室内障碍物对嵌入式空调气流组织的影响

连之伟，戚大海，刘蔚巍，宋金良

(1. 中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州，450007；2. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海，200240；3. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410075)

嵌入式空调室内机具有外形美观、大方、不占用室内有效面积等优点，广泛应用于写字楼、商场、别墅等。由于室内一般布置有家具、隔板等，往往会改变嵌入式空调气流组织分布情况，从而影响空调的热舒适性与能耗，因此，有必要研究室内障碍物对嵌入式空调气流组织的影响。目前，国内外对空调气流组织方面的研究虽然很多[1-9]，但大都针对集中式空调系统，对分体式特别是嵌入式空调器室内气流组织的研究不多[3,6-9]。在对嵌入式空调器室内气流组织的少数研究者中，周燕蕊等[7]研究了嵌入式空调不同送风参数对房间速度场和温度场的影响，结果发现：送风角度对室内气流场及温度场有较大影响，而送风速度的影响并不明显；存在短路现象，该现象随送风角度的增大而严重，当送风角度大时，温度场较均匀，而当送风角度较小时，速度场较均匀，能量利用率也较高。Noh等[8]研究了嵌入式空调送风速度对通风性能的影响，认为在评价通风性能时，若工作区有污染源，需要同时考虑平均空气龄和滞留时间，室内风速的增加有益于通风性能的提高。Noh等[9]采用数值模拟与实验的方法研究装有嵌入式空调系统的教室气流组织，考察送风角度、送风量、通风效率与热舒适性、室内空气品质之间的关系，结果发现：随着送风角度的增加，热舒适性降低，但室内空气品质并没有显著降低；送风量对热舒适和室内空气品质无明显影响；随着通风效率的提高，热舒适性也提高。本文作者设计4种不同障碍物的布局，结合实验与数值模拟，采用整体及区域分析法，分析障碍物对嵌入式空调器气流组织的影响，并给出相应的气流组织设计建议。

1 实验方案

由于室内障碍物的存在会改变嵌入式空调出风的主流方向，从而显著影响室内气流组织分布情况。为此，依据不同送风角度的主流方向，设计障碍物尺寸及障碍物的4种布局layout(0), layout(1)，layout(2)和layout(3)，研究 4种室内障碍物布局对不同空调送风角度下嵌入式空调气流组织的影响。图1所示为气流实验室整体布置图，实验室为1间矩形房间，长×宽×高为10.00 m×6.00 m×3.05 m，嵌入式空调室内机位于天花板中央；障碍物长×宽×高为 2.400 m×0.045 m×1.800 m。表1和图2所示为4种室内障碍物的布局。表1中：x表示障碍物距离出风口1的距离，layout(1)和 layout(3)中的障碍物与风口 1之间的距离均为1 m，而layout(3)中的障碍物与风口1之间的距离为 0.5 m，layout(0)中无障碍物；layout(0)，layout(1)和 layout(2)均是水平送风模式(送风方向与水平方向夹角θ约为30°)；layout(3)为垂直送风模式(送风方向与水平方向夹角θ大约为60°)。这样，layout(1)中出风主流正好落在障碍物上沿，layout(2)中出风主流越过障碍物上沿，而layout(3)中出风主流则完全被障碍物挡住。所有工况均为制热、高风速，设定温度为30 ℃，风量为25.3 m3/min。

图1 气流实验室气流组织Fig.1 Air distribution of test room

表1 布局设计Table 1 Layout design

气流实验室中布置200个温度测点，高度分别为0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m，考察各种不同布局的室内温度场分布状况。出风口温度采用热电偶测量，每个出风口均匀分布2个测点，每面墙外布置2个温度测点。

室内速度测点1～3在图1所示水平面上的坐标分别为(2.2, 5.0)，(3.0, 3.9)和(3.8, 5.0)，其余测点坐标对称类推，高度方向a，b和c分别代表高度为0.75，1.50和2.25 m。风口速度及其角度的测量位置如图3所示，在每个风口均匀布置30个速度测点，当空调工作时，测出30 cm长的轻细绳末端距天花板距离，即可得风口角度θ。

