李越峰，冷少華，李峰，欒軍，邱名友

（四川長虹空調(diào)有限公司，四川　綿陽　621000）

壁掛式空調(diào)的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)房間溫度場的影響分析

李越峰，冷少華*，李峰，欒軍，邱名友

（四川長虹空調(diào)有限公司，四川綿陽621000）

本文以壁掛式空調(diào)的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過更改導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)形式，如外形、擺放位置和角度等方式來優(yōu)化房間內(nèi)的氣流組織分布，從而實(shí)現(xiàn)將熱量更多地集中到用戶需要的空間中，改善熱舒適性。本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法，并結(jié)合實(shí)際測試驗(yàn)證仿真方法的可行性。測試結(jié)果顯示，由于優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)，用戶足部活動(dòng)區(qū)平面溫度升高約5 ℃，能更好地滿足用戶的舒適性要求；同時(shí)用戶活動(dòng)區(qū)內(nèi)典型平面的平均溫度差異由8.3 ℃減小為2 ℃以內(nèi)，有效提升了空間溫度分布的均勻性。

熱仿真；家用空調(diào)；導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)；溫度場

0　引言

家用壁掛式空調(diào)（本文簡稱：掛機(jī)）的制冷效果一直深得消費(fèi)者的認(rèn)可，但制熱效果卻總是差強(qiáng)人意。制熱工況下，受浮升力的影響，溫度高的空氣密度低會(huì)自然上浮，熱空氣往往吹不到人體活動(dòng)區(qū)就上浮到房間頂部然后被空調(diào)器回收，造成房間頂部和底部溫差很大，在這樣的環(huán)境中待久了人會(huì)感覺到腳冷腿涼，不符合中醫(yī)倡導(dǎo)的“溫足而涼頂”的養(yǎng)生之道，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

近幾年，國內(nèi)開始研究室內(nèi)氣流組織分布與人體舒適性的關(guān)系，如對(duì)火車站候車廳和世博會(huì)大空間空調(diào)氣流組織分布和熱舒適性模擬研究［1-3］，結(jié)合CFD仿真技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，國內(nèi)部分高校和公司將研究對(duì)象拓展到壁掛式空調(diào)，如對(duì)二維空間內(nèi)壁掛式空調(diào)進(jìn)行制冷/制熱工況下室內(nèi)氣流和溫度分布的數(shù)值模擬［4］，討論氣流組織所形成的速度場和溫度場對(duì)人體熱舒適的影響［5］，以及壁掛式空調(diào)房間內(nèi)流場溫度場特性與人體熱舒適的關(guān)系［6］等研究工作，但這些研究對(duì)于空調(diào)的出風(fēng)都是直接給定出風(fēng)速度和方向，并沒有對(duì)如何通過導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)空間氣流組織的優(yōu)化進(jìn)行研究，本文將對(duì)這一問題進(jìn)行討論。

1　空調(diào)和房間結(jié)構(gòu)描述

1.1空調(diào)描述

某長虹壁掛式空調(diào)，橫切面如圖1所示，主要的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)——擺葉的轉(zhuǎn)動(dòng)形式為繞著一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，共有五個(gè)檔位，制熱和制冷工況下五個(gè)檔位均可使用，檔位標(biāo)號(hào)如圖1所示。

圖1　壁掛機(jī)空調(diào)剖面及各個(gè)擺葉位置示意

1.2房間結(jié)構(gòu)描述

圖2　實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)布局

圖3　室內(nèi)側(cè)溫度測試點(diǎn)坐標(biāo)

空調(diào)室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)，及掛機(jī)在房間內(nèi)的位置如圖2所示，其中大小房間尺寸分別為6.4 m×4.3 m×3.0 m，5.4 m×2.54 m×2.7 m。

圖3給出4.2節(jié)中測試時(shí)溫度監(jiān)測點(diǎn)的位置，其中Z方向4個(gè)點(diǎn)自下而上分別編號(hào)1至4，F(xiàn)、K、E、D為四根立柱，每根立柱上安放4根熱電偶，如F1的位置為（1.27 m，0.5 m，0.1 m）。

