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(diào)日益普及，消費(fèi)者對(duì)空調(diào)的舒適性要求也越來(lái)越高?？照{(diào)的氣流組織是影響人體舒適性及空調(diào)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素，消費(fèi)者針對(duì)空調(diào)舒適性，提出了“冷風(fēng)不吹人”及“熱風(fēng)需吹腳”的舒適性要求。傳統(tǒng)的柜式空調(diào)制冷制熱時(shí)都是由空調(diào)下部進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)[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(fēng)難以送到人的膝蓋以下位置，很難滿足人們對(duì)腳熱頭冷的熱舒適性要求，并且節(jié)能效果差。為了改善這種熱舒適性差的問(wèn)題，本文根據(jù)不同季節(jié)的氣流組織的不同需求，在保證空調(diào)整體尺寸不增加的約束條件下，創(chuàng)新性提出獨(dú)立冷暖雙氣流技術(shù)，設(shè)計(jì)上下出風(fēng)結(jié)構(gòu)可切換的柜式空調(diào)，在空調(diào)的下部增加一個(gè)下出風(fēng)口，上下風(fēng)口進(jìn)出風(fēng)方向可以根據(jù)不同季節(jié)的需求進(jìn)行模式切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷時(shí)空調(diào)下風(fēng)口回風(fēng)，上風(fēng)口送冷風(fēng)（如圖1 b)所示），夏季涼風(fēng)自上而下，形成瀑布式制冷。制熱時(shí)空調(diào)上風(fēng)口回風(fēng)，下風(fēng)口送熱風(fēng)（如圖1 c)所示），形成地毯式送風(fēng)，使整個(gè)房間溫度快速均勻分布。熱風(fēng)可直接送到人體的膝蓋以下位置，避免頭熱腳涼問(wèn)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(jié)能效果好。

圖1 不同空調(diào)進(jìn)出風(fēng)方式

1 動(dòng)態(tài)風(fēng)道新技術(shù)

為了提高柜式空調(diào)的熱舒適性，將傳統(tǒng)的單一靜態(tài)風(fēng)道更改為可切換模式的動(dòng)態(tài)風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)夏季制冷時(shí)空調(diào)上部出風(fēng)，冬季制熱時(shí)空調(diào)下部出風(fēng)，空調(diào)的進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口可以根據(jù)使用需求進(jìn)行互換。在風(fēng)道內(nèi)部增加下蝸殼板2、上蝸殼板6及旋轉(zhuǎn)蝸板10，夏季制冷工況時(shí)，下蝸殼板2和上蝸殼板6關(guān)閉，旋轉(zhuǎn)蝸板10所處位置如圖2左所示，由于離心風(fēng)葉3的負(fù)壓作用，熱空氣由下風(fēng)口1吸入，經(jīng)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)的離心風(fēng)葉3做功后，通過(guò)蝸殼5進(jìn)行氣流收集，然后流向換熱器7進(jìn)行空氣與制冷劑熱交換，換熱后冷風(fēng)通過(guò)高位上風(fēng)口8吹出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)房間空氣制冷。冬季制熱工況時(shí)，下蝸殼板2和上蝸殼板6同時(shí)開(kāi)啟，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)蝸板10旋轉(zhuǎn)180°，旋轉(zhuǎn)蝸板10切換成如圖2右所示位置，由于離心風(fēng)葉3的負(fù)壓作用，冷空氣由上風(fēng)口8吸入，然后流向換熱器7進(jìn)行空氣與制冷劑熱交換，換熱后熱空氣經(jīng)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)的離心風(fēng)葉3做功后，通過(guò)蝸殼5收集氣流后，流向低位下風(fēng)口1吹出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)房間空氣制熱。上蝸殼板6、下蝸殼板2以及旋轉(zhuǎn)蝸板10分別由三個(gè)不同的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)限于篇幅，在此不做詳細(xì)闡述。

圖2 動(dòng)態(tài)風(fēng)道示意圖

2 CFD及熱舒適性實(shí)驗(yàn)

2.1 CFD

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的新型柜式空調(diào)，與傳統(tǒng)柜式空調(diào)進(jìn)行CFD制熱模式對(duì)比模擬計(jì)算[3]，仿真模型及工況與實(shí)驗(yàn)室尺寸及工況保持一致，計(jì)算域包含墻體及空調(diào)，按照1:1尺寸進(jìn)行建模，整個(gè)三維計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)7 m×寬3 m×高2.5 m，使用多面體網(wǎng)格，采用理想氣體不可壓縮非定常設(shè)置，Realizable K-ε湍流模型，考慮重力的影響，二階迎風(fēng)差分格式，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，質(zhì)量流量入口，壓力邊界出口?？照{(diào)制熱運(yùn)行時(shí)間為60 min。

圖3為溫度場(chǎng)截面云圖，左側(cè)為傳統(tǒng)上出風(fēng)柜式空調(diào)，右側(cè)為新型柜式空調(diào)。由仿真計(jì)算結(jié)果可以明顯看出：傳統(tǒng)柜式空調(diào)由于其制熱出風(fēng)口在空調(diào)的上部，高位送風(fēng)，雖然通過(guò)導(dǎo)風(fēng)板可以將熱風(fēng)往下導(dǎo)，但距離空調(diào)2.5 m后由于熱風(fēng)密度小，氣流上揚(yáng)，使得距離空調(diào)遠(yuǎn)處地面區(qū)域無(wú)熱風(fēng)，導(dǎo)致該區(qū)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(chǎng)均勻性差，舒適性差。而新型柜式空調(diào)由于其制熱出風(fēng)口在空調(diào)下部，低位送風(fēng)，由于出風(fēng)動(dòng)能的影響，熱風(fēng)在地面附近可以吹向遠(yuǎn)端，距離在6 m以內(nèi)人體膝蓋以下位置都沒(méi)有氣流盲區(qū)，溫度更高，溫度場(chǎng)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(chǎng)對(duì)比