采用美国 NI公司制造的多通道数据采集仪实时记录温度，采用美国Degree C公司制造的UAS1000系列气流检测仪测量速度，其精度符合 ASHRAE 55—1992 标准及 ISO 7726 标准[10-11]。

图2 隔板障碍物侧面图Fig.2 Position of partition from side view

图3 送风口速度测点布置及角度测量Fig.3 Distribution of outlet velocity measuring points and velocity angle measuring

2 气流组织数值仿真

2.1 数学模型

气流实验室数学模型如图1所示。空调房间内的气流作湍流运动。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机变化。这里采用Reynolds平均法来模拟湍流运动[12]。以张量形式表示的湍流对流换热的Reynolds时均方程如下[13]。

连续方程：

动量方程：

其他变量方程：

其中：ρ为密度；u为速度；t为时间。称为湍流应力。引入 Boussinesq假设[14]，湍流应力可表示为：

对于其他变量方程中的湍流脉动附加项，引入相应的湍流扩散系数Γt，则湍流脉动所传递的通量可表示为：

湍流黏性系数tη和湍流扩散系数Γt都不是流体的物性参数，而取决于湍流的流动。实验结果表明，二者的比值可近似地视为1个常数，因此，计算湍流的关键在于确定tη。这里采用Realizablek-ε两方程模型来确定tη。该模型中关于湍流脉动动能k和脉动动能耗散率ε的输运方程如下：

Realizablek-ε两方程模型是对Standardk-ε两方程模型的修正，引入了与旋转和曲率有关的参数。对于固体壁面附近的流动，采用标准壁面函数来处理。

2.2 计算条件

由于模型结构规整，采用六面体网格。送风口、回风口选用密网格，其长×宽分别为0.01 m×0.02 m和0.02 m×0.02 m，其他区域采用疏网格，其长×宽为0.10 m×0.10 m。

离散方法：压力P选用PRESTO方法离散，压力和速度耦合项选用 SIMPLEC方法离散，动量、湍流动能k、湍流耗散率ε及能量项均选用二阶迎风格式离散。

残差控制：能量项残差和连续性残差要求小于10-6，其他各项残差小于10-3。

边界条件：风口采用速度实测值作为边界条件，即分别对实测的速度、角度进行拟合作为速度边界条件，壁面采用第三类边界条件。

3 评价指标

评价气流组织的指标通常有不均匀系数(包括温度不均匀系数kt和速度不均匀系数kv)、空气分布特性指标IADPI和能量利用系数η。由于IADPI反映了风速及温度对人体热舒适性的综合影响，IADPI越大，说明感到舒适的人群比例越大，因而本文不考虑不均匀系数评价指标。空气分布特性指标IADPI和能量利用系数η的定义式如下[15-17]。

空气分布特性指标IADPI为：

式中：IADPI为空气分布特性指标；η为能量利用系数；n1为-1.7＜[(ti-tn)-7.66(ui-0.15)]＜1.1 的测点数；n0为总测点数；ti和tn分别为工作区某点的空气温度和给定的室内温度；ui为工作区某点的空气流速；tp为排风温度；tn为工作区空气平均温度；t0为送风温度。

此外，本文提出一种新的指标即温升速率，表征空调器调节房间温度的速度。在这些指标中，温升速率是通过实验计算得出，其余各指标均基于数值模拟结果计算得出。

式中：为初始时刻室内平均温度；tset为空调设定温度；T为房间内平均温度达到设定温度所需的时间。

4 结果及分析

4.1 实验验证

图4所示为温度的实验值与模拟值的比较结果。若实验值与模拟值相同，则图中的点落在直线1上。直线2和3分别表示实验值与模拟值相差+1 ℃和-1 ℃。从图4可以看出：模拟值相对于实验值的绝对误差都在1.0 ℃以内，平均误差为0.4 ℃。图5所示为速度的实验值和模拟值，相对误差最小为4%，最大为22%。由于室内风速通常很低(序号 2a处的风速只有 0.06 m/s)，同时，风速也在不断波动，要精确测量很难，因而，在比较速度的模拟值与实验值时，速度场分布趋势的一致性更为重要[3]。综合温度场、速度场的实验值与模拟值的比较可知，所建立的数值模型是正确的。