2　熱仿真描述

2.1建模描述

為了避免掛機(jī)詳細(xì)建模帶來的巨大網(wǎng)格數(shù)量和由于邊界條件設(shè)置不當(dāng)造成的誤差，掛機(jī)采用簡化建模方式，只保留部分出風(fēng)風(fēng)道、擺葉結(jié)構(gòu)和回風(fēng)口，出風(fēng)方向與風(fēng)道基本平行。如圖4所示。

圖4　房間和掛機(jī)的建模示意圖

2.2熱屬性設(shè)置

熱仿真邊界條件設(shè)置如表1和表2。其中制冷和制熱量均為3，500 W。

表1　制冷/制熱工況的熱仿真參數(shù)

表2　墻體參數(shù)設(shè)置

2.3網(wǎng)格

掛機(jī)出風(fēng)口和回風(fēng)口附近流場變化較大，所以在掛機(jī)附近區(qū)域網(wǎng)格較細(xì)密，最大網(wǎng)格限制在（5～7）mm。由于房間體積相比掛機(jī)大很多，為減小總體網(wǎng)格量房間內(nèi)部采用較大網(wǎng)格，最大網(wǎng)格邊長限制在30 mm以內(nèi)。網(wǎng)格總數(shù)在430萬左右。

2.4數(shù)學(xué)模型建立

為簡化計(jì)算，對(duì)數(shù)學(xué)模型做如下幾點(diǎn)假設(shè)：

1）各壁面采用第三類邊界條件，地面采用第一類邊界條件；

2）室內(nèi)空氣為可壓縮流體，密度隨溫度變化；

3）不考慮熱輻射影響。

采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程湍流模型和SIMPLE壓力-速度耦合算法對(duì)室內(nèi)空氣的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3　有效區(qū)和人體熱舒適

為了比較優(yōu)化后的擺葉形態(tài)對(duì)房間流場的影響，定義有效區(qū)為用戶在房間內(nèi)?；顒?dòng)的區(qū)域，流場和溫度場的改善可針對(duì)有效區(qū)進(jìn)行。針對(duì)本文案例有效區(qū)的定義如圖5所示。

圖5　有效區(qū)尺寸定義

圖6　人體區(qū)域劃分示意

對(duì)于環(huán)境熱舒適性的評(píng)價(jià)，空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）和預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)（PMV）是在我國現(xiàn)行《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提及的兩個(gè)評(píng)價(jià)熱舒適性指標(biāo)［7］。ADPI更適于制冷工況下使用［8］；PMV是丹麥學(xué)者P.O.Fanger教授提出［9-10］，由于其涉及到的方程和函數(shù)計(jì)算過程比較復(fù)雜而很難直接應(yīng)用。本文對(duì)于熱舒適性的評(píng)價(jià)僅從房間有效區(qū)內(nèi)的溫度分布為出發(fā)點(diǎn)，為滿足用戶制熱工況足部取暖的需求，以有效區(qū)內(nèi)足部區(qū)域溫度和溫度分布均勻性為評(píng)價(jià)因子。如圖6所示，定義距離地面以上高0.1 m、0.6 m、1.1 m和1.7 m對(duì)應(yīng)成年人體站立時(shí)的足部、膝部、腹部及頭部。

4　原擺葉方案的仿真和測試分析

4.1原擺葉方案描述

制熱和制冷工況下，分別對(duì)三種典型的擺葉角度進(jìn)行房間內(nèi)流場和溫度場仿真。方案描述如表3。

表3　原擺葉各個(gè)方案描述

4.2原擺葉熱仿真與測試結(jié)果的分析

從圖7和圖8的仿真與測試數(shù)據(jù)對(duì)比看，仿真與測試結(jié)果比較接近，說明該仿真方法可行。從圖7和圖9中可以看出，制熱工況下，房間內(nèi)豎直方向上溫度差很大，最大約有20 ℃，房間熱量多集中在中上部，從滿足用戶舒適性角度講，制熱時(shí)用戶足部取暖更為重要，所以雖然空調(diào)的制熱量能夠達(dá)到要求，但熱量不能集中到用戶需要的區(qū)域中去，同時(shí)也造成了能量的浪費(fèi)，從三種方案的房間溫度場對(duì)比看，方案A3的有效區(qū)內(nèi)溫度最高，選擇方案A3與后面的優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比。從圖8和圖10可以看出，制冷工況下，房間溫度分布較均勻，溫度集中在21～25 ℃范圍內(nèi)。

