空調安裝位置與送風角對室內換熱影響的數值模擬研究

張知宇，薛 冰，孔祥領，孔德旻

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013；2.解放軍96630部隊，北京 102206；3.中國石油技術開發(fā)公司，北京 100009；4.山東省天地建設顧問有限公司，山東濟南 250013）

1 前言

從我國的能源消費途徑來看，建筑能耗約占總能耗的30%以上，而其中約60%以上的能量被用于對建筑內部進行通風、制冷和供暖等［1］。因此，降低建筑物空調系統的能耗對于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義。

隨著中國經濟的高速發(fā)展，以及家電下鄉(xiāng)等政策的推動，農村地區(qū)的家用空調的普及率顯著提高。因此，研究農村地區(qū)空調的運行方式對制冷效果的影響具有重要的意義。目前已有一些針對建筑物內部空調運行的數值模擬研究，但主要研究對象為宿舍、酒店和辦公室等場所［2～7］。本文對北方農村地區(qū)的典型民居內的夏季空調運行進行數值模擬研究和分析，為今后空調的安裝和節(jié)能運行提供參考。

2 數值計算模型

2.1 物理模型

為了使數值模擬能夠盡量準確地反映實際情況，本文調研了目前山東、河北和遼寧等北方農村地區(qū)的房屋結構。本文所模擬的對象為一座典型的3間平房結構，其中東、西兩側為臥室，中間為廚房和門廳，如圖 1所示。目前很多農村居民家庭出于節(jié)省安裝成本和節(jié)能的考慮，通常情況下一個家庭只安裝一臺空調機，門廳和廚房除用餐時間外較少使用，因此空調機一般安裝于其中一間臥室內，本文以空調機安裝在西臥室為例。房間的高度均為2.86 m，臥室的面積為5.20 m×3.48 m，門廳的面積為2.11 m× 3.36 m，廚房的面積為1.59 m×3.36 m，墻壁的厚度均為 0.24 m。

圖1 幾何模型示意

空調機簡化成尺寸為0.84 m×0.16 m×0.28 m的長方體，安裝高度為2.27 m?？照{機的送風口設置在空調機前面板下方，尺寸為0.74 m×0.09 m，進風口位于空調機頂部，尺寸為0.74 m×0.10 m。定義空調機送風方向與水平方向的夾角θ為送風角，如圖2所示。

圖2 空調機送風角示意

本文采用ICEM創(chuàng)建幾何模型并劃分網格，為了提高計算的穩(wěn)定性并降低網格總數，整個模型全部采用結構化網格。為了驗證模擬結果的網格無關性，本文采用了單元總數分別為85萬、110萬和135萬的3套網格。計算結果表明，進一步增加網格數量對計算結果的影響不大。本文采用單元總數為135萬的網格進行計算。

2.2 模擬設置

室內空氣滿足Boussinesq假設，其流場和溫度場的獲得需要通過求解連續(xù)性方程、N-S方程和能量方程實現。此外，由于空調機出口處氣流的Reynolds數相對較高，需要選用合適的湍流模型來進行模擬。本文采用標準的k-ε模型，并采用標準壁面函數。使用標準的k-ε模型要求y+＜200，因此模擬中網格的劃分也嚴格按照該標準執(zhí)行。以空調機安裝在西臥室西側墻壁上的情況為例，當送風角為45°時，西側壁面上的y+值如圖3所示，從圖中可見，壁面處的y+均滿足使用標準壁面函數的要求，即說明近壁處的網格劃分合理。

圖3 西臥室西側壁面y+分布

模擬使用Fluent 14.5軟件實現，在采用Intel Xeon E5-2643 16核處理器的高性能計算機上進行計算。經過測試發(fā)現，每個算例使用8核并行、同時進行2個算例的計算時，計算效率最高。模擬采用瞬態(tài)、基于壓力的求解器，動量和能量方程中的對流項使用二階迎風差分格式。壓力速度耦合采用SIMPLE算法。設置環(huán)境溫度為30 ℃，壓力為 1.01×105Pa，重力沿 y軸負方向。

空調機的送風口設置為速度入口，空氣流速為2.6 m/s，溫度為18 ℃，流動方向根據不同的送風角分別確定。房間壁面采用恒壁溫條件，設置為30 ℃。

3 結果與討論

3.1 空調機安裝位置的影響

因為臥室為南北通透的結構，因此空調機一般安裝在臥室的東、西兩側墻壁上。在本文的研究中，空調機位于西臥室，其具體安裝位置將對整個房屋內的流場和溫度場將產生重要影響。當空調機安裝在東側墻壁時，取yoz切面（即x=0的平面），如圖 4所示。

圖4 yoz切面示意（空調機安裝在東側墻壁）

由于安裝在東側墻壁上，空調機的送風口背向臥室門，吹入房間的冷空氣將首先穿過房間，并撞擊西側墻壁后改變流動方向，反射的空氣和送風口吹出的空氣相互作用在房間內形成渦，如圖 5所示。此時，西臥室內溫度較低的空氣只能以很低的速度從高度較低的區(qū)域流入門廳。西臥室與門廳之間的熱交換主要依靠兩側溫度不均空氣的自然對流實現，所以門廳及東臥室的降溫速度緩慢。

