空调送风温度对室内舒适性的影响分析
2014-08-30李林金梧凤李惠
李林 金梧凤 李惠
摘要：指出了在空调制热运行时，从开机到室内到达舒适的温度需要较长的时间，而且稳定后垂直方向热力分层现象比较严重，人体极不舒适。针对以上这种现象，利用Fluent软件模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内温度场的变化情况，并分析了人体活动范围1.8m以下的温度随时间的变化情况以及热力分层现象。
关键词：时间；送风温度；热力分层现象
中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02027403
1引言
在国民经济快速发展的现代社会中，人们日益增长的物质文化水平，使得人们对生存环境的舒适度提出了更高的要求，但是能源问题的出现，尤其是近年来电能的紧缺，使人们在追求舒适的室内环境的同时，也更加关注和重视设备的节能环保。随之对创造室内环境的空调系统及其附属设备的要求越来越高。而建筑设备想要节约能源空调系统本身特性的优化研发非常重要，但是建筑空调设备的使用方法是否合理也是值得足够重视的。
目前，国内很多单位或个人对空调室内机送风方式等问题进行了模拟或实验研究。然而大多数的研究都是针对空调的送风方式对室内热环境与气流组织的影响，由于一般室内机从开始到达舒适的室内温度需要较长的时间，对于如何优化送风参数以缩短空调运行时间并减少热力分层现象以尽快达到整个房间舒适性方面的研究很少。
本文应用Fluent软件模拟分析了空调机制热运行时几种不同的送风温度下室内温度随时间变化的情况及垂直高度分层现象对人体舒适性的影响。为提高人生活区域的舒适性以及分体空调的控制和系统的优化发展有着实际的理论和现实意义。同时也为非采暖地区冬季热泵空调制热运行方案的优化提供一定的技术支持。
2物理模型
本文以一个长×宽×高约为5.10m×2.94m×3.13m的房间作为研究对象，壁挂式的室内热风机作为物理模型。房间的北外墙上距地面0.93m，距西墙0.3m，距东墙0.2m的高度上有1.7m×2.44m塑钢外窗；在距离北外墙1.3m，距离地面2.4m的西墙上安装了1台热风机。距离北外墙5.1m的南墙上有1扇宽×高为0.98m×2.00m的门。空调器的回风口等效简化成为1个0.21m×0.885m的长方形风口，同样，送风口简化等效成0.785m×0.123m的长方形风口，具体参数如表1所示。房间及各结构的示意图如图1所示。
由于出风口的温度与环境温度有关是可变数，现在家用空调有关进风口与出风口温差标准没有一个确切的说法，不同牌子，不同型号，不同匹数，不同气温下的各不一样，一般进出口温差大于8℃，而有的空调带有电加热 出风口会更高些，本次模拟设置回风温度由实验测试得到。根据《采暖通风与空气调节设计规范》民用建筑的主要房间宜采用16～24℃，本文室内设计温度取22℃。空调送风温度先研究22℃、26℃、30℃、35℃、40℃共5种典型的温度。
3.1模拟工况
本文采用的室外平均温度为3℃，空调房间的初始温度取6℃，模拟内容主要是：模拟送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，室内的温度分布随时间的变化。
3.2数值模型
室内空调机在运行过程中为三维、不可压缩、非稳态、湍流的物理过程，采用κ-ε模型，考虑重力的影响，同时为了使问题得到简化，本文将对要建立的数学模型做以下几点假设。
（1）忽略经过玻璃的太阳辐射得热以及内部辐射热的影响；
（2）室内的空气物性为不可压缩、密度是仅受温度影响的变量，且满足Boussinesq假设；
（3）忽略室内污染物对气流的影响；
（4）东西内墙、屋顶、地板采用绝热壁面；
（5）房间的灯具在试验阶段未开启，故其发热量忽略不计。
3.3模拟的边界条件
模拟的边界条件如表2所示。
4模拟结果及分析
本文主要模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内不同时刻的温度变化情况，分析人体活动范围内，沿高度方向代表站立时头部高度1.8m、坐姿时头部高度1.2m、脚踝处0.2m水平层的温度变化过程以及上下平面的热力分层现象。