圖7　制熱工況三種擺葉角度房間內(nèi)仿真與測試點(diǎn)溫度對(duì)比

圖8　制冷工況三種擺葉角度房間內(nèi)仿真與測試點(diǎn)溫度對(duì)比

圖9　制熱工況下兩種擺葉角度的房間中截面溫度云圖

圖10　制冷工況下兩種擺葉角度的房間中截面溫度云圖

為了改善氣流場的分布，制熱工況下，出風(fēng)方向應(yīng)盡量向下，使熱量更多地集中到用戶有效區(qū)內(nèi)。制冷工況下，出風(fēng)方向應(yīng)水平和輕微上揚(yáng)，冷空氣會(huì)慢慢下沉到用戶有效區(qū)內(nèi)。

5　新擺葉方案的仿真和測試分析

5.1科恩達(dá)效應(yīng)

本文應(yīng)用科恩達(dá)效應(yīng)對(duì)擺葉形態(tài)和擺放角度進(jìn)行優(yōu)化?？贫鬟_(dá)效應(yīng)即康達(dá)效應(yīng)，亦稱附壁作用。這種作用以羅馬尼亞發(fā)明家亨利·康達(dá)為名［11］，如圖11所示。流體（水流或氣流）有離開本來的流動(dòng)方向，改為隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向。當(dāng)流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦?xí)r，流體的流速會(huì)減慢。只要物體表面的曲率不是太大，依據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理，流速的減緩會(huì)導(dǎo)致流體被吸附在物體表面上流動(dòng)。

圖11　康達(dá)效應(yīng)示意

5.2新擺葉方案描述

制熱和制冷工況下，提出兩種新的擺葉形式。新擺葉1如圖12所示，重點(diǎn)分析上擺葉寬度對(duì)空間流場的影響；新擺葉2如圖13所示，制熱和制冷工況擺葉轉(zhuǎn)動(dòng)形式不同，重點(diǎn)分析不同擺葉角度θ對(duì)空間流場的影響。

新擺葉方案描述如表4所示。

圖12　新擺葉1的結(jié)構(gòu)示意圖

圖13　制熱/制冷工況下新擺葉2的擺放示意圖

表4　新擺葉各個(gè)方案描述

5.3新擺葉熱仿真與測試結(jié)果的分析

從圖14、圖15和圖16的仿真結(jié)果看，新擺葉1和2提升了足部區(qū)溫度，且有效區(qū)溫度分布更均勻，其中較優(yōu)的方案為方案C2和方案D1；從圖17（a）和（b）的曲線數(shù)據(jù)看，新擺葉1和新擺葉2相比原擺葉情況，用戶足部區(qū)域平均溫度提升約5 ℃，新擺葉2的足部區(qū)溫度略高。選擇新擺葉2對(duì)制冷工況進(jìn)行仿真，從圖17（c）可以看出，其中方案E1與原擺葉方案B2的房間有效區(qū)內(nèi)的平均溫度相差不大，說明新擺葉在提升制熱效果的同時(shí)并沒有降低制冷效果。從圖17（d）的測試溫度看，新擺葉1和2工況的房間內(nèi)溫度分布的均勻性明顯高于原擺葉工況，且從有效區(qū)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的溫度對(duì)比看，方案A3在該區(qū)域的溫差最大約14 ℃，而方案C2和D1將該溫差控制在5 ℃以內(nèi)。

