空调器位置对室内气流组织影响的研究★

赵雯涵，侯瑞杰，王雨非，宋永兴，张林华

(山东建筑大学热能工程学院,山东 济南 250101)

随着家用空调器的迅速普及,人们对于空调器的舒适性与节能性等指标的关注度也大幅提高。空调房间内的气流组织是影响人体舒适性的重要因素。良好的室内气流组织形式能够创造良好的室内环境,有效提升人体舒适感,同时能在一定程度上达到节能的目的[1-2]。

近年来,数值模拟技术飞速发展,实用性和精度都大大提高,已成为设计上有效、现实的技术手段,有许多研究人员利用该技术针对室内气流组织展开研究[3]。M. Bojic等[4]对放置床和橱柜的居民卧室内气流组织进行模拟,分析了窗式空调器处于三种不同安装位置情况下的人体热舒适性等,最终得出对人体最有利的安装位置;何博等[5]对冬季制热工况下某空调房间内的气流组织和热环境进行数值模拟,通过分析人体模型附近的速度场、温度场、热舒适性等,将导风板角度优化调整为28°,使舒适性明显提升;赵福云等[6]以典型高校宿舍为例研究物种工况下送、回风口相对位置和送风速度对人体热舒适性、室内二氧化碳浓度分布及通风效果的影响,研究发现置换通风在污染物的去除和能量利用方面非常有效,且当室内送、回风口高差适宜时增大送风速度可实现送入气流的充分利用;于冬冬[7]对制热和制冷工况下空调室内机导风板处于不同角度时的室内气流组织进行模拟,分析室内温度场、速度场和PMV值分布等热舒适性参数,确定导风板的最佳角度;朱尚斌等[8]以夏季空调教室内热舒适为目标进行研究,讨论两台空调器布置相对位置的最佳方案,研究结果表明,两台空调联合运行下对角布置形式更优,此时当空调摆放角度在30°左右时室内大部分区域PMV在-0.3～0.5之间;对丁伟翔等[9]针对某大型超市冬夏季室内空调工况下的气流组织进行模拟,通过分析空调送风在是内形成的温度场和速度场,为该超市空调设计系统的合理性及室内人员的舒适性提供参考。

本文对制冷工况下某实验空调房间内的气流组织进行数值模拟。在房间热负荷及送风参数不变的条件下,改变房间空调器摆放方式,分析典型截面速度场与温度场,为室内空调器摆放方式提供参考。

1 数学和物理模型

1.1 模型简化

本文采用标准k-ε双方程模型(Jones & Launder,1972)对房间的气流组织进行模拟,包括连续性方程、能量守恒方程及k-ε方程[10]。为简化问题,可作如下假设:

1)室内气体低速流动,可视为不可压缩流体且符合Boussinesq假设[11]。

2)室内气体的流动形式为湍流。

3)室内气体在围护结构壁面上满足无滑移边界条件。

4)忽略太阳辐射及室内物体间辐射影响,认为室内空气为辐射透明介质。

1.2 控制方程

根据上述假设,房间室内空气流动方程可写成如下形式:

1)连续性方程。

(1)

其中,ui为速度矢量,m/s。

2)能量守恒方程。

(2)

1.3 湍流模型

目前暖通空调领域广泛应用的湍流模型为标准k-ε双方程模型。对于房间内空气流动可视为稳态湍流的情况,标准k-ε双方程模型相较于其他模型稳定性和计算精度更高。湍流动能k方程如式(3)所示:

(3)

湍流动能耗散率ε方程如式(4)所示:

(4)

其中,ρ为密度,kg/m3;ui为速度,m/s;μ为动力黏度,N·s/m2;v为运动黏度,m2/s;k为湍动能;ε为耗散率;对于标准k-ε模型,有C1ε=1.44,C2ε=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

2 建立物理模型及网格划分

本文对空调房间内的气流组织和热环境进行数值模拟,将空调房间简化成一个4 m×4 m×3.3 m的立方体,将房间空调器简化为400 mm×400 mm×1 500 mm的立方体,分别进行三维建模。忽略空调房间内的其他设备,不考虑门窗开启的影响。图1为房间空调器摆放位置。立式房间空调器的进风口在下部,内置风机在中部,出风口在上部,使其中心轴线与左侧墙壁平行放置,如图1(a)所示。改变房间空调器摆放方式,其中心轴线与左侧墙壁成45°夹角放置,如图1(b)所示。

利用Gambit软件对模型进行网格划分。在进行网格划分时,由于房间空调器的盘管、送风口等区域温度场和流场复杂,对其进行网格加密处理,以提高模拟计算精度。分别改变各部分网格直径以进行网格无关性验证。针对不同的网格量模型,分别对房间内某点(3.8 m,3.8 m,3 m)的温度进行监测,监测点温度与网格量之间的关系如图2所示。

可见,网格模型6与网格模型7计算结果基本相同,此时网格数量的增加不再影响计算精度。而网格模型6网格量少、计算量小,故选取网格模型6为最终计算模型。网格划分模型如图3所示。

3 设置边界条件

房间空调器的风机出口边界条件设置为自然出流,入口边界条件为速度入口,风速设置为4.17 m/s。空调器的盘管采用定温边界条件,温度设置为7 ℃。房间的天花板、墙体、地板、空调壁面等视为非滑移壁面,忽略其材质影响,设置为绝热边界。

4 仿真结果分析

针对房间空调器的两种摆放位置,利用CFD软件分别对其制冷工况进行模拟计算。计算时,对房间内的气流组织薄弱区域进行温度监测。计算完成后,分别截取竖直切面和水平切面的速度云图、温度云图,进行对比分析。