4.1不同垂直平面的分析结果
利用fluent 软件分别对22℃、26℃、30℃、35℃、40℃送风温度下室内的温度分布进行非稳态模拟，每隔60s记录一次，共记录了1200s时间内的温度变化过程。图2为距离地面0.2m、1.2m、1.8m高度的平面在5种不同送风温度下的平均温度随时间变化的曲线对比。
4.2垂直温差的分析结果
室内到达设定温度时，不同送风温度所需要的时间和此时的垂直温差具体数值如表3所示。
可以看出，室内到达设定温度时，送风温度越高，需要的时间越短，但室内上下温差越大，人体感觉越不舒适；送风温度越低，垂直热力分层现象不太明显，但是到达设定温度的时间较长。
5结论
从以上的模拟结果和分析比较可知，冬季制热工况下，室内空调机采用不同的送风温度送风对室内的热环境和热舒适性有着重要的影响，在合理的送风温度范围内，利用22℃、26℃、30℃、35℃、40℃的温度送风的结果如下。
（1）送风温度越高，密度越小，下沉能力越弱，越不利于提高低层平面的温度，反之，温度越低，下沉能力却强，对于提高低层平面的温度越有利；
（2）送风温度越高，到达室内设定温度的时间越短，但是垂直热力分层现象越严重，人体越不舒适；反之，送风温度越低，需要的时间越长，但垂直热力分层现象越不明显，人体越舒适。
参考文献：
[1] 李惠. 分体式空调制热运行时室内温度场流场的特性研究[D].天津：天津商业大学， 2013.
[2] 张继刚.壁挂式空调房间内流场温度场特性与人体热舒适的研究[D].济南：山东大学，2007.
[3] 王驰，陈亮.分体式空调器室内机送风角度和速度对室内温度场影响的实验研究[J].制冷空调与电力机械，2007，118（28）：32～35.
[4] 陈剑波，黄俊毅，宋振宁.挂壁式变频空调器热舒适性的数值模拟及实验研究[J].制冷与空调，2008，22（4）：1～5.
[5] M.Bojic，FYik，T.Y..Lo.Locating Air-conditioners and Furniture inside Residential Flats to Obtain Good Thermal Comfort[J].Energy and Buildings，2002，34：745～751.
[6] Juan Ababto，Daniel Barrero，Marcelo Reggio，Benoit Ozell.Airflow Modeling in a Computer Room[J].Building and Environment，2004，39：1393～1402.
[7] 徐涛.居住建筑分体式房间空调器运行能效研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[8] 宋金良.嵌入式空调室内机气流短路改善[D].上海：上海交通大学，2009.endprint
摘要：指出了在空调制热运行时，从开机到室内到达舒适的温度需要较长的时间，而且稳定后垂直方向热力分层现象比较严重，人体极不舒适。针对以上这种现象，利用Fluent软件模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内温度场的变化情况，并分析了人体活动范围1.8m以下的温度随时间的变化情况以及热力分层现象。
关键词：时间；送风温度；热力分层现象
中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02027403
1引言
在国民经济快速发展的现代社会中，人们日益增长的物质文化水平，使得人们对生存环境的舒适度提出了更高的要求，但是能源问题的出现，尤其是近年来电能的紧缺，使人们在追求舒适的室内环境的同时，也更加关注和重视设备的节能环保。随之对创造室内环境的空调系统及其附属设备的要求越来越高。而建筑设备想要节约能源空调系统本身特性的优化研发非常重要，但是建筑空调设备的使用方法是否合理也是值得足够重视的。
目前，国内很多单位或个人对空调室内机送风方式等问题进行了模拟或实验研究。然而大多数的研究都是针对空调的送风方式对室内热环境与气流组织的影响，由于一般室内机从开始到达舒适的室内温度需要较长的时间，对于如何优化送风参数以缩短空调运行时间并减少热力分层现象以尽快达到整个房间舒适性方面的研究很少。
