空气源热泵集群式布置的采暖系统中冷岛效应的产生机理及控制措施

文_雷艳杰 陈奎 北京华誉能源技术股份有限公司

由于空气源热泵在我国北方地区采暖中应用时间短，已应用的均为机组数量少，因此，目前对于数量较多的空气源热泵集群式布置鲜有提及，对于机组集群中的冷岛效应也罕有研究。空气源热泵机组布置过于集中，导致换热后的低温空气回流进入处于集群中间位的机组，随着时间的推移，形成冷岛。换热后的低温空气的温度明显低于周边空气温度，使机组蒸发温度降低，制热量减少，COP值降低，对供暖系统的稳定性和经济性不利。

1 空气源热泵在低环境温度下运行的可行性

普通空气源热泵在较高的室外温度下运行时，性能表现良好。例如，在室外温度为7℃，进出水为40/45℃时，制热性能COP可达3.5。但是，随着室外温度的降低，蒸发压力和蒸发温度随之降低，压比增大，压缩机吸气量减少，排气温度升高。工况恶劣时，压缩机会出现过热保护，制热量大幅降低。

喷气增焓技术使空气源热泵有效提高了制热性能，拓宽了工作温度范围，如图1所示。型号为ZW286HSP-TFP的压缩机蒸发温度可到-35℃，冷凝温度可到50℃，可满足北方地区绝大部分区域的供热温度需求。喷气增焓热泵的运行能效明显高于普通热泵能效，节能效果显著。喷气增焓热泵与普通热泵在不同室外温度下制热性能的比较如图2所示。

图1 ZW286HSP-TFP型压缩机运行温度范围（灰色部分为喷气运行区域）

图2 空气源热泵在不同温度下的制热能效比

刘畅等研究了普通热泵与喷气增焓热泵在同等室外温度条件下的制热量，室外温度-20℃时，普通热泵的制热量是标准工况（室外温度7℃）下制热量的47%，而喷气增焓热泵的制热量是标准工况（室外温度7℃）下制热量的69%，制热量提高22%。董旭等研究了在进水温度为35℃，出水温度为45℃，散热末端为地暖盘管，室外气温不低于-15℃的工况下，喷气增焓热泵比普通热泵平均制热量增加了19.6%，制热性能平均提高了5.9%，且喷气增焓热泵在-25℃的环境温度下仍可正常运行，而普通热泵在-15℃以下温度已不能正常运转。因此，喷气增焓空气源热泵在北方地区用于集中供热，在技术上完全具有可行性。

2 冷岛效应产生机理的数值模拟

通常情况下，空气源热泵集群式布置的采暖系统中热泵机组的布置方式如图3和图4所示。该布置方式下各机组四周相距均为1000mm。空气源热泵运行时，以空气为热源，分析空气源热泵集群的冷岛效应产生的机理即分析热泵机组集群内的空气流场与温度场。

图3 集群式空气源热泵机组布置平面图

图4 集群式空气源热泵机组布置剖面图

Fluent软件在数值模拟方面有着出色的表现，目前，其在美国数值仿真领域占有率已高达60%，和流体、热传递、化学反应有关的工业均可使用。本文在数值仿真过程中，主要采用了Fluent软件中的Fan风机模型、湍流模型、Energy能量方程、Source Terms源项等，着重分析了集群式布置的空气源热泵机组运行时机组周边气流的组织形式、流动方向、温度场的变化情况。

为了计算模型的简化及缩短计算时间，选取图3中虚线框内9台机组作为仿真模型和仿真区域。计算区域平面尺寸如图5所示，其中X轴方向长度为13380mm，Y轴方向长度为10000mm。

图5 计算区域平面图

计算初始条件为：风机出口平均风速为10～11m/s，风压80Pa，风机口径为800mm；通过虚边界补进来的未经换热的空气温度为280K(7℃)；仿真过程中Operating Temperature设置为280K(7℃)，Operating Pressure设置为101325Pa，重力加速度为沿Z轴负方向-9.8m/s2。

单台空气源热泵机组性能参数如表1所示。

表1 空气源热泵机组参数表

2.1 压力场模拟分析

图6为图5中A-A虚线剖面处风机的静压分布图。如图6所示，空气源热泵机组运行时，由于风机的抽吸作用，风机进口周围形成一个半椭球形负压区，风机在半椭球形压力等值梯度内的抽吸作用相同。

图6 风机中心线剖面处的静压分布图

由图7可见，风机运行时，所有空气源热泵机组均处于一个静压值为-10Pa的负压区内。

图7 风机入口处XY平面上静压分布图

2.2 气流组织模拟分析

大气压力迫使空气流向图7中的负压区，然后进入图6中风机下方的椭球形负压区，进而进入空气源热泵进行换热。空气在垂直方向的流动组织形式如图8所示，图8为图5中A-A虚线处的剖面图。由图6和图9可知，由于风机的推动和抽吸作用，换热后的冷空气在向上运动的过程中，一部分在上升至4.2m左右时开始向下回流。回流过程中，在A列的左侧和C列的右侧分别形成一个大涡区。如图9所示，在涡区作用范围内，回流的冷空气外侧部分与未经换热的空气进行混合，混合后进入机组继续换热；内侧部分空气被从风机喷出的气流裹挟向上流动，形成一个内部小型涡区反复循环。