從表5的測試數(shù)據(jù)看，新擺葉相比原擺葉，用戶活動(dòng)區(qū)內(nèi)典型平面的平均溫度差異由8.3 ℃減小為2 ℃以內(nèi)。分析原因?yàn)樵瓟[葉位于風(fēng)道中間，對(duì)于風(fēng)扇出風(fēng)的阻礙作用大；新擺葉位于風(fēng)道兩側(cè)，阻風(fēng)影響??；原擺葉在制熱工況向下導(dǎo)風(fēng)能力差，新擺葉的導(dǎo)風(fēng)能力更強(qiáng)，尤其在制熱工況對(duì)于出風(fēng)的導(dǎo)向變化靈活。

從圖17（a）和（b）可以看出，新擺葉方案仿真與測試溫度的趨勢(shì)相同，但測試溫度高于仿真溫度。原因是：仿真先于測試完成，測試后并沒有修正仿真中的邊界值，房間邊界溫度和空調(diào)器能力均會(huì)有所變化；另一方面，測試時(shí)并沒有對(duì)風(fēng)道和擺葉重新進(jìn)行開模，只是在原擺葉基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和搭建，所以仿真與測試溫度有所差別。

圖14　制熱工況下新擺葉1的房間溫度分布對(duì)比

圖15　制熱工況下新擺葉2的房間溫度分布對(duì)比

圖16　制冷工況下新擺葉2的房間溫度分布對(duì)比

圖17　典型方案的仿真與測試溫度值比較

表5　三種擺葉在有效區(qū)內(nèi)不同高度垂直面的平均及差值測試溫度比較（單位：℃）

6　總結(jié)

本文結(jié)合CFD仿真分析和測試對(duì)比，得到如下結(jié)論。

1）建立了壁掛式空調(diào)在房間內(nèi)流場和溫度場分析的熱仿真方法。

2）發(fā)現(xiàn)原擺葉狀態(tài)下的房間氣流組織分布的問題所在。

3）改變擺葉形態(tài)，優(yōu)化房間內(nèi)的流場溫度場分布，提升了用戶的舒適性感受。應(yīng)用科恩達(dá)效應(yīng)原理提出了兩種新的擺葉形式，通過仿真分析優(yōu)化了房間內(nèi)的溫度場分布，使得更多熱量能夠集中在用戶有效區(qū)內(nèi)，尤其是用戶足部區(qū)溫度提升5 ℃左右，且有效區(qū)內(nèi)的溫度分布均勻性明顯改善，用戶活動(dòng)區(qū)內(nèi)典型平面的平均溫度差異由8.3 ℃減小為2 ℃以內(nèi)，在提升制熱效果的同時(shí)不降低制冷效果。最后，通過測試驗(yàn)證了新擺葉的效果，與仿真趨勢(shì)相同。

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Analysis on Influence of guiding flow structure of Wall Air Conditioner on Indoor Temperature Field

LI Yue-feng，LENG Shao-hua*，LI Feng，LUAN Jun，QIU Ming-you
（Sichuan Changhong Air Conditioning Co.，Ltd.，Mianyang，Sichuan 621000，China）

The guiding flow structure of the wall air conditioner was taken as the research object in the present study.The organization distribution of indoor airflow was optimized by changing the guiding flow structures，such as configuration，locating place and angle，in order to concentrate more heat into the user-needed room and to promote the thermal comfort.The numerical simulation method was adopted，and the the feasibility of the simulation method was verified based on the actual tests.By optimizing the guiding flow structure，test results show the plane temperature of user's foot-activity area has been risen about 5oC，making user feel more comfortable.Moreover，the average temperature difference of typical plane inside user's activity area has decreased from 8.3oC to within 2oC，which effectively promotes the uniformity of the spatial temperature distribution.

Thermal simulation；Domestic air conditioner；Guiding flow structure，Temperature field

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.206

*冷少華（1984-），女，工程師，碩士。研究方向：流體散熱。聯(lián)系地址：四川省綿陽市高新區(qū)綿興東路35號(hào)長虹技術(shù)中心長虹空調(diào)技術(shù)研究所，郵編：621000。聯(lián)系電話：0816-2417180。E-mail：shaohua.leng@changhong.com。

本論文選自2014年第八屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)。