空調器位置對室內氣流組織影響的研究★

趙雯涵，侯瑞杰，王雨非，宋永興，張林華

(山東建筑大學熱能工程學院,山東 濟南 250101)

隨著家用空調器的迅速普及,人們對于空調器的舒適性與節能性等指標的關注度也大幅提高。空調房間內的氣流組織是影響人體舒適性的重要因素。良好的室內氣流組織形式能夠創造良好的室內環境,有效提升人體舒適感,同時能在一定程度上達到節能的目的[1-2]。

近年來,數值模擬技術飛速發展,實用性和精度都大大提高,已成為設計上有效、現實的技術手段,有許多研究人員利用該技術針對室內氣流組織展開研究[3]。M. Bojic等[4]對放置床和櫥柜的居民臥室內氣流組織進行模擬,分析了窗式空調器處于三種不同安裝位置情況下的人體熱舒適性等,最終得出對人體最有利的安裝位置;何博等[5]對冬季制熱工況下某空調房間內的氣流組織和熱環境進行數值模擬,通過分析人體模型附近的速度場、溫度場、熱舒適性等,將導風板角度優化調整為28°,使舒適性明顯提升;趙福云等[6]以典型高校宿舍為例研究物種工況下送、回風口相對位置和送風速度對人體熱舒適性、室內二氧化碳濃度分布及通風效果的影響,研究發現置換通風在污染物的去除和能量利用方面非常有效,且當室內送、回風口高差適宜時增大送風速度可實現送入氣流的充分利用;于冬冬[7]對制熱和制冷工況下空調室內機導風板處于不同角度時的室內氣流組織進行模擬,分析室內溫度場、速度場和PMV值分布等熱舒適性參數,確定導風板的最佳角度;朱尚斌等[8]以夏季空調教室內熱舒適為目標進行研究,討論兩臺空調器布置相對位置的最佳方案,研究結果表明,兩臺空調聯合運行下對角布置形式更優,此時當空調擺放角度在30°左右時室內大部分區域PMV在-0.3～0.5之間;對丁偉翔等[9]針對某大型超市冬夏季室內空調工況下的氣流組織進行模擬,通過分析空調送風在是內形成的溫度場和速度場,為該超市空調設計系統的合理性及室內人員的舒適性提供參考。

本文對制冷工況下某實驗空調房間內的氣流組織進行數值模擬。在房間熱負荷及送風參數不變的條件下,改變房間空調器擺放方式,分析典型截面速度場與溫度場,為室內空調器擺放方式提供參考。

1 數學和物理模型

1.1 模型簡化

本文采用標準k-ε雙方程模型(Jones & Launder,1972)對房間的氣流組織進行模擬,包括連續性方程、能量守恒方程及k-ε方程[10]。為簡化問題,可作如下假設:

1)室內氣體低速流動,可視為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設[11]。

2)室內氣體的流動形式為湍流。

3)室內氣體在圍護結構壁面上滿足無滑移邊界條件。

4)忽略太陽輻射及室內物體間輻射影響,認為室內空氣為輻射透明介質。

1.2 控制方程

根據上述假設,房間室內空氣流動方程可寫成如下形式:

1)連續性方程。

(1)

其中,ui為速度矢量,m/s。

2)能量守恒方程。

(2)

1.3 湍流模型

目前暖通空調領域廣泛應用的湍流模型為標準k-ε雙方程模型。對于房間內空氣流動可視為穩態湍流的情況,標準k-ε雙方程模型相較于其他模型穩定性和計算精度更高。湍流動能k方程如式(3)所示:

(3)

湍流動能耗散率ε方程如式(4)所示:

(4)

其中,ρ為密度,kg/m3;ui為速度,m/s;μ為動力黏度,N·s/m2;v為運動黏度,m2/s;k為湍動能;ε為耗散率;對于標準k-ε模型,有C1ε=1.44,C2ε=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