图4 layout(3)温度实验值与模拟值的比较Fig.4 Comparison of experimental value and simulation value of temperature for layout(3)

图5 layout(3)风速实验值与模拟值的比较Fig.5 Comparison of experimental value and simulation value of velocity for layout(3)

4.2 障碍物对整体气流组织的影响

表2所示为采用整体气流组织评价法所得出的整个房间的气流组织评价指标。从表2可以看出：室内无障碍物的layout(0)各项指标最高，当房间中增加了障碍物后，IADPI显著下降，这是因为不同布局中的障碍物在不同程度上改变了出风主流方向，从而显著地影响了房间整体的气流组织状况；而对于layout(3)，其各项指标都是最低的，尤其是温升速率最低。这是因为在该布局方式中，障碍物完全阻挡了出风口1的出风主流，由于出风口离回风口较近，使气流短路现象更加严重，回风口的温度更容易达到设定值，也就是说，当房间内的温度还远远没有达到设定值时，压缩机就停止工作了，因而，需要花更长的时间才能使房间平均温度升值至设定值，导致温升速率很低。

表2 各种布局的指标Table 2 Indexes for each layout

根据以上分析可以看出：室内障碍物会显著降低空调气流组织的热舒适性。因此，应尽量在室内少布置障碍物；对于室内的障碍物，要避免将其设置于挡住送风并将送风反射到回风口之处。

4.3 障碍物对局部气流组织的影响

由于整体气流组织评价法只能反映出障碍物对房间整体气流组织的影响，不能体现障碍物对各区域气流的影响，因此，需要运用分区域气流组织评价法考察局部气流分布状况。如图6所示，基于障碍物的具体位置及对称的原则将房间工作区划分成9个区域并编号，计算反映热舒适性的重要指标IADPI，结果如图7所示。

图6 房间区域划分Fig.6 Room division

图7 各布局的IADPIFig.7 IADPI for each layout

由图7可知，从局部局域气流组织来看，layout(0)的IADPI几乎均大于其他各布局的IADPI，尤其是在靠近出风主流的区域 4～6。这是因为障碍物正是通过改变主流方向从而影响室内气流组织，而靠近出风主流的区域所受到的影响更大。

相关研究表明，在一般情况下，应使IADPI≥80%[16-18]。由前面的分析结果可知：对于大多数布局(除layout(3))，远离出风口的区域1，3，7和9的IADPI均大于80%；而靠近出风口的区域4～6其IADPI则很低，为非舒适区域。这是因为嵌入式空调有4个出风口，能使房间形成较为均匀的温度场。造成不舒适感的主要原因是风速过高而导致的吹风感，远离出风口的区域风速较低，因而IADPI较高，即热舒适感较高；而离风口较近的区域，风速较高，因而IADPI较低，即热舒适感较低。

对于layout(3)，在9个区域中，有6个区域的IADPI最低(如图 7所示)，因而，导致该种布局的整体热舒适感最差。仅在区域2中，IADPI较高(为83.16%)。这是因为区域8离风口较远，区域2因障碍物作用，在该区域中风速都较小，吹风感较小。所以，在布置障碍物时要避免类似layout(3)这样的布局，将出风主流完全挡住。