本文应用Fluent软件模拟分析了空调机制热运行时几种不同的送风温度下室内温度随时间变化的情况及垂直高度分层现象对人体舒适性的影响。为提高人生活区域的舒适性以及分体空调的控制和系统的优化发展有着实际的理论和现实意义。同时也为非采暖地区冬季热泵空调制热运行方案的优化提供一定的技术支持。
2物理模型
本文以一个长×宽×高约为5.10m×2.94m×3.13m的房间作为研究对象，壁挂式的室内热风机作为物理模型。房间的北外墙上距地面0.93m，距西墙0.3m，距东墙0.2m的高度上有1.7m×2.44m塑钢外窗；在距离北外墙1.3m，距离地面2.4m的西墙上安装了1台热风机。距离北外墙5.1m的南墙上有1扇宽×高为0.98m×2.00m的门。空调器的回风口等效简化成为1个0.21m×0.885m的长方形风口，同样，送风口简化等效成0.785m×0.123m的长方形风口，具体参数如表1所示。房间及各结构的示意图如图1所示。
由于出风口的温度与环境温度有关是可变数，现在家用空调有关进风口与出风口温差标准没有一个确切的说法，不同牌子，不同型号，不同匹数，不同气温下的各不一样，一般进出口温差大于8℃，而有的空调带有电加热 出风口会更高些，本次模拟设置回风温度由实验测试得到。根据《采暖通风与空气调节设计规范》民用建筑的主要房间宜采用16～24℃，本文室内设计温度取22℃。空调送风温度先研究22℃、26℃、30℃、35℃、40℃共5种典型的温度。
3.1模拟工况
本文采用的室外平均温度为3℃，空调房间的初始温度取6℃，模拟内容主要是：模拟送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，室内的温度分布随时间的变化。
3.2数值模型
室内空调机在运行过程中为三维、不可压缩、非稳态、湍流的物理过程，采用κ-ε模型，考虑重力的影响，同时为了使问题得到简化，本文将对要建立的数学模型做以下几点假设。
（1）忽略经过玻璃的太阳辐射得热以及内部辐射热的影响；
（2）室内的空气物性为不可压缩、密度是仅受温度影响的变量，且满足Boussinesq假设；
（3）忽略室内污染物对气流的影响；
（4）东西内墙、屋顶、地板采用绝热壁面；
（5）房间的灯具在试验阶段未开启，故其发热量忽略不计。
3.3模拟的边界条件
模拟的边界条件如表2所示。
4模拟结果及分析
本文主要模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内不同时刻的温度变化情况，分析人体活动范围内，沿高度方向代表站立时头部高度1.8m、坐姿时头部高度1.2m、脚踝处0.2m水平层的温度变化过程以及上下平面的热力分层现象。
4.1不同垂直平面的分析结果
利用fluent 软件分别对22℃、26℃、30℃、35℃、40℃送风温度下室内的温度分布进行非稳态模拟，每隔60s记录一次，共记录了1200s时间内的温度变化过程。图2为距离地面0.2m、1.2m、1.8m高度的平面在5种不同送风温度下的平均温度随时间变化的曲线对比。
4.2垂直温差的分析结果
室内到达设定温度时，不同送风温度所需要的时间和此时的垂直温差具体数值如表3所示。
可以看出，室内到达设定温度时，送风温度越高，需要的时间越短，但室内上下温差越大，人体感觉越不舒适；送风温度越低，垂直热力分层现象不太明显，但是到达设定温度的时间较长。
5结论
从以上的模拟结果和分析比较可知，冬季制热工况下，室内空调机采用不同的送风温度送风对室内的热环境和热舒适性有着重要的影响，在合理的送风温度范围内，利用22℃、26℃、30℃、35℃、40℃的温度送风的结果如下。
（1）送风温度越高，密度越小，下沉能力越弱，越不利于提高低层平面的温度，反之，温度越低，下沉能力却强，对于提高低层平面的温度越有利；
（2）送风温度越高，到达室内设定温度的时间越短，但是垂直热力分层现象越严重，人体越不舒适；反之，送风温度越低，需要的时间越长，但垂直热力分层现象越不明显，人体越舒适。
参考文献：
[1] 李惠. 分体式空调制热运行时室内温度场流场的特性研究[D].天津：天津商业大学， 2013.
