壁挂式空调的导风结构对房间温度场的影响分析

李越峰，冷少华，李峰，栾军，邱名友

（四川长虹空调有限公司，四川　绵阳　621000）

壁挂式空调的导风结构对房间温度场的影响分析

李越峰，冷少华*，李峰，栾军，邱名友

（四川长虹空调有限公司，四川绵阳621000）

本文以壁挂式空调的导风结构为研究对象，通过更改导风结构形式，如外形、摆放位置和角度等方式来优化房间内的气流组织分布，从而实现将热量更多地集中到用户需要的空间中，改善热舒适性。本文应用数值模拟方法，并结合实际测试验证仿真方法的可行性。测试结果显示，由于优化导风结构，用户足部活动区平面温度升高约5 ℃，能更好地满足用户的舒适性要求；同时用户活动区内典型平面的平均温度差异由8.3 ℃减小为2 ℃以内，有效提升了空间温度分布的均匀性。

热仿真；家用空调；导风结构；温度场

0　引言

家用壁挂式空调（本文简称：挂机）的制冷效果一直深得消费者的认可，但制热效果却总是差强人意。制热工况下，受浮升力的影响，温度高的空气密度低会自然上浮，热空气往往吹不到人体活动区就上浮到房间顶部然后被空调器回收，造成房间顶部和底部温差很大，在这样的环境中待久了人会感觉到脚冷腿凉，不符合中医倡导的“温足而凉顶”的养生之道，同时也造成了严重的能源浪费。

近几年，国内开始研究室内气流组织分布与人体舒适性的关系，如对火车站候车厅和世博会大空间空调气流组织分布和热舒适性模拟研究［1-3］，结合CFD仿真技术进行优化设计。同时，国内部分高校和公司将研究对象拓展到壁挂式空调，如对二维空间内壁挂式空调进行制冷/制热工况下室内气流和温度分布的数值模拟［4］，讨论气流组织所形成的速度场和温度场对人体热舒适的影响［5］，以及壁挂式空调房间内流场温度场特性与人体热舒适的关系［6］等研究工作，但这些研究对于空调的出风都是直接给定出风速度和方向，并没有对如何通过导风结构来实现空间气流组织的优化进行研究，本文将对这一问题进行讨论。

1　空调和房间结构描述

1.1空调描述

某长虹壁挂式空调，横切面如图1所示，主要的导风结构——摆叶的转动形式为绕着一个固定的转轴转动，共有五个档位，制热和制冷工况下五个档位均可使用，档位标号如图1所示。

图1　壁挂机空调剖面及各个摆叶位置示意

1.2房间结构描述

图2　实验室室内侧和室外侧布局

图3　室内侧温度测试点坐标

空调室内侧和室外侧，及挂机在房间内的位置如图2所示，其中大小房间尺寸分别为6.4 m×4.3 m×3.0 m，5.4 m×2.54 m×2.7 m。

图3给出4.2节中测试时温度监测点的位置，其中Z方向4个点自下而上分别编号1至4，F、K、E、D为四根立柱，每根立柱上安放4根热电偶，如F1的位置为（1.27 m，0.5 m，0.1 m）。

2　热仿真描述

2.1建模描述

为了避免挂机详细建模带来的巨大网格数量和由于边界条件设置不当造成的误差，挂机采用简化建模方式，只保留部分出风风道、摆叶结构和回风口，出风方向与风道基本平行。如图4所示。

图4　房间和挂机的建模示意图

2.2热属性设置

热仿真边界条件设置如表1和表2。其中制冷和制热量均为3，500 W。

表1　制冷/制热工况的热仿真参数

表2　墙体参数设置

2.3网格

挂机出风口和回风口附近流场变化较大，所以在挂机附近区域网格较细密，最大网格限制在（5～7）mm。由于房间体积相比挂机大很多，为减小总体网格量房间内部采用较大网格，最大网格边长限制在30 mm以内。网格总数在430万左右。