5 结论

(1) 所建仿真模型及对边界条件的测量方法合理，采用气流组织整体评价法和局部评价法所得评价结果是可信的。

(2) 室内障碍物会显著降低嵌入式空调房间的整体舒适性及局部区域的热舒适性，所以，室内应尽量少布置障碍物。

(3) 当障碍物放置在完全挡住出风主流的位置时，气流组织短路现象十分严重，且其各局部气流组织评价指标都很低，因而要尽量避免这种现象发生。

(4) 离出风口主流越远，热舒适性越高，反之，热舒适性则越低。所以，在设计时，办公地点应尽量设在离出风主流较远之处；而离出风主流较近之处特别是回风口附近，可作为过道等人员暂时停留的地点。

[1] 连之伟, 张桂荣, 叶晓江. 铁路空调客车气流组织评价[J]. 上海交通大学学报, 2004, 36(6): 961-966.LIAN Zhi-wei, ZHANG Gui-rong, YE Xiao-jiang. Evaluation of air distribution in an air conditioned railway carriage[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2004, 36(6): 961-966.

[2] KONG Qiong-xiang, YU Bing-feng, Numerical study on temperature stratification in a room with under floor air distribution system[J]. Energy and Buildings, 2008, 40(4):495-502.

[3] LIU Wei-wei, LIAN Zhi-wei, YAO Y. Optimization on indoor air diffusion of floor-standing type room air-conditioners [J]. Energy and Buildings, 2008, 40(2): 59-70.

[4] Lin Z, Chow T T, Fong K F, et al., Comparison of performances of displacement and mixing ventilations. Part I: Thermal comfort[J]. International Journal of Refrigeration, 2005, 28(2):276-287.

[5] Sekhar S C, Ching C S. Indoor air quality and thermal comfort studies of an under-floor air-conditioning system in the tropics[J].Energy and Buildings, 2002, 34(5): 431-444.

[6] Bojic M, Yik F, Lo T Y, Locating air-conditioners and furniture inside residential flats to obtain good thermal comfort[J]. Energy and Buildings, 2002, 34(7): 745-751.

[7] 周燕蕊, 俞炳丰, 赵蕊. 空调器送风参数对房间速度场和温度影响的计算模拟和试验研究[J]. 制冷与空调, 2004, 4(3):37-41.ZHOU Yan-rui, YU Bing-feng, ZHAO Rui. The numerical simulation and experimental study of air-conditioner inlet parameters’ influence on the temperature distribution and fluid flow inside room[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2004,4(3): 37-41.

[8] Noh K C, Han C W, Oh M D. Effect of the airflow rate of a ceiling type air-conditioner on ventilation effectiveness in a lecture room[J]. International Journal of Refrigeration, 2008,31(2): 180-188.

[9] Noh K C, Jang J S, Oh M D. Thermal comfort and indoor air quality in the lecture room with 4-way cassette air-conditioner and mixing ventilation system[J]. Building and Environment,2007, 42(2): 689-698.

[10] ANSI/ASHRAE Standard 55—1992, Thermal environmental conditions for human occupancy[S].

[11] International Standard 7730, Moderate thermal environmentsdetermination of the PMV and PPD indices and the specification of conditions for thermal comfort[S].

[12] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版社,2004: 118-119.WANG Fu-jun. Computation fluid dynamics analysis[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 118-119.

[13] 周丹, 田红旗, 鲁寨军. 国产磁浮列车气动外形的优化[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2006, 37(3): 813-817.ZHOU Dan, TIAN Hong-qi, LU Zhai-jun. Optimization of aerodynamic shape for domestic maglev vehicle[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2006, 37(3):813-817.

[14] Teodosiu C, Hohota R, Rusaouen G., et al. Numerical prediction of indoor air humidity and its effect on indoor environment[J].Building and Environment, 2003, 38(5): 655-664.

[15] Koestel A, Tuve G L. Performance and evaluation of room air distribution systems[J]. ASHRAE Transactions, 1955, 61:533-550.

[16] 朱颖心. 建筑环境学[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社,2005: 203-205.ZHU Ying-xin. Built environment[M]. 2nd ed. Beijing: China Architecture Industry Press, 2005: 203-205.

[17] Gan G., Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics[J]. Energy and Buildings, 1995,27(2): 83-93.