新型冷暖獨立雙氣流柜式空調

鄒建煌

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著人們生活水平的提高，柜式空調日益普及，消費者對空調的舒適性要求也越來越高。空調的氣流組織是影響人體舒適性及空調節能效果的關鍵因素，消費者針對空調舒適性，提出了“冷風不吹人”及“熱風需吹腳”的舒適性要求。傳統的柜式空調制冷制熱時都是由空調下部進風，上部出風[1]（如圖1 a)所示），但由于熱空氣密度小，熱空氣上浮，其制熱舒適性較差，熱風難以送到人的膝蓋以下位置，很難滿足人們對腳熱頭冷的熱舒適性要求，并且節能效果差。為了改善這種熱舒適性差的問題，本文根據不同季節的氣流組織的不同需求，在保證空調整體尺寸不增加的約束條件下，創新性提出獨立冷暖雙氣流技術，設計上下出風結構可切換的柜式空調，在空調的下部增加一個下出風口，上下風口進出風方向可以根據不同季節的需求進行模式切換，進而實現制冷時空調下風口回風，上風口送冷風（如圖1 b)所示），夏季涼風自上而下，形成瀑布式制冷。制熱時空調上風口回風，下風口送熱風（如圖1 c)所示），形成地毯式送風，使整個房間溫度快速均勻分布。熱風可直接送到人體的膝蓋以下位置，避免頭熱腳涼問題，提高人體的熱舒適性[2]，冬天暖足效果特別明顯，有益于人體的健康，且節能效果好。

圖1 不同空調進出風方式

1 動態風道新技術

為了提高柜式空調的熱舒適性，將傳統的單一靜態風道更改為可切換模式的動態風道，實現夏季制冷時空調上部出風，冬季制熱時空調下部出風，空調的進風口及出風口可以根據使用需求進行互換。在風道內部增加下蝸殼板2、上蝸殼板6及旋轉蝸板10，夏季制冷工況時，下蝸殼板2和上蝸殼板6關閉，旋轉蝸板10所處位置如圖2左所示，由于離心風葉3的負壓作用，熱空氣由下風口1吸入，經電機4驅動的離心風葉3做功后，通過蝸殼5進行氣流收集，然后流向換熱器7進行空氣與制冷劑熱交換，換熱后冷風通過高位上風口8吹出，實現整個房間空氣制冷。冬季制熱工況時，下蝸殼板2和上蝸殼板6同時開啟，步進電機驅動旋轉蝸板10旋轉180°，旋轉蝸板10切換成如圖2右所示位置，由于離心風葉3的負壓作用，冷空氣由上風口8吸入，然后流向換熱器7進行空氣與制冷劑熱交換，換熱后熱空氣經電機4驅動的離心風葉3做功后，通過蝸殼5收集氣流后，流向低位下風口1吹出，實現整個房間空氣制熱。上蝸殼板6、下蝸殼板2以及旋轉蝸板10分別由三個不同的機構驅動，其詳細結構限于篇幅，在此不做詳細闡述。

圖2 動態風道示意圖

2 CFD及熱舒適性實驗

2.1 CFD

針對上述結構的新型柜式空調，與傳統柜式空調進行CFD制熱模式對比模擬計算[3]，仿真模型及工況與實驗室尺寸及工況保持一致，計算域包含墻體及空調，按照1:1尺寸進行建模，整個三維計算域為長7 m×寬3 m×高2.5 m，使用多面體網格，采用理想氣體不可壓縮非定常設置，Realizable K-ε湍流模型，考慮重力的影響，二階迎風差分格式，進行網格無關性驗證，質量流量入口，壓力邊界出口。空調制熱運行時間為60 min。

圖3為溫度場截面云圖，左側為傳統上出風柜式空調，右側為新型柜式空調。由仿真計算結果可以明顯看出：傳統柜式空調由于其制熱出風口在空調的上部，高位送風，雖然通過導風板可以將熱風往下導，但距離空調2.5 m后由于熱風密度小，氣流上揚，使得距離空調遠處地面區域無熱風，導致該區域的空氣溫度難以升高，特別是人體的膝蓋以下位置溫度低，整體溫度場均勻性差，舒適性差。而新型柜式空調由于其制熱出風口在空調下部，低位送風，由于出風動能的影響，熱風在地面附近可以吹向遠端，距離在6 m以內人體膝蓋以下位置都沒有氣流盲區，溫度更高，溫度場分布更加均勻，人體的高度方向溫差減小，熱舒適性很好。

圖3 CFD溫度場對比

2.2 熱舒適性實驗

舒適性實驗在一個長為7 m，寬為3 m，高為2.5 m的實驗房間進行，柜式空調放置在寬度方向上中間處，靠著YZ墻面放置。室內工況：干球溫度為0℃，室外工況：干球溫度-5℃；空調溫度設定為30℃，制熱能力為5800 W。