2.4数学模型建立

为简化计算，对数学模型做如下几点假设：

1）各壁面采用第三类边界条件，地面采用第一类边界条件；

2）室内空气为可压缩流体，密度随温度变化；

3）不考虑热辐射影响。

采用标准κ-ε两方程湍流模型和SIMPLE压力-速度耦合算法对室内空气的三维稳态流动进行数值计算。

3　有效区和人体热舒适

为了比较优化后的摆叶形态对房间流场的影响，定义有效区为用户在房间内常活动的区域，流场和温度场的改善可针对有效区进行。针对本文案例有效区的定义如图5所示。

图5　有效区尺寸定义

图6　人体区域划分示意

对于环境热舒适性的评价，空气分布特性指标（ADPI）和预计平均热感觉指数（PMV）是在我国现行《采暖通风与空气调节设计规范》中提及的两个评价热舒适性指标［7］。ADPI更适于制冷工况下使用［8］；PMV是丹麦学者P.O.Fanger教授提出［9-10］，由于其涉及到的方程和函数计算过程比较复杂而很难直接应用。本文对于热舒适性的评价仅从房间有效区内的温度分布为出发点，为满足用户制热工况足部取暖的需求，以有效区内足部区域温度和温度分布均匀性为评价因子。如图6所示，定义距离地面以上高0.1 m、0.6 m、1.1 m和1.7 m对应成年人体站立时的足部、膝部、腹部及头部。

4　原摆叶方案的仿真和测试分析

4.1原摆叶方案描述

制热和制冷工况下，分别对三种典型的摆叶角度进行房间内流场和温度场仿真。方案描述如表3。

表3　原摆叶各个方案描述

4.2原摆叶热仿真与测试结果的分析

从图7和图8的仿真与测试数据对比看，仿真与测试结果比较接近，说明该仿真方法可行。从图7和图9中可以看出，制热工况下，房间内竖直方向上温度差很大，最大约有20 ℃，房间热量多集中在中上部，从满足用户舒适性角度讲，制热时用户足部取暖更为重要，所以虽然空调的制热量能够达到要求，但热量不能集中到用户需要的区域中去，同时也造成了能量的浪费，从三种方案的房间温度场对比看，方案A3的有效区内温度最高，选择方案A3与后面的优化方案进行对比。从图8和图10可以看出，制冷工况下，房间温度分布较均匀，温度集中在21～25 ℃范围内。

图7　制热工况三种摆叶角度房间内仿真与测试点温度对比

图8　制冷工况三种摆叶角度房间内仿真与测试点温度对比

图9　制热工况下两种摆叶角度的房间中截面温度云图

图10　制冷工况下两种摆叶角度的房间中截面温度云图

为了改善气流场的分布，制热工况下，出风方向应尽量向下，使热量更多地集中到用户有效区内。制冷工况下，出风方向应水平和轻微上扬，冷空气会慢慢下沉到用户有效区内。

5　新摆叶方案的仿真和测试分析

5.1科恩达效应

本文应用科恩达效应对摆叶形态和摆放角度进行优化。科恩达效应即康达效应，亦称附壁作用。这种作用以罗马尼亚发明家亨利·康达为名［11］，如图11所示。流体（水流或气流）有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。

图11　康达效应示意

5.2新摆叶方案描述

制热和制冷工况下，提出两种新的摆叶形式。新摆叶1如图12所示，重点分析上摆叶宽度对空间流场的影响；新摆叶2如图13所示，制热和制冷工况摆叶转动形式不同，重点分析不同摆叶角度θ对空间流场的影响。