[2] 张继刚.壁挂式空调房间内流场温度场特性与人体热舒适的研究[D].济南：山东大学，2007.
[3] 王驰，陈亮.分体式空调器室内机送风角度和速度对室内温度场影响的实验研究[J].制冷空调与电力机械，2007，118（28）：32～35.
[4] 陈剑波，黄俊毅，宋振宁.挂壁式变频空调器热舒适性的数值模拟及实验研究[J].制冷与空调，2008，22（4）：1～5.
[5] M.Bojic，FYik，T.Y..Lo.Locating Air-conditioners and Furniture inside Residential Flats to Obtain Good Thermal Comfort[J].Energy and Buildings，2002，34：745～751.
[6] Juan Ababto，Daniel Barrero，Marcelo Reggio，Benoit Ozell.Airflow Modeling in a Computer Room[J].Building and Environment，2004，39：1393～1402.
[7] 徐涛.居住建筑分体式房间空调器运行能效研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[8] 宋金良.嵌入式空调室内机气流短路改善[D].上海：上海交通大学，2009.endprint
摘要：指出了在空调制热运行时，从开机到室内到达舒适的温度需要较长的时间，而且稳定后垂直方向热力分层现象比较严重，人体极不舒适。针对以上这种现象，利用Fluent软件模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内温度场的变化情况，并分析了人体活动范围1.8m以下的温度随时间的变化情况以及热力分层现象。
关键词：时间；送风温度；热力分层现象
中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02027403
1引言
在国民经济快速发展的现代社会中，人们日益增长的物质文化水平，使得人们对生存环境的舒适度提出了更高的要求，但是能源问题的出现，尤其是近年来电能的紧缺，使人们在追求舒适的室内环境的同时，也更加关注和重视设备的节能环保。随之对创造室内环境的空调系统及其附属设备的要求越来越高。而建筑设备想要节约能源空调系统本身特性的优化研发非常重要，但是建筑空调设备的使用方法是否合理也是值得足够重视的。
目前，国内很多单位或个人对空调室内机送风方式等问题进行了模拟或实验研究。然而大多数的研究都是针对空调的送风方式对室内热环境与气流组织的影响，由于一般室内机从开始到达舒适的室内温度需要较长的时间，对于如何优化送风参数以缩短空调运行时间并减少热力分层现象以尽快达到整个房间舒适性方面的研究很少。
本文应用Fluent软件模拟分析了空调机制热运行时几种不同的送风温度下室内温度随时间变化的情况及垂直高度分层现象对人体舒适性的影响。为提高人生活区域的舒适性以及分体空调的控制和系统的优化发展有着实际的理论和现实意义。同时也为非采暖地区冬季热泵空调制热运行方案的优化提供一定的技术支持。
2物理模型
本文以一个长×宽×高约为5.10m×2.94m×3.13m的房间作为研究对象，壁挂式的室内热风机作为物理模型。房间的北外墙上距地面0.93m，距西墙0.3m，距东墙0.2m的高度上有1.7m×2.44m塑钢外窗；在距离北外墙1.3m，距离地面2.4m的西墙上安装了1台热风机。距离北外墙5.1m的南墙上有1扇宽×高为0.98m×2.00m的门。空调器的回风口等效简化成为1个0.21m×0.885m的长方形风口，同样，送风口简化等效成0.785m×0.123m的长方形风口，具体参数如表1所示。房间及各结构的示意图如图1所示。
