均入口空氣溫度越低，在整個(gè)陣列機(jī)組尾部會(huì)形成尾部渦流，導(dǎo)致蒸發(fā)器平均入口空氣溫度降低，特別在水平風(fēng)速為2.5m/s 時(shí)，陣列機(jī)組背風(fēng)處回流現(xiàn)象更加明顯。水平風(fēng)速越高，蒸發(fā)器入口空氣溫度最低的機(jī)組向背風(fēng)側(cè)移動(dòng)。

圖4 無(wú)墻面阻礙下水平風(fēng)速下y=1.8m 局部平面溫度場(chǎng)分布Fig.4 Local temperature field distribution at y=1.8m plane under ambient field without wall obstruction

由于空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度降低，經(jīng)過風(fēng)機(jī)將冷空氣排出。排出的冷空氣由于密度比環(huán)境空氣大，在機(jī)組上方產(chǎn)生堆積，形成冷島效應(yīng)。相同水平風(fēng)速下，對(duì)于不同數(shù)量的機(jī)組，當(dāng)機(jī)組數(shù)目增大，陣列內(nèi)部機(jī)組入口空氣溫度明顯低于兩側(cè)的機(jī)組。從圖4 可得機(jī)組陣列內(nèi)部蒸發(fā)器入口空氣溫度明顯比兩側(cè)機(jī)組入口空氣溫度要低。由于外側(cè)機(jī)組對(duì)內(nèi)部機(jī)組進(jìn)風(fēng)存在阻礙，而且迎風(fēng)側(cè)機(jī)組吹出的冷風(fēng)容易在背風(fēng)側(cè)堆積，部分風(fēng)機(jī)吹出的冷空氣重新進(jìn)入到蒸發(fā)器，導(dǎo)致入口空氣溫度降低，引發(fā)低環(huán)溫空氣源熱泵換熱量降低、結(jié)霜等一系列問題。在機(jī)組間距不變情況下，機(jī)組數(shù)目越多，冷風(fēng)回流現(xiàn)象更加明顯，蒸發(fā)器入口空氣溫度越低。

圖5 分別為1×1 機(jī)組、3×4 陣列以及4×6 陣列機(jī)組在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)下z方向的溫度云圖，對(duì)于1×1 機(jī)組選取z=-6.5m 的平面，對(duì)于3×4 陣列以及4×6陣列機(jī)組選取第二行z=-8.1m 平面的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。從圖5 可得，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速越大，風(fēng)機(jī)出口氣流偏轉(zhuǎn)角越大，風(fēng)機(jī)出口冷空氣更容易回流到蒸發(fā)器入口處，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)蒸發(fā)器入口空氣溫度降低，機(jī)組換熱量下降。

陸徵祥在圣彼得堡工作期間，結(jié)識(shí)了比利時(shí)天主教女子培德·博婓，并娶她為妻，他稱他們倆人的結(jié)合是心與神的交融。陸徵祥在其夫人去世后辭去了瑞士公使的職務(wù)，于1927年進(jìn)入天主教本篤會(huì)圣安德魯隱修院，易名天士比德。他在成為修士之后，學(xué)習(xí)拉丁文和神學(xué)，之后成為神父、晉升為司鐸并在1945年被羅馬教廷封為圣安德魯修道院榮譽(yù)院長(zhǎng)。1949年病逝，葬于圣安德魯修道院。

圖5 v=5m/s 時(shí)z 方向截面溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of z direction section at v=5m/s

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)冬季工況下低環(huán)溫空氣源熱泵及其外流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)蒸發(fā)器表面以及風(fēng)機(jī)處網(wǎng)格進(jìn)行加密，其他位置采用相同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分。

2.3 不同數(shù)量布置對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵換熱性能影響

本文分別研究1×1 機(jī)組、3×4 陣列以及4×6 陣列不同水平風(fēng)場(chǎng)無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)進(jìn)行模擬，熱泵機(jī)組位置如圖3 所示。整個(gè)陣列最外層機(jī)組的蒸發(fā)器與流場(chǎng)邊界間距為6m，保證最外層空氣源熱泵外流場(chǎng)不受流場(chǎng)邊界的影響。陣列機(jī)組之間橫向間距以及縱向間距均為0.6m。對(duì)于研究的低環(huán)溫空氣源熱泵，定義x方向?yàn)樗椒较?，z方向?yàn)榭v向方向。本章研究不同數(shù)量布置下水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)及換熱性能的影響。