新摆叶方案描述如表4所示。

图12　新摆叶1的结构示意图

图13　制热/制冷工况下新摆叶2的摆放示意图

表4　新摆叶各个方案描述

5.3新摆叶热仿真与测试结果的分析

从图14、图15和图16的仿真结果看，新摆叶1和2提升了足部区温度，且有效区温度分布更均匀，其中较优的方案为方案C2和方案D1；从图17（a）和（b）的曲线数据看，新摆叶1和新摆叶2相比原摆叶情况，用户足部区域平均温度提升约5 ℃，新摆叶2的足部区温度略高。选择新摆叶2对制冷工况进行仿真，从图17（c）可以看出，其中方案E1与原摆叶方案B2的房间有效区内的平均温度相差不大，说明新摆叶在提升制热效果的同时并没有降低制冷效果。从图17（d）的测试温度看，新摆叶1和2工况的房间内温度分布的均匀性明显高于原摆叶工况，且从有效区内监测点的温度对比看，方案A3在该区域的温差最大约14 ℃，而方案C2和D1将该温差控制在5 ℃以内。

从表5的测试数据看，新摆叶相比原摆叶，用户活动区内典型平面的平均温度差异由8.3 ℃减小为2 ℃以内。分析原因为原摆叶位于风道中间，对于风扇出风的阻碍作用大；新摆叶位于风道两侧，阻风影响小；原摆叶在制热工况向下导风能力差，新摆叶的导风能力更强，尤其在制热工况对于出风的导向变化灵活。

从图17（a）和（b）可以看出，新摆叶方案仿真与测试温度的趋势相同，但测试温度高于仿真温度。原因是：仿真先于测试完成，测试后并没有修正仿真中的边界值，房间边界温度和空调器能力均会有所变化；另一方面，测试时并没有对风道和摆叶重新进行开模，只是在原摆叶基础上进行修改和搭建，所以仿真与测试温度有所差别。

图14　制热工况下新摆叶1的房间温度分布对比

图15　制热工况下新摆叶2的房间温度分布对比

图16　制冷工况下新摆叶2的房间温度分布对比

图17　典型方案的仿真与测试温度值比较

表5　三种摆叶在有效区内不同高度垂直面的平均及差值测试温度比较（单位：℃）

6　总结

本文结合CFD仿真分析和测试对比，得到如下结论。

1）建立了壁挂式空调在房间内流场和温度场分析的热仿真方法。

2）发现原摆叶状态下的房间气流组织分布的问题所在。

3）改变摆叶形态，优化房间内的流场温度场分布，提升了用户的舒适性感受。应用科恩达效应原理提出了两种新的摆叶形式，通过仿真分析优化了房间内的温度场分布，使得更多热量能够集中在用户有效区内，尤其是用户足部区温度提升5 ℃左右，且有效区内的温度分布均匀性明显改善，用户活动区内典型平面的平均温度差异由8.3 ℃减小为2 ℃以内，在提升制热效果的同时不降低制冷效果。最后，通过测试验证了新摆叶的效果，与仿真趋势相同。

［1］刘显晨，徐玉党，陈龙，等.火车站候车厅热舒适性模拟研究［J］.制冷技术，2011，31（1）∶18-21.

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［4］张智，涂旺荣，金培耕，等.空调制冷/制热时室内气流及温度分布数值研究［J］.工程热物理学报，2002，23（4）∶457-460.

［5］周正平，董凯军，刘蔚巍，等.空调房间气流组织与人体热舒适关系的初步探讨［J］.制冷空调与电力机械，2006，27∶16-20，38.

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［7］臧效罡，赵树兴，李文杰.应用ADPI与PMV评价热舒适性的比较分析［J］.山西建筑，2010，36（33）∶174-175.

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［11］王先明，杨钊，马臣.用康达和文丘里效应解析超高速

卷烟机供丝原理［J］.机械工程师，2010，11∶71-73.

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

*冷少华（1984-），女，工程师，硕士。研究方向：流体散热。联系地址：四川省绵阳市高新区绵兴东路35号长虹技术中心长虹空调技术研究所，邮编：621000。联系电话：0816-2417180。E-mail：shaohua.leng@changhong.com。

本论文选自2014年第八届全国制冷空调新技术研讨会。