圖5 空調機安裝在東側墻壁時yoz平面上的速度矢量

將空調機安裝在西側墻壁的情形如圖1所示。類似地，取yoz切面觀察其中空氣流動的速度矢量，如圖6所示。此時，空調機的送風口面向臥室門，其吹出的部分冷空氣可以直接穿過房間到達臥室門。從圖6可見，臥室門下半部分的空氣是由臥室流向門廳的，且流速較高，因此西臥室和門廳之間的熱交換主要通過強制對流實現，從而使得門廳的降溫速度加快。

圖6 空調機安裝在西側墻壁時yoz平面上的速度矢量

為了定量的比較不同的空調機安裝位置對各個房間降溫情況的影響，統計了高度H為1.5 m的平面上平均溫度隨時間的變化情況，如圖 7所示。當空調機安裝在西側墻壁時，由于西臥室和門廳之間顯著的強制對流，門廳內的溫度降低速度和幅度都遠大于空調機安裝在東側墻壁的情況；進一步使得門廳和東臥室之間的對流加強，從而東臥室的降溫幅度也較大。而對于西臥室，由于空調機安裝在東側墻壁時，送風口背向臥室門，不利于冷空氣向門廳流動，因此導致西臥室內的降溫速度較快，但最終溫度與空調機安裝在西側墻壁時相差不大。

圖7 房間平均溫度的變化（H=1.5 m）

上述結果表明，當僅需為西臥室降溫時，可以將空調機安裝在東側壁面，但是其相對于安裝在西側壁面的情況優(yōu)勢不明顯。而且如果僅需對西臥室制冷，那么無論何種情形都可以通過關閉臥室門的方式來提高降溫速度。而當需要對整個房屋進行降溫，那么將空調機安裝在西側墻壁（送風口面向臥室門）就具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 送風角的影響

在將空調機安裝在西側墻壁的情況下，設置不同的送風角度對于室內空氣溫度和流動情況的影響需要進一步研究，以確定合理的送風角，從而達到更好的降溫效果。因此，本文分別設定送風角θ為30°、45°和60°等進行模擬計算。

開機時間為60 min，送風角θ=30°時，空調機中央剖面（x=1.15 m）上的氣流速度矢量如圖 8所示。由于送風角較小，所以出風口吹出的大部分氣流沒有觸及地面就到達了房間對側，即臥室門所在的一側，因此西臥室與門廳之間的空氣流動比較強烈。

圖 8 x=1.15 m，t=60 min，θ=30°時氣流速度矢量

而當送風角θ=60°時，過空調機中央剖面上的氣流速度矢量如圖9所示。此時送風角度大導致出風口吹出的氣流在達到房間對側之前就沖擊地面，從而導致流速的下降，不利于西臥室與門廳之間的對流。

圖 9 x=1.15 m，t=60 min，θ=60°時氣流速度矢量

圖10 給出了送風角為30°和60°時，空調機中央剖面上的溫度云圖，從圖中可見，送風角為30°時，同一時刻3個房間內的溫度均低于送風角為60°時的溫度。

圖 10 x=1.15 m，t=60 min 溫度云圖

為了進一步定量比較不同送風角對房屋內溫度變化的影響，統計了高度為0.9 m和1.5 m的2個平面上各個房間內的平均溫度隨時間變化的情況，如圖11所示。從圖11可見，隨著送風角的減小，3個房間內的降溫速度均加快。采用30°和45°的送風角明顯優(yōu)于采用60°送風角的情況，這是由于送風角較小時，冷空氣能夠在不觸及地面的情況下到達房間對側，從而穿過臥室門與門廳內的空氣進行對流換熱。上述計算結果表明，在本文討論的送風角范圍（30°～60°）內，實際空調機的運行過程中，應該減小送風角以達到快速降溫的目的。

圖11 房間內不同高度平面上溫度的變化

4 結語

本文針對北方農村地區(qū)的一棟典型3間式住房內安裝一臺壁掛式空調機的情況，利用數值模擬的方法分析了空調機不同安裝位置和不同送風角度對室內流動和溫度變化的影響。模擬結果表明，當僅為一個房間降溫時，應該將空氣安裝在與臥室門同側的墻壁上，以使送風口背向臥室門。而依據目前北方農村地區(qū)的實際情況，往往一棟住房內僅安裝一臺空調，那么需要考慮使用一臺空調機降低整棟房屋內的溫度，此時，模擬結果表明應該將空調機安裝在與臥室門相對的墻壁上，以使送風口面向臥室門，從而加強對流換熱。模擬結果還表明，空調機運行時的送風角對室內的空氣流動和換熱有著重要影響。在本文研究的送風角范圍（30°～60°）內，送風角越小，越有利于房屋內的對流換熱，從而能夠更快更好地達到降溫的目的。

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