圖6 不同數(shù)量機(jī)組平均入口空氣溫度圖Fig.6 Average inlet air temperature diagram of different number of units

圖7 給出了在機(jī)組數(shù)量為1 臺(tái)、12 臺(tái)、24 臺(tái)時(shí)水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)中無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均換熱量隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線?？傻茫?dāng)機(jī)組數(shù)目只有一臺(tái)的時(shí)候，水平風(fēng)速越高，機(jī)組平均換熱量越大。當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s 增大到5m/s，機(jī)組平均換熱量可達(dá)到原來(lái)機(jī)組的104.2%；當(dāng)機(jī)組數(shù)量為12 臺(tái)和24 臺(tái)時(shí)，機(jī)組平均換熱量會(huì)出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。當(dāng)水平風(fēng)速大于2.5m/s時(shí)，在背風(fēng)處陣列機(jī)組回流現(xiàn)象明顯，背風(fēng)側(cè)蒸發(fā)器入口空氣溫度降低，機(jī)組換熱量有所下降。當(dāng)水平風(fēng)速增大到5m/s 時(shí)，12 臺(tái)和24 臺(tái)陣列機(jī)組平均換熱量為原來(lái)機(jī)組換熱量的98.8%和93.8%。

圖7 不同數(shù)量機(jī)組平均換熱量圖Fig.7 Average heat transfer diagram of different number of units

一般來(lái)說，水平風(fēng)速越大，整個(gè)陣列機(jī)組迎風(fēng)側(cè)換熱量越大，但是在陣列機(jī)組背風(fēng)側(cè)會(huì)形成渦旋，導(dǎo)致入口空氣溫度降低。同時(shí)水平風(fēng)速越大，風(fēng)機(jī)出口氣流偏轉(zhuǎn)角越大，風(fēng)機(jī)出口冷空氣更容易回到背風(fēng)側(cè)換熱器入口，導(dǎo)致入口空氣溫度降低。在上述兩個(gè)原因的作用下，陣列機(jī)組平均換熱量會(huì)有所下降，對(duì)于12 臺(tái)和24 臺(tái)陣列機(jī)組，機(jī)組平均換熱量會(huì)出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。

3 不同數(shù)量布置對(duì)有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵的影響

3.1 有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵物理模型

本文分別研究1×1 機(jī)組、3×4 陣列以及4×6 陣列不同水平風(fēng)場(chǎng)有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)進(jìn)行模擬。整個(gè)陣列最外層機(jī)組的蒸發(fā)器與流場(chǎng)邊界間距為6m，保證最外層空氣源熱泵外流場(chǎng)不受流場(chǎng)邊界的影響。機(jī)組在壁面附近擺放，最后一行機(jī)組蒸發(fā)器與壁面間距為0.6m，如圖8 所示，列機(jī)組之間橫向間距以及縱向間距均為0.6m。對(duì)于研究的低環(huán)溫空氣源熱泵，定義x方向?yàn)樗椒较?，z方向?yàn)榭v向方向。本章研究不同數(shù)量布置下水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)及換熱性能的影響。

圖8 有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵位置圖Fig.8 Location diagram of low ambient temperature air source heat pump with wall obstruction

3.2 水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵影響

由于水平環(huán)境風(fēng)速影響低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)溫度分布，研究水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵影響具有重要意義。通過對(duì)水平風(fēng)速為0、1、2、2.5、3、4 和5m/s 下有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵進(jìn)行模擬，得到1 臺(tái)、12 臺(tái)以及24 臺(tái)機(jī)組的低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)局部平面溫度場(chǎng)分布圖，如圖9 所示。整個(gè)低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組高度為2.1m，現(xiàn)選取高度為1.8m 的截面以及0、2.5 和5m/s的水平風(fēng)速對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)進(jìn)行分析。從圖9 可以看出，在無(wú)風(fēng)工況下，蒸發(fā)器進(jìn)口空氣溫度較高。水平風(fēng)速越大，在整個(gè)陣列機(jī)組尾部會(huì)形成尾部渦流，蒸發(fā)器平均入口空氣溫度越低。水平風(fēng)速越高，蒸發(fā)器入口空氣溫度最低的機(jī)組向背風(fēng)側(cè)移動(dòng)。

圖9 有墻面阻礙下水平風(fēng)速下y=1.8m 局部平面溫度場(chǎng)分布Fig.9 Local temperature field distribution at y=1.8m plane under ambient field with wall obstruction

