全空气空调直流式系统室内环境数值模拟研究

徐 浩 ，段小汇 ，段文勇 ，刘 玮

1.盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城 224002；2.江苏金风科技有限公司，江苏 盐城 224000

全空气空调直流式系统又称为全新风系统，是典型的集中式空调系统，具有送风量大、换气充分、空气污染小等优点，适用于商场、超市、宴会等大型场所［1-2］。本文以THPZXC-1 型全空气空调系统实验装置为研究对象，利用ANSYS CFX软件对其进行数值模拟，通过改变送风属性如送风速度、温度和湿度等，分析室内环境的速度场、温度场和相对湿度场的分布情况，为全空气空调直流式系统的工程设计提供参考。

1 模型建立

THPZXC-1 型全空气空调实验装置［3］主要由空气循环系统（1～11）、风冷热泵系统（14）、冷（热）媒水系统（12和13）和蒸汽系统（15）4个部分组成，如图1 所示。室内环境数值模拟主要研究其中的空气循环系统。空气循环系统由空气处理机组、模拟房间和回（排）风管3大部分组成，其中空气处理机组包括预热器、表面式换热器、蒸汽喷管、再热器和送风机等，主要实现对新鲜空气的处理。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental setup

根据THPZXC-1型全空气空调系统实验装置的尺寸并结合直流式工况，建立等比例的全空气空调直流式系统三维模型，如图2 所示。模型中空气 处理机 组尺寸 为2 351 mm×388 mm×378 mm，机组中布置5个温湿度传感器、3个U 型表面式换热器和1 个蒸汽发生器；送风机尺寸为Φ108.17 mm×100 mm；空调房间尺寸为401 mm×388 mm×904 mm，房间中安装1 个温湿度传感器；排风管道尺寸为2 007 mm×388 mm×220 mm，排风管道中安装1个温湿度传感器。全空气空调直流式系统采用下送上回的送风方式，新风在空气处理装置中处理之后，通过送风机输送到模拟房间。

图2 全空气空调直流式系统模型Fig. 2 Model of all-air air conditioning DC system

2 理论基础

为研究全空气空调直流式系统室内热湿环境变化，作出如下假设：

（1）系统中的空气为理想气体，不可压缩且满足Boussinesq假设；

（2）系统内的空气流动为稳态湍流；

（3）系统密闭性良好，不考虑漏风带来的扰动影响。

对全空气空调直流式系统室内热湿环境进行数值模拟，模型的各微分方程如下所示：

（1）质量守恒方程

式中：ρ是空气密度，kg/m3；t是空气流动时间，s；Ux、Uy、Uz分别为空气流速U在x、y、z方向上的分量，m/s。

（2）动量守恒方程

式中：P为空气的静压，Pa；τ为应力张量，Pa；ρf为体积力，N；F为其他源项，N。

（3）能量守恒方程

式中：cp为空气的定压比热，J/(kg•K)；T为空气的热力学温度，K；φ是空气的传热系数，W/(m•K)；Sh为定义的体积源，W。

（4）k湍流动能方程（k方程）

式 中：k是 湍 流 动 能，J；μ是 湍 流 黏 性 系 数，kg/(m•s-1)；μn是湍流黏度，Pa·s；σk表示k的湍流普朗特常数；Pg是平均速度梯度产生的湍流动能，J；Pb是浮力产生的湍流动能，J；ε是湍流耗散率，表达式为其中，σε表示ε的湍流普朗特常数，c1、c2是常数项。

σk、σε、c1、c2取值见表1。

表1 各系数取值Table 1 Value of each coefficient

（5）组分运输守恒方程

式中：Yi为组分i的体积百分数，%；vi为组分i的速度，m/s；Di为组分i的扩散系数，m2/s；Ri为组分i化学反应产生的源项，mol/（L·s）；Si为组分i定义的源项，kg/(m3•s)。

3 模拟状况及结果分析

模拟时，保持送风口、出风口的尺寸和位置不变，设置入口边界条件，分别为：房间初始温度25 ℃、相对湿度30%，出口边界条件为标准大气压，送风机转速为2 600 r/min，空气处理机组、房间和排风管的壁面边界条件为wall。根据表2 的不同工况，依次改变送风的速度、温度和湿度，研究送风物理属性变化对室内热湿环境的影响。

表2 A、B、C工况参数设计Table 2 Design of operating parameters A， B and C

3.1 不同送风速度对室内环境的影响

根据表2 中A1～A3 工况，在全空气空调直流式系统采用下送上回的送风方式下，保持送风温度（14 ℃）和相对湿度（40%）不变，选择空调房间模型Z=250 mm 截面和Y=2 645 mm 截面，研究入口送风速度的改变对室内环境的影响。

3.1.1 室内温度的影响

在A1～A3 工况下，Z=250 mm 截面和Y=2 645 mm 截面的温度分布如图3 所示。从图3 可以看出，新风进入空气处理机组后，经过送风机输送至房间，由于送风温度低于室内环境初始温度，送风空气密度大于室内空气密度。当风速较高时，气流在送风机高速转动的作用下，沿着送风方向不断向前流动，并向四周扩散，流动的高度也逐渐降低。气流到达房间壁面后沿着房间壁面向上流动，在房间中形成涡流，使得房间四周及中心位置底部的温度迅速降低，房间四周与中心位置的温差减大；当风速较低时，气流在送风机高速转动的作用下，沿着房间四周流动，形成涡流，使得房间四周的温度缓慢降低，房间中心位置温度较高且分布比较均匀集中，房间四周与中心位置温差较小，同时在气流到达房间壁面后不能一直沿着房间四周向上流动，从而在房间顶部出现平均温度最高的现象。

