壁掛式空調的導風結構對房間溫度場的影響分析

李越峰，冷少華，李峰，欒軍，邱名友

（四川長虹空調有限公司，四川　綿陽　621000）

壁掛式空調的導風結構對房間溫度場的影響分析

李越峰，冷少華*，李峰，欒軍，邱名友

（四川長虹空調有限公司，四川綿陽621000）

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

熱仿真；家用空調；導風結構；溫度場

0　引言

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

近幾年，國內開始研究室內氣流組織分布與人體舒適性的關系，如對火車站候車廳和世博會大空間空調氣流組織分布和熱舒適性模擬研究［1-3］，結合CFD仿真技術進行優(yōu)化設計。同時，國內部分高校和公司將研究對象拓展到壁掛式空調，如對二維空間內壁掛式空調進行制冷/制熱工況下室內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人體熱舒適的影響［5］，以及壁掛式空調房間內流場溫度場特性與人體熱舒適的關系［6］等研究工作，但這些研究對于空調的出風都是直接給定出風速度和方向，并沒有對如何通過導風結構來實現(xiàn)空間氣流組織的優(yōu)化進行研究，本文將對這一問題進行討論。

1　空調和房間結構描述

1.1空調描述

某長虹壁掛式空調，橫切面如圖1所示，主要的導風結構——擺葉的轉動形式為繞著一個固定的轉軸轉動，共有五個檔位，制熱和制冷工況下五個檔位均可使用，檔位標號如圖1所示。

圖1　壁掛機空調剖面及各個擺葉位置示意

1.2房間結構描述

圖2　實驗室室內側和室外側布局

圖3　室內側溫度測試點坐標

空調室內側和室外側，及掛機在房間內的位置如圖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)中測試時溫度監(jiān)測點的位置，其中Z方向4個點自下而上分別編號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

為了避免掛機詳細建模帶來的巨大網格數(shù)量和由于邊界條件設置不當造成的誤差，掛機采用簡化建模方式，只保留部分出風風道、擺葉結構和回風口，出風方向與風道基本平行。如圖4所示。

圖4　房間和掛機的建模示意圖

2.2熱屬性設置

熱仿真邊界條件設置如表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)設置

2.3網格

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

2.4數(shù)學模型建立

為簡化計算，對數(shù)學模型做如下幾點假設：

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。

采用標準κ-ε兩方程湍流模型和SIMPLE壓力-速度耦合算法對室內空氣的三維穩(wěn)態(tài)流動進行數(shù)值計算。

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)對房間流場的影響，定義有效區(qū)為用戶在房間內?；顒拥膮^(qū)域，流場和溫度場的改善可針對有效區(qū)進行。針對本文案例有效區(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

對于環(huán)境熱舒適性的評價，空氣分布特性指標（ADPI）和預計平均熱感覺指數(shù)（PMV）是在我國現(xiàn)行《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中提及的兩個評價熱舒適性指標［7］。ADPI更適于制冷工況下使用［8］；PMV是丹麥學者P.O.Fanger教授提出［9-10］，由于其涉及到的方程和函數(shù)計算過程比較復雜而很難直接應用。本文對于熱舒適性的評價僅從房間有效區(qū)內的溫度分布為出發(fā)點，為滿足用戶制熱工況足部取暖的需求，以有效區(qū)內足部區(qū)域溫度和溫度分布均勻性為評價因子。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對應成年人體站立時的足部、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，分別對三種典型的擺葉角度進行房間內流場和溫度場仿真。方案描述如表3。

表3　原擺葉各個方案描述

4.2原擺葉熱仿真與測試結果的分析

從圖7和圖8的仿真與測試數(shù)據對比看，仿真與測試結果比較接近，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，制熱時用戶足部取暖更為重要，所以雖然空調的制熱量能夠達到要求，但熱量不能集中到用戶需要的區(qū)域中去，同時也造成了能量的浪費，從三種方案的房間溫度場對比看，方案A3的有效區(qū)內溫度最高，選擇方案A3與后面的優(yōu)化方案進行對比。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。

圖7　制熱工況三種擺葉角度房間內仿真與測試點溫度對比

圖8　制冷工況三種擺葉角度房間內仿真與測試點溫度對比

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，出風方向應盡量向下，使熱量更多地集中到用戶有效區(qū)內。制冷工況下，出風方向應水平和輕微上揚，冷空氣會慢慢下沉到用戶有效區(qū)內。

5　新擺葉方案的仿真和測試分析

5.1科恩達效應

本文應用科恩達效應對擺葉形態(tài)和擺放角度進行優(yōu)化。科恩達效應即康達效應，亦稱附壁作用。這種作用以羅馬尼亞發(fā)明家亨利·康達為名［11］，如圖11所示。流體（水流或氣流）有離開本來的流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時，流體的流速會減慢。只要物體表面的曲率不是太大，依據流體力學中的伯努利原理，流速的減緩會導致流體被吸附在物體表面上流動。

圖11　康達效應示意

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，重點分析上擺葉寬度對空間流場的影響；新擺葉2如圖13所示，制熱和制冷工況擺葉轉動形式不同，重點分析不同擺葉角度θ對空間流場的影響。

新擺葉方案描述如表4所示。

圖12　新擺葉1的結構示意圖

圖13　制熱/制冷工況下新擺葉2的擺放示意圖

表4　新擺葉各個方案描述

5.3新擺葉熱仿真與測試結果的分析

從圖14、圖15和圖16的仿真結果看，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對制冷工況進行仿真，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)內的平均溫度相差不大，說明新擺葉在提升制熱效果的同時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工況的房間內溫度分布的均勻性明顯高于原擺葉工況，且從有效區(qū)內監(jiān)測點的溫度對比看，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。

從表5的測試數(shù)據看，新擺葉相比原擺葉，用戶活動區(qū)內典型平面的平均溫度差異由8.3 ℃減小為2 ℃以內。分析原因為原擺葉位于風道中間，對于風扇出風的阻礙作用大；新擺葉位于風道兩側，阻風影響小；原擺葉在制熱工況向下導風能力差，新擺葉的導風能力更強，尤其在制熱工況對于出風的導向變化靈活。

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器能力均會有所變化；另一方面，測試時并沒有對風道和擺葉重新進行開模，只是在原擺葉基礎上進行修改和搭建，所以仿真與測試溫度有所差別。

圖14　制熱工況下新擺葉1的房間溫度分布對比

圖15　制熱工況下新擺葉2的房間溫度分布對比

圖16　制冷工況下新擺葉2的房間溫度分布對比

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)內不同高度垂直面的平均及差值測試溫度比較（單位：℃）

6　總結

本文結合CFD仿真分析和測試對比，得到如下結論。

1）建立了壁掛式空調在房間內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)化房間內的流場溫度場分布，提升了用戶的舒適性感受。應用科恩達效應原理提出了兩種新的擺葉形式，通過仿真分析優(yōu)化了房間內的溫度場分布，使得更多熱量能夠集中在用戶有效區(qū)內，尤其是用戶足部區(qū)溫度提升5 ℃左右，且有效區(qū)內的溫度分布均勻性明顯改善，用戶活動區(qū)內典型平面的平均溫度差異由8.3 ℃減小為2 ℃以內，在提升制熱效果的同時不降低制冷效果。最后，通過測試驗證了新擺葉的效果，與仿真趨勢相同。

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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號長虹技術中心長虹空調技術研究所，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新技術研討會。