由于空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度降低，經(jīng)過風(fēng)機(jī)將冷空氣排出。排出的冷空氣由于密度比環(huán)境空氣大，在機(jī)組上方產(chǎn)生堆積，形成冷島效應(yīng)。墻面對(duì)風(fēng)機(jī)排出冷空氣起阻礙作用，冷空氣無(wú)法擴(kuò)散出去，在浮升力、機(jī)組內(nèi)外壓差力以及墻面阻礙作用下，機(jī)組形成強(qiáng)烈冷風(fēng)回流現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸發(fā)器入口空氣溫度越低。

相同水平風(fēng)速下，對(duì)于不同數(shù)量的機(jī)組，當(dāng)機(jī)組數(shù)目增大，陣列內(nèi)部機(jī)組入口空氣溫度明顯低于兩側(cè)的機(jī)組。對(duì)于多臺(tái)機(jī)組如圖9（d）～（i），近墻一側(cè)機(jī)組平均入口空氣溫度明顯低于外部機(jī)組入口空氣溫度，引發(fā)低環(huán)溫空氣源熱泵換熱量降低、結(jié)霜等一系列問題。在機(jī)組距墻間距不變情況下，機(jī)組數(shù)目越多，冷風(fēng)回流現(xiàn)象更加明顯，蒸發(fā)器入口空氣溫度越低。

3.3 不同數(shù)量布置對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵換熱性能影響

圖10 給出了在機(jī)組數(shù)量為1 臺(tái)、12 臺(tái)、24 臺(tái)時(shí)水平方向環(huán)境風(fēng)場(chǎng)中有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均入口空氣溫度隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線。從圖10 可以看出，對(duì)于不同數(shù)量的機(jī)組布置，低環(huán)溫空氣源熱泵平均入口空氣溫度都有較為一致的趨勢(shì)。水平方向環(huán)境風(fēng)速越高，不同數(shù)量布置機(jī)組平均入口空氣溫度越低。當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s增大到5m/s，布置1 臺(tái)機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.04℃～0.92℃；布置12 臺(tái)陣列機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.69℃～1.4℃；布置24 臺(tái)陣列機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為1.29℃～1.98℃。相同風(fēng)速下，機(jī)組布置數(shù)目越多且內(nèi)部機(jī)組數(shù)目越多，機(jī)組平均入口空氣溫度越低。

目前對(duì)VO2薄膜相變特性的研究多是關(guān)注其在紅外波段的透過率變化情況，如田野等[24]利用脈沖激光輻照薄膜測(cè)試其光限幅效應(yīng)；李宏哲[25]、駱永全等[26]分別研究了納秒脈沖激光和連續(xù)激光輻照薄膜的相變特性.也有報(bào)道對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的VO2進(jìn)行了研究，如俞曉靜[27]、孫瑤[28]等研究了VO2納米點(diǎn)陣的紅外光學(xué)特性，而同時(shí)針對(duì)薄膜相變前后的透過率、反射率變化情況與薄膜厚度、入射激光波長(zhǎng)等因素的研究鮮有報(bào)道.

圖10 不同數(shù)量機(jī)組平均入口空氣溫度圖Fig.10 Average inlet air temperature diagram of different number of units

圖1 低環(huán)溫空氣源熱泵單元尺寸為2m×1m×2.1m，制冷量為22kW，名義制熱量為44kW。管內(nèi)流動(dòng)的制冷劑為R410A，U 型單管有效長(zhǎng)度為2.25m。建模時(shí)讓整個(gè)外環(huán)境流場(chǎng)往外延長(zhǎng)，保證經(jīng)過蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)的空氣流場(chǎng)完整，不受外流場(chǎng)邊界的影響，使計(jì)算域尺寸對(duì)結(jié)果的影響可忽略。

圖11 不同數(shù)量機(jī)組平均換熱量圖Fig.11 Average heat transfer diagram of different number of units

從圖11 可得，當(dāng)機(jī)組數(shù)目只有一臺(tái)的時(shí)候，水平風(fēng)速越高，機(jī)組平均換熱量越大。當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s 增大到5m/s，機(jī)組平均換熱量可達(dá)到原來(lái)機(jī)組的104.3%；當(dāng)機(jī)組數(shù)量為12 臺(tái)和24 臺(tái)時(shí)，機(jī)組平均換熱量會(huì)出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。當(dāng)水平風(fēng)速增大到2.5m/s 時(shí)，陣列機(jī)組平均換熱量出現(xiàn)明顯下降，有墻面阻礙下24 臺(tái)陣列機(jī)組平均換熱量?jī)H為原來(lái)機(jī)組換熱量的91.9%。當(dāng)水平風(fēng)速增大到5m/s 時(shí)，12 臺(tái)和24 臺(tái)陣列機(jī)組平均換熱量為原來(lái)機(jī)組換熱量的94.8%和88.5%。