由于出风口的温度与环境温度有关是可变数，现在家用空调有关进风口与出风口温差标准没有一个确切的说法，不同牌子，不同型号，不同匹数，不同气温下的各不一样，一般进出口温差大于8℃，而有的空调带有电加热 出风口会更高些，本次模拟设置回风温度由实验测试得到。根据《采暖通风与空气调节设计规范》民用建筑的主要房间宜采用16～24℃，本文室内设计温度取22℃。空调送风温度先研究22℃、26℃、30℃、35℃、40℃共5种典型的温度。
3.1模拟工况
本文采用的室外平均温度为3℃，空调房间的初始温度取6℃，模拟内容主要是：模拟送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，室内的温度分布随时间的变化。
3.2数值模型
室内空调机在运行过程中为三维、不可压缩、非稳态、湍流的物理过程，采用κ-ε模型，考虑重力的影响，同时为了使问题得到简化，本文将对要建立的数学模型做以下几点假设。
（1）忽略经过玻璃的太阳辐射得热以及内部辐射热的影响；
（2）室内的空气物性为不可压缩、密度是仅受温度影响的变量，且满足Boussinesq假设；
（3）忽略室内污染物对气流的影响；
（4）东西内墙、屋顶、地板采用绝热壁面；
（5）房间的灯具在试验阶段未开启，故其发热量忽略不计。
3.3模拟的边界条件
模拟的边界条件如表2所示。
4模拟结果及分析
本文主要模拟了送风温度分别为22℃、26℃、30℃、35℃、40℃下，空调房间内不同时刻的温度变化情况，分析人体活动范围内，沿高度方向代表站立时头部高度1.8m、坐姿时头部高度1.2m、脚踝处0.2m水平层的温度变化过程以及上下平面的热力分层现象。
4.1不同垂直平面的分析结果
利用fluent 软件分别对22℃、26℃、30℃、35℃、40℃送风温度下室内的温度分布进行非稳态模拟，每隔60s记录一次，共记录了1200s时间内的温度变化过程。图2为距离地面0.2m、1.2m、1.8m高度的平面在5种不同送风温度下的平均温度随时间变化的曲线对比。
4.2垂直温差的分析结果
室内到达设定温度时，不同送风温度所需要的时间和此时的垂直温差具体数值如表3所示。
可以看出，室内到达设定温度时，送风温度越高，需要的时间越短，但室内上下温差越大，人体感觉越不舒适；送风温度越低，垂直热力分层现象不太明显，但是到达设定温度的时间较长。
5结论
从以上的模拟结果和分析比较可知，冬季制热工况下，室内空调机采用不同的送风温度送风对室内的热环境和热舒适性有着重要的影响，在合理的送风温度范围内，利用22℃、26℃、30℃、35℃、40℃的温度送风的结果如下。
（1）送风温度越高，密度越小，下沉能力越弱，越不利于提高低层平面的温度，反之，温度越低，下沉能力却强，对于提高低层平面的温度越有利；
（2）送风温度越高，到达室内设定温度的时间越短，但是垂直热力分层现象越严重，人体越不舒适；反之，送风温度越低，需要的时间越长，但垂直热力分层现象越不明显，人体越舒适。
参考文献：
[1] 李惠. 分体式空调制热运行时室内温度场流场的特性研究[D].天津：天津商业大学， 2013.
[2] 张继刚.壁挂式空调房间内流场温度场特性与人体热舒适的研究[D].济南：山东大学，2007.
[3] 王驰，陈亮.分体式空调器室内机送风角度和速度对室内温度场影响的实验研究[J].制冷空调与电力机械，2007，118（28）：32～35.
[4] 陈剑波，黄俊毅，宋振宁.挂壁式变频空调器热舒适性的数值模拟及实验研究[J].制冷与空调，2008，22（4）：1～5.
[5] M.Bojic，FYik，T.Y..Lo.Locating Air-conditioners and Furniture inside Residential Flats to Obtain Good Thermal Comfort[J].Energy and Buildings，2002，34：745～751.
[6] Juan Ababto，Daniel Barrero，Marcelo Reggio，Benoit Ozell.Airflow Modeling in a