2 建立物理模型及網格劃分

本文對空調房間內的氣流組織和熱環境進行數值模擬,將空調房間簡化成一個4 m×4 m×3.3 m的立方體,將房間空調器簡化為400 mm×400 mm×1 500 mm的立方體,分別進行三維建模。忽略空調房間內的其他設備,不考慮門窗開啟的影響。圖1為房間空調器擺放位置。立式房間空調器的進風口在下部,內置風機在中部,出風口在上部,使其中心軸線與左側墻壁平行放置,如圖1(a)所示。改變房間空調器擺放方式,其中心軸線與左側墻壁成45°夾角放置,如圖1(b)所示。

利用Gambit軟件對模型進行網格劃分。在進行網格劃分時,由于房間空調器的盤管、送風口等區域溫度場和流場復雜,對其進行網格加密處理,以提高模擬計算精度。分別改變各部分網格直徑以進行網格無關性驗證。針對不同的網格量模型,分別對房間內某點(3.8 m,3.8 m,3 m)的溫度進行監測,監測點溫度與網格量之間的關系如圖2所示。

可見,網格模型6與網格模型7計算結果基本相同,此時網格數量的增加不再影響計算精度。而網格模型6網格量少、計算量小,故選取網格模型6為最終計算模型。網格劃分模型如圖3所示。

3 設置邊界條件

房間空調器的風機出口邊界條件設置為自然出流,入口邊界條件為速度入口,風速設置為4.17 m/s。空調器的盤管采用定溫邊界條件,溫度設置為7 ℃。房間的天花板、墻體、地板、空調壁面等視為非滑移壁面,忽略其材質影響,設置為絕熱邊界。

4 仿真結果分析

針對房間空調器的兩種擺放位置,利用CFD軟件分別對其制冷工況進行模擬計算。計算時,對房間內的氣流組織薄弱區域進行溫度監測。計算完成后,分別截取豎直切面和水平切面的速度云圖、溫度云圖,進行對比分析。

4.1 速度場分析

空調房間室內的環境風速是影響人體舒適性的重要因素之一,風速過高或過低均會讓人產生不適感。風速過高會產生較強的吹風感,風速過低會令人產生沉悶感,故需要將風速控制在合理范圍內。根據現行的國家標準《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[12],在供冷工況下,人員長期逗留區域空調室內風速宜為0.3 m/s,短期逗留區域供冷工況風速不宜大于0.5 m/s。在房間空調器的兩種擺放方式下,空調運行15 min時速度云圖如圖4所示,圖4中包含房間空調器的中軸面切面。

從圖4中可以看出,室內氣流趨于穩定,對于兩種不同的房間空調器擺放方式,送風射流的軸心速度均隨射程增大而逐漸減小,射流斷面逐漸擴大。在正對送風射流區域,空氣流速較高,且大于0.3 m/s,不滿足夏季舒適性空調室內流速不應大于0.3 m/s的規定;工作區空氣流速較低,符合人體熱舒適性的要求。

在房間空調器的兩種擺放方式下,空調運行1 min時的速度矢量圖如圖5,圖6所示,分別取高度為0.6 m,1.1 m,1.6 m。

根據速度矢量方向可繪制出兩種擺放方式時空調器的送風區域,用黑色虛線表示。當空調器與墻壁平行放置時,在三個水平剖面圖可以看出,在整個剖面區域,存在的流場旋渦比較多,此時室內氣流相對混亂,舒適性較低。當空調器與墻壁成45°放置時,在三個水平剖面圖可以看出,在整個剖面區域,大部分的空間速度的旋渦比較少,只是在房間空調擺放位置的對角處存在的流場旋渦比較多,此時室內工作區域的流場分布相對均勻,氣流比較穩定,房間內部整體舒適性較高。