4.1 速度场分析

空调房间室内的环境风速是影响人体舒适性的重要因素之一,风速过高或过低均会让人产生不适感。风速过高会产生较强的吹风感,风速过低会令人产生沉闷感,故需要将风速控制在合理范围内。根据现行的国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[12],在供冷工况下,人员长期逗留区域空调室内风速宜为0.3 m/s,短期逗留区域供冷工况风速不宜大于0.5 m/s。在房间空调器的两种摆放方式下,空调运行15 min时速度云图如图4所示,图4中包含房间空调器的中轴面切面。

从图4中可以看出,室内气流趋于稳定,对于两种不同的房间空调器摆放方式,送风射流的轴心速度均随射程增大而逐渐减小,射流断面逐渐扩大。在正对送风射流区域,空气流速较高,且大于0.3 m/s,不满足夏季舒适性空调室内流速不应大于0.3 m/s的规定;工作区空气流速较低,符合人体热舒适性的要求。

在房间空调器的两种摆放方式下,空调运行1 min时的速度矢量图如图5,图6所示,分别取高度为0.6 m,1.1 m,1.6 m。

根据速度矢量方向可绘制出两种摆放方式时空调器的送风区域,用黑色虚线表示。当空调器与墙壁平行放置时,在三个水平剖面图可以看出,在整个剖面区域,存在的流场旋涡比较多,此时室内气流相对混乱,舒适性较低。当空调器与墙壁成45°放置时,在三个水平剖面图可以看出,在整个剖面区域,大部分的空间速度的旋涡比较少,只是在房间空调摆放位置的对角处存在的流场旋涡比较多,此时室内工作区域的流场分布相对均匀,气流比较稳定,房间内部整体舒适性较高。

4.2 温度场分析

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,在供冷工况下,人员长期逗留区域空调室内温度宜为24 ℃～28 ℃。模拟计算时,空调房间温度设定为27 ℃。在房间空调器的两种摆放方式下,空调运行1 min时的温度云图如图7所示,图中包含房间空调器的中轴面切面。从图7中可以看出,对于两种摆放方式,送风射流区域的温度场相似,温度较低,射流区域降温效果显著。

为了优化空调房间气流组织,对气流组织薄弱区域进行温度监测。选取的监测点(3.8 m,3.8 m,3 m)温度变化曲线如图8所示。从图8中可以看出,监测点温度下降迅速,约10 min后降至299.8 K并保持稳定。在房间空调器的两种摆放方式下,监测点温度达到稳定时所用时间不同。当房间空调器与墙壁成45°放置时,降温用时更短,温度波动较小。

在房间空调器的两种摆放方式下,分别取高度为0.6 m,1.1 m,1.6 m的截面,计算5 min内各截面平均温度。由计算结果,当空调器与墙壁平行放置时,其截面平均温度均高于45°放置。二者差值由图9所示。在前1 min内,各截面平均温度相差最大,随后温差逐渐减小,但仍为正值。这说明当空调与墙壁成45°放置时,房间整体降温速度更快。

在房间空调器的两种摆放方式下,空调运行1 min时的温度云图如图10,图11所示,分别取高度为0.6 m,1.1 m,1.6 m。从图中可以看出,当房间空调器与墙壁成45°放置时,房间的降温效果优于平行放置,这是因为45°角度放置时,送风射流沿对角线方向,射程长,扩散区域大,整体降温显著,可以快速达到夏季工况室内温度要求。

由前述分析可知,房间空调器的送风角度均可视为90°。在此送风区域内,温度可快速达到设定值。因此,在相同制冷工况下,最大化利用送风区域才能使空调器降温效果最佳。当房间空调器与墙壁平行放置时,房间后部存在送风死角区域,无法直接送风,需依靠空气自然循环降温,存在时间延迟。且相较于其余直接送风区域,自然循环空气温度升高,降温能力变弱。当房间空调器与墙壁成45°放置时,房间中死角区域面积小,且非人员活动区域,即可认为房间内无死角,均可通过直接送风进行降温,降温效果更好。

在两种摆放方式下,分别取高度为0.1 m,0.6 m,1.1 m,1.6 m,2.1 m,2.6 m的截面,计算5 min内各截面温度标准差,计算结果如图12所示。在前0.5 min内,当房间空调器与墙壁成45°放置时,各截面上温度标准差较大。在0.5 min后,当房间空调器与墙壁平行放置时,其各截面上温度标准差较大,温度分布较为不均。这是因为45°放置时,房间空调器的送风覆盖角度与房间围护结构所成角度基本相同,空气射流得到充分扩散,使水平面上降温更加均匀,舒适性较好。

5 结论

对某房间制冷工况下室内气流组织进行模拟计算。通过改变房间空调器摆放方式,对比分析人员主要活动区域的速度场、温度场,得出以下结论:1)对于两种摆放方式,通过分析房间内速度场和温度场分布可知,房间空调器的送风覆盖角度相同,约为90°,但是当房间空调器与墙壁平行放置时,室内速度场的旋涡更多,流场不均匀性更强。2)在室内空气到达稳定前,当房间空调器与墙壁成45°放置时,各高度截面平均温度均低于平行放置,截面平均温差随时间逐渐减小为零。即当空调与墙壁成45°放置时,房间整体降温速度更快、温度均匀性更好。3)当房间空调器与墙壁成45°放置时,房间空调器送风覆盖角度与房间围护结构所成角度基本相同,可认为房间内不存在送风死角,均可通过直接送风进行降温。此时送风射流沿房间对角线方向,射程长,扩散区域大,水平面上温度分布更加均匀,舒适性较好。