2.2 熱舒適性實(shí)驗(yàn)

舒適性實(shí)驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)為7 m，寬為3 m，高為2.5 m的實(shí)驗(yàn)房間進(jìn)行，柜式空調(diào)放置在寬度方向上中間處，靠著YZ墻面放置。室內(nèi)工況：干球溫度為0℃，室外工況：干球溫度-5℃；空調(diào)溫度設(shè)定為30℃，制熱能力為5800 W。

室內(nèi)溫度采用熱電偶進(jìn)行測(cè)量，熱電偶測(cè)量布置點(diǎn)為：在X方向均勻布置13個(gè)平面，在Y方向均勻布置6個(gè)平面，在Z方向均勻布置5個(gè)平面[4]。

圖4為溫度場(chǎng)截面示意圖及溫度標(biāo)尺，圖5至圖9分別為傳統(tǒng)空調(diào)和新型空調(diào)在不同截面運(yùn)行60 min的溫度場(chǎng)分布對(duì)比圖，圖10為制熱模式下送風(fēng)區(qū)域?qū)Ρ葓D（風(fēng)速大于0.2 m/s的區(qū)域），左側(cè)為傳統(tǒng)空調(diào)，右側(cè)為新型空調(diào)。云圖表明，右側(cè)新型柜式空調(diào)的溫度分布要比左側(cè)傳統(tǒng)柜式空調(diào)的溫度分布更均勻，制熱模式運(yùn)行同樣時(shí)間后新型空調(diào)的各平面的溫度都要提升2～4℃，送風(fēng)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(qū)域的溫度更高，沒(méi)有像傳統(tǒng)空調(diào)那樣出現(xiàn)明顯的低溫區(qū)域，其快速制熱效果優(yōu)勢(shì)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(xiàn)象，人體熱舒適性明顯提升。

圖4 溫度場(chǎng)截面示意圖及溫度標(biāo)尺

圖5 運(yùn)行60分鐘溫度場(chǎng)，X-Z平面，Y=1.5 m

圖9 運(yùn)行60分鐘溫度場(chǎng)，Y-Z平面，X=1.5 m

圖10中上曲線表示風(fēng)場(chǎng)上沿，下曲線表示風(fēng)場(chǎng)下沿，即兩條曲線之間的范圍為風(fēng)場(chǎng)的區(qū)域范圍。對(duì)比表明，空調(diào)制熱模式下，新型的柜式空調(diào)熱風(fēng)貼住地面吹出5 m后，由于空氣動(dòng)能減弱及熱空氣密度小，熱風(fēng)才開(kāi)始上揚(yáng)，在距離其4.5 m以內(nèi)的區(qū)域，熱風(fēng)基本吹不到人的頭部（一般人坐在凳子上時(shí)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(fēng)吹到人的頭部，該區(qū)域大部分熱風(fēng)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(xiàn)象，暖足效果特別明顯，其熱舒適性非常好。而傳統(tǒng)的柜式空調(diào)在5 m以內(nèi)，由于空調(diào)高位出風(fēng)，通過(guò)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板往下導(dǎo)流，使得風(fēng)阻增加，加上空氣粘性及熱空氣密度小的影響，熱風(fēng)導(dǎo)向地面后往前約輸送2 m后，熱風(fēng)開(kāi)始上揚(yáng)吹向人體肩部及頭部，使得3.5 m以后的地面附近沒(méi)有熱風(fēng)輸送過(guò)去，即人體膝蓋以下區(qū)域無(wú)熱風(fēng)輸送，熱風(fēng)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(xiàn)嚴(yán)重的頭熱腳涼問(wèn)題，其熱舒適性差，并且熱量上揚(yáng)遠(yuǎn)離人體，造成能量浪費(fèi)，其節(jié)能性很差。

圖6 運(yùn)行60分鐘溫度場(chǎng)，X-Y平面，Z=0.5 m

圖7 運(yùn)行60分鐘溫度場(chǎng)，X-Y平面，Z=1 m

圖8 運(yùn)行60分鐘溫度場(chǎng)，X-Y平面，Z=1.5 m

圖10 制熱模式送風(fēng)區(qū)域?qū)Ρ葓D（x-送風(fēng)距離；z-房間高度）

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的不同位置不同運(yùn)行時(shí)間的溫度采集數(shù)據(jù)，采用溫度不均勻系數(shù)對(duì)氣流組織進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，不均勻系數(shù)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(yùn)行不同時(shí)間的不均勻系數(shù)對(duì)比。數(shù)據(jù)表明，新的柜式空調(diào)的不均勻系數(shù)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(jié)能效果提升明顯。

表1 溫度不均勻系數(shù)對(duì)比

平均溫度定義：

均方根定義：

溫度不均勻系數(shù)定義[5]：

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)柜式空調(diào)舒適性差的行業(yè)瓶頸問(wèn)題，使用新的空調(diào)風(fēng)道技術(shù)，提出獨(dú)立冷暖雙氣流風(fēng)道，無(wú)需增加風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)道模式切換，提出新型獨(dú)立冷暖雙氣流技術(shù)，通過(guò)與傳統(tǒng)空調(diào)的仿真及舒適性實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出如下結(jié)論：

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

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

（3）新型送風(fēng)技術(shù)使得人體暖足效果明顯，防止了頭熱腳涼的現(xiàn)象，解決了傳統(tǒng)空調(diào)熱舒適性差的瓶頸問(wèn)題，提升了室內(nèi)空氣品質(zhì)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值及市場(chǎng)推廣前景。