4.2 溫度場分析

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》,在供冷工況下,人員長期逗留區域空調室內溫度宜為24 ℃～28 ℃。模擬計算時,空調房間溫度設定為27 ℃。在房間空調器的兩種擺放方式下,空調運行1 min時的溫度云圖如圖7所示,圖中包含房間空調器的中軸面切面。從圖7中可以看出,對于兩種擺放方式,送風射流區域的溫度場相似,溫度較低,射流區域降溫效果顯著。

為了優化空調房間氣流組織,對氣流組織薄弱區域進行溫度監測。選取的監測點(3.8 m,3.8 m,3 m)溫度變化曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,監測點溫度下降迅速,約10 min后降至299.8 K并保持穩定。在房間空調器的兩種擺放方式下,監測點溫度達到穩定時所用時間不同。當房間空調器與墻壁成45°放置時,降溫用時更短,溫度波動較小。

在房間空調器的兩種擺放方式下,分別取高度為0.6 m,1.1 m,1.6 m的截面,計算5 min內各截面平均溫度。由計算結果,當空調器與墻壁平行放置時,其截面平均溫度均高于45°放置。二者差值由圖9所示。在前1 min內,各截面平均溫度相差最大,隨后溫差逐漸減小,但仍為正值。這說明當空調與墻壁成45°放置時,房間整體降溫速度更快。

在房間空調器的兩種擺放方式下,空調運行1 min時的溫度云圖如圖10,圖11所示,分別取高度為0.6 m,1.1 m,1.6 m。從圖中可以看出,當房間空調器與墻壁成45°放置時,房間的降溫效果優于平行放置,這是因為45°角度放置時,送風射流沿對角線方向,射程長,擴散區域大,整體降溫顯著,可以快速達到夏季工況室內溫度要求。

由前述分析可知,房間空調器的送風角度均可視為90°。在此送風區域內,溫度可快速達到設定值。因此,在相同制冷工況下,最大化利用送風區域才能使空調器降溫效果最佳。當房間空調器與墻壁平行放置時,房間后部存在送風死角區域,無法直接送風,需依靠空氣自然循環降溫,存在時間延遲。且相較于其余直接送風區域,自然循環空氣溫度升高,降溫能力變弱。當房間空調器與墻壁成45°放置時,房間中死角區域面積小,且非人員活動區域,即可認為房間內無死角,均可通過直接送風進行降溫,降溫效果更好。

在兩種擺放方式下,分別取高度為0.1 m,0.6 m,1.1 m,1.6 m,2.1 m,2.6 m的截面,計算5 min內各截面溫度標準差,計算結果如圖12所示。在前0.5 min內,當房間空調器與墻壁成45°放置時,各截面上溫度標準差較大。在0.5 min后,當房間空調器與墻壁平行放置時,其各截面上溫度標準差較大,溫度分布較為不均。這是因為45°放置時,房間空調器的送風覆蓋角度與房間圍護結構所成角度基本相同,空氣射流得到充分擴散,使水平面上降溫更加均勻,舒適性較好。

5 結論

對某房間制冷工況下室內氣流組織進行模擬計算。通過改變房間空調器擺放方式,對比分析人員主要活動區域的速度場、溫度場,得出以下結論:1)對于兩種擺放方式,通過分析房間內速度場和溫度場分布可知,房間空調器的送風覆蓋角度相同,約為90°,但是當房間空調器與墻壁平行放置時,室內速度場的旋渦更多,流場不均勻性更強。2)在室內空氣到達穩定前,當房間空調器與墻壁成45°放置時,各高度截面平均溫度均低于平行放置,截面平均溫差隨時間逐漸減小為零。即當空調與墻壁成45°放置時,房間整體降溫速度更快、溫度均勻性更好。3)當房間空調器與墻壁成45°放置時,房間空調器送風覆蓋角度與房間圍護結構所成角度基本相同,可認為房間內不存在送風死角,均可通過直接送風進行降溫。此時送風射流沿房間對角線方向,射程長,擴散區域大,水平面上溫度分布更加均勻,舒適性較好。