图3 A1～A3工况下不同截面的温度分布Fig. 3 Temperature distribution of different sections in operating conditions of A 1～A3

A1～A3 工况下，室内气流组织情况如图4所示。

图4 A1～A3工况下气流组织分布Fig. 4 Air distribution in operating conditions of A1～A3

3.1.2 室内湿度的影响

在A1～A3 工况下，Z=250 mm 截面和Y=2 645 mm 截面的相对湿度分布如图5 所示。从图5 可以看出：房间内部平均相对湿度随着送风速度的增加而增加，并且送风速度越快，室内相对湿度的分布越均匀；房间底部和四周受到送风机转动的影响，温度较低，相对湿度较高，即相对湿度的变化趋势和温度变化趋势相反。

图5 A1～A3工况下不同截面的相对湿度分布Fig. 5 Relative humidity distribution of different sections in operating conditions of A 1～A3

3.2 不同送风温度对室内环境的影响

3.2.1 室内温度的影响

在B1～B3 工况下，在送风速度、湿度保持不变，改变送风温度时，Z=250 mm 截面的温度分布情况如图6 所示。由图6 可知，3 种工况的温度分布情况类似，房间四周温度均低于中心位置温度。当送风温度为14 ℃时，新风与房间环境温差较大，对房间的降温效果最明显，房间内部温度在14～20 ℃之间，房间四周与中心位置温度分层十分明显；当送风温度为18 ℃时，房间内部温度在18～22 ℃之间，新风对房间的降温效果减弱，但是房间四周与中心位置的温差较大；当送风温度为22 ℃时，新风与房间初始环境的温差较小，房间内部温度在22～24 ℃左右，房间四周与中心位置的温差较小，温度分布均匀。显然，随着送风温度的不断增加，房间的制冷效果不断减弱，当送风温度接近房间初始温度时，房间四周与中心位置的温差较小，没有明显的温度分层，房间内部的制冷效果不明显。

3.2.2 室内湿度的影响

在B1～B3 工况下，在送风速度、湿度保持不变，改变送风温度时，Z=250 mm 截面的相对湿度分布情况如图7 所示。由图7 可知，由于新风相对湿度为40%，高于房间初始相对湿度30%，在送风机的作用下，新风对房间内部进行加湿，房间四周的相对湿度得到明显提升，但房间中心位置的相对湿度提升较小；随着送风温度升高，房间内部加湿效果减弱。通过数值计算，得到3 种工况下Z=250 mm 截面的平均相对湿度分别为36.2%、35.7%、35.6%。

比较图6、图7 可以发现，房间相对湿度的分布趋势与温度的分布趋势正好相反，即相对湿度越高，温度越低。

图6 B1～B3工况下Z=250 mm截面的温度分布Fig. 6 Temperature distribution at Z=250 mm section in operating conditions of B1～B3

图7 B1～B3工况下Z=250 mm截面的相对湿度分布Fig. 7 Relative humidity distribution at Z=250 mm section in operating conditions of B1～B3

3.3 不同送风湿度对室内环境的影响

3.3.1 室内温度的影响

在C1～C3工况下，送风速度、温度保持不变，改变送风湿度时，Z=250 mm 截面的温度分布情况如图8 所示。由图8 可知，不同送风相对湿度下，房间截面温度分布基本一致，房间进风口的温度最低，房间中心位置温度普遍高于周围区域，温度分层现象明显。这是由于送风相对湿度较低时，同样温度下的空气焓值更小，更容易进行房间内部的冷却，使房间内部较快地冷却到较低的温度，但是送风相对湿度的变化并没有改变房间内的温度分布趋势。

图8 C1～C3工况下Z=250 mm截面的温度分布Fig. 8 Temperature distribution at Z=250 mm section in operating conditions of C1～C3

3.3.2 室内湿度的影响

在C1～C3 工况下，在送风速度、温度保持不变，改变送风湿度时，Z=250 mm 截面的相对湿度分布情况如图9 所示。由图9 可知，不同送风相对湿度下，Z=250 mm 截面的相对湿度分布情况基本一致，房间中心位置的相对湿度普遍低于房间四周，相对湿度分层现象明显，房间进风口和角落区域的相对湿度最低；随着送风相对湿度的增大，房间平均相对湿度也相应增大，但是分布规律没有太大变化。

比较图8、图9 可以发现，图9 相对湿度场的分布趋势与图8 温度场分布趋势类似，新风主要是以受迫对流的方式和房间内部进行组分和能量交换。通过数值计算，得到C1～C3 工况下Z=250 mm 截面的平均相对湿度分别为35.6%、47.3%、58.9%。

图9 C1～C3工况下Z=250 mm截面的相对湿度分布Fig. 9 Relative humidity distribution at Z=250 mm section in operating conditions of C1～C3

4 结论

以THPZXC-1型全空气空调系统实验装置为研究对象，利用ANSYS CFX 软件对其进行数值模拟，通过改变送风速度、温度和湿度等，分析室内环境的速度场、温度场和相对湿度场的分布情况，得出以下结论：

（1）保持送风温度和湿度不变，改变送风速度，发现送风速度越快，空气流量越多，房间内的温度分布越均匀，温差越小；室内温度与湿度的变化趋势正好相反，温度越低，相对湿度越高。

（2）保持送风速度和湿度不变，改变送风温度，发现送风温度越高，室内相对湿度越低；当送风温度较低时，房间四周和中心位置温差较大，当送风温度接近室内初始温度时，室内温度分布最为均匀。

（3）保持送风速度和温度不变，改变送风湿度，发现送风湿度变化对室内温度的影响很小，但对室内相对湿度的影响十分明显，即送风湿度 越大，房间平均相对湿度越高。