一般來(lái)說，水平風(fēng)速越大，整個(gè)陣列機(jī)組迎風(fēng)側(cè)換熱量越大。但水平風(fēng)速越大，陣列機(jī)組背風(fēng)側(cè)會(huì)形成渦旋，風(fēng)機(jī)出口氣流偏轉(zhuǎn)角越大，墻面阻礙風(fēng)機(jī)出口冷空氣擴(kuò)散，使風(fēng)機(jī)出口冷空氣更容易回到換熱器入口，導(dǎo)致入口空氣溫度降低，陣列機(jī)組平均換熱量會(huì)有所下降，對(duì)于12 臺(tái)和24 臺(tái)陣列機(jī)組，機(jī)組平均換熱量會(huì)出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文主要研究機(jī)組布置和不同水平風(fēng)速對(duì)有無(wú)墻面阻礙情況下低環(huán)溫空氣源熱泵外流場(chǎng)影響，得到以下結(jié)論：

（1）水平風(fēng)速越大，不同機(jī)組數(shù)量布置下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均入口空氣溫度越低。

為自己的漂亮所惑的女人很難有幸福之人。所謂知足常樂，而這類女人是不可能知足的。在她們看來(lái)，丈夫總是配不上她們，衣服總是配不上她們，工作環(huán)境總是配不上她們，居住環(huán)境當(dāng)然也總是配不上她們，身旁的眾人更是配不上她們。所以，她們眉藏煞氣，心浮氣躁，自私自利，惹人生厭。

（2）在相同水平風(fēng)速下，機(jī)組數(shù)目越多，低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組平均入口空氣溫度越低。對(duì)于無(wú)墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組，當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s 增大到5m/s，布置1 臺(tái)機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.17℃～0.92℃；布置12 臺(tái)陣列機(jī)組的溫差為0.45℃～1.16℃；布置24 臺(tái)陣列機(jī)組的溫差為0.78℃～1.57℃。對(duì)于有墻面阻礙下低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組，當(dāng)水平風(fēng)速?gòu)?m/s 增大到5m/s，布置1 臺(tái)機(jī)組的平均入口空氣與環(huán)境空氣溫差為0.04℃～0.92℃；布置12 臺(tái)陣列機(jī)組的溫差為0.69℃～1.4℃；布置24 臺(tái)陣列機(jī)組的溫差為1.29℃～1.98℃。

（3）對(duì)于單臺(tái)熱泵，水平風(fēng)速越大，機(jī)組換熱量越大。

基于ASTM D 638,采用Lloyd Instruments進(jìn)行試驗(yàn)的拉伸試驗(yàn),拉伸式樣的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

水利大發(fā)展，投入是關(guān)鍵。10年來(lái)，各級(jí)財(cái)政部門認(rèn)真貫徹落實(shí)中央決策部署，多渠道籌集資金，千方百計(jì)增加公共財(cái)政對(duì)水利的投入力度，建立健全水利投入穩(wěn)定增長(zhǎng)機(jī)制。

（4）對(duì)于多臺(tái)機(jī)組，水平風(fēng)速越大，機(jī)組平均換熱量出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。特別的當(dāng)水平風(fēng)速大于2.5m/s 后，陣列機(jī)組平均換熱量出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)水平風(fēng)速繼續(xù)增大到5m/s 后，對(duì)于12 臺(tái)和24 臺(tái)機(jī)組無(wú)墻面阻礙下平均換熱量分別為原來(lái)機(jī)組換熱量的98.8%和93.8%；對(duì)于12 臺(tái)和24 臺(tái)機(jī)組有墻面阻礙下陣列平均換熱量分別為原來(lái)?yè)Q熱量的94.8%和88.5%。

（5）有墻面阻礙下的陣列機(jī)組平均換熱量比無(wú)墻面阻礙下的平均換熱量要小，在對(duì)陣列機(jī)組進(jìn)行布置時(shí)應(yīng)增大距墻間距，減小墻面對(duì)風(fēng)機(jī)出口冷空氣擴(kuò)散的阻礙。

（6）在不同環(huán)境溫度下工作的空氣源熱泵，機(jī)組使用規(guī)模和機(jī)組布置方式各不相同，對(duì)于實(shí)際工程問題和系統(tǒng)研究要做具體定量分析。