图8 空气在垂直方向的流动组织形式

图9 A列左侧气流的组织形式

如图10所示，在B、C列之间，回流的冷空气在向下运动的过程中，一部分进入风机继续换热，一部分被从风机喷出的气流裹挟向上流动。由于B、C列两台机组风机的抽吸能力是相同的，使得B、C列之间形成对称分布的气流组织。冷空气在向下回流过程中，形成了两侧对称的两个小型涡区。

图10 B、C列之间的气流组织形式

在大气压力作用下，空气从四周流向图7所示的负压区。空气进入负压区后的分配形式如图11所示。从气流矢量图形可见，空气从纵轴方向较从横轴方向更易流向红色圆点处，也即风机的抽吸能力与距离成反比。另外，气流矢量图形表征了处于中间位置的机组在风机入口处下方的平面上，空气主要来源于纵轴方向A、B、C三列之间的空隙。根据风机在半椭球形压力等值梯度内的抽吸能力相同的结论，在远离风机的横轴平面上，风机吸收空气较为困难，转而吸收距离风机比较近的垂直方向的空气，即出现了图10所示的冷空气在垂直方向回流的现象。

图11 风机入口处XY平面上气流组织图

2.3 温度场模拟分析

根据2.2得出的结论，风机在横轴方向吸取空气能力较弱，在纵轴方向吸取空气能力较强，在与纵轴等距的垂直方向上风机吸取空气的能力相当，空气在垂直方向回流，导致换热后的冷空气再次进入机组换热，如此往复。如图12和图13所示，随着机组运行时间的推移，处于中间位的机组周边温度从277K降至了274K，整个温度场的温度梯度不断细化并向四周外围扩展，中心温度不断降低，进而在集群的中部位置形成冷岛，冷岛产生的一系列影响称为冷岛效应。

图12 机组运行5S时温度场分布图

图13 机组运行130S时温度分布图

如图14所示，以山西某项目为例，机组稳定运行后，2021年1月13日实时测试环境温度为265K，距机组集群1000mm的测点1的温度为262K，机组之间的测点2的温度为260K，机组集群中间的测点3的温度为258K，测点3相较于环境温度低了7K。

图14 山西某项目机组布置平面图

该机组采用的是型号为ZW286HSP-TFP的压缩机，该型号压缩机在258K的环境温度下，冷凝温度为60℃条件下，制热量为33676W，输入功率14781W；在262K的环境温度下，冷凝温度为60℃条件下，制热量为37328W，输入功率14983W；在265K的环境温度下，冷凝温度为60℃条件下，制热量为39949W，输入功率14971W；与265K环境温度下机组性能相比，冷岛效应产生后，测点1处机组制热量减少了6.5%，测点3处制热量减少了15.7%。

根据上述分析可知，处于冷岛中的机组运行工况及制热性能均劣于集群边界处的机组。

3 冷岛效应的控制措施

为了消除图10中冷空气回流的现象，削弱冷岛效应的强度，如图15、图16所示，将A、B、E、F列的机组适当架空，架空后每列相邻机组底部之间的平台采用镂空形式，使空气不仅能从机组侧面流入机组，还可以使空气从机组两侧平台镂空处流向机组，增加了空气的流通通道。C、D列的机组所需空气来源于架空的A、B、E、F列的机组底部空间所形成的进风通道，如图17所示。C、D列的机组也适当架空，使机组运行时底部不至被冷凝水或者化霜水结冰淹没，防止冷凝水或化霜水冻结时膨胀挤坏机组管路部件，同时也使从A、B、E、F列底部流过来的空气从C、D列的机组底部流入机组。C、D列的机组与机组顶部之间的空隙以及C、D列的机组与B、E列的机组顶部之间空隙均采用遮流板封闭，防止换热后的空气回流进入机组。

图15 添加遮流板及架空后的机组布置平面图

图16 添加遮流板及架空后的机组布置剖面图（图15 B-B虚线处剖面）

图17 添加遮流板及架空后的进风形式

添加遮流板及机组架空后，未经换热和混合后的空气从四周经进风通道流向各个机组，保证了每台机组都能获得同样温度的空气。空气流入机组换热后被整体向上推动，换热后的冷空气在上升的过程中与大气充分混合，混合后一部分空气经A、F两列回流进入机组。

添加遮流板及机组架空后，不仅解决了图10中的回流问题，使空气在机组周围形成的微循环变成了大尺度、大空间的循环，可有效削弱冷岛效应对机组运行的影响。

4 结语

在对空气源热泵集群式布置进行数值模拟分析后，提出了一种削弱冷岛效应的新型布置形式，这种布置形式可以使中间位的机组抽吸到从集群边界进来的空气，进而使中间位的机组能效提高9.2%。需要指出的是，文章的结论是在室外空气不流动的情况下分析得出的，此种情况为空气源热泵系统最恶劣工况，而保证机组在最恶劣工况下正常运转，是空气源热泵供热系统设计的关键。