室內溫度采用熱電偶進行測量，熱電偶測量布置點為：在X方向均勻布置13個平面，在Y方向均勻布置6個平面，在Z方向均勻布置5個平面[4]。

圖4為溫度場截面示意圖及溫度標尺，圖5至圖9分別為傳統空調和新型空調在不同截面運行60 min的溫度場分布對比圖，圖10為制熱模式下送風區域對比圖（風速大于0.2 m/s的區域），左側為傳統空調，右側為新型空調。云圖表明，右側新型柜式空調的溫度分布要比左側傳統柜式空調的溫度分布更均勻，制熱模式運行同樣時間后新型空調的各平面的溫度都要提升2～4℃，送風溫差（最高溫度與最低溫度之差）降低1.5℃。人體膝蓋以下位置區域的溫度更高，沒有像傳統空調那樣出現明顯的低溫區域，其快速制熱效果優勢很明顯，特別是在高度方向上的垂直溫差比較小，避免了冬季頭熱腳涼的現象，人體熱舒適性明顯提升。

圖4 溫度場截面示意圖及溫度標尺

圖5 運行60分鐘溫度場，X-Z平面，Y=1.5 m

圖9 運行60分鐘溫度場，Y-Z平面，X=1.5 m

圖10中上曲線表示風場上沿，下曲線表示風場下沿，即兩條曲線之間的范圍為風場的區域范圍。對比表明，空調制熱模式下，新型的柜式空調熱風貼住地面吹出5 m后，由于空氣動能減弱及熱空氣密度小，熱風才開始上揚，在距離其4.5 m以內的區域，熱風基本吹不到人的頭部（一般人坐在凳子上時肩部高度約為1 m以上），在4.5 m到5 m之間只有微弱的熱風吹到人的頭部，該區域大部分熱風都吹向人體的肩部以下部位，這樣避免了人體頭熱腳涼的現象，暖足效果特別明顯，其熱舒適性非常好。而傳統的柜式空調在5 m以內，由于空調高位出風，通過出風口導風板往下導流，使得風阻增加，加上空氣粘性及熱空氣密度小的影響，熱風導向地面后往前約輸送2 m后，熱風開始上揚吹向人體肩部及頭部，使得3.5 m以后的地面附近沒有熱風輸送過去，即人體膝蓋以下區域無熱風輸送，熱風都吹向人體的肩部及頭部，難以輸送到人的膝蓋以下部位，出現嚴重的頭熱腳涼問題，其熱舒適性差，并且熱量上揚遠離人體，造成能量浪費，其節能性很差。

圖6 運行60分鐘溫度場，X-Y平面，Z=0.5 m

圖7 運行60分鐘溫度場，X-Y平面，Z=1 m

圖8 運行60分鐘溫度場，X-Y平面，Z=1.5 m

圖10 制熱模式送風區域對比圖（x-送風距離；z-房間高度）

2.3 實驗分析

根據實驗中實測的不同位置不同運行時間的溫度采集數據，采用溫度不均勻系數對氣流組織進行評價分析，不均勻系數越小，表明其氣流分布的均勻性越好，房間垂直溫差及水平溫差越低，舒適性就越高。表1為不同方向中間截面運行不同時間的不均勻系數對比。數據表明，新的柜式空調的不均勻系數降低了63%～73%，房間溫度在垂直方向及水平方向的溫差都明顯降低，氣流分布的均勻性得到了很大的提高，舒適性及節能效果提升明顯。

表1 溫度不均勻系數對比

平均溫度定義：

均方根定義：

溫度不均勻系數定義[5]：

3 結論

針對傳統柜式空調舒適性差的行業瓶頸問題，使用新的空調風道技術，提出獨立冷暖雙氣流風道，無需增加風機，通過風道模式切換，提出新型獨立冷暖雙氣流技術，通過與傳統空調的仿真及舒適性實驗對比，得出如下結論：

（1）冷暖雙氣流送風模式能將熱風均勻地送至整個房間，能提高溫度分布均勻性，使熱風送到人的膝蓋以下位置，避免了熱風吹向人的頭部造成不適，快速提升空調制熱效果，提高空調的熱舒適性，大幅降低人體活動區域垂直溫差及水平溫差。

（2）新型柜式空調相較于傳統空調，房間各平面的溫度都要提升2～4℃，送風溫差降低1.5℃，均勻性明顯提高約70%。

（3）新型送風技術使得人體暖足效果明顯，防止了頭熱腳涼的現象，解決了傳統空調熱舒適性差的瓶頸問題，提升了室內空氣品質，具有很好的應用價值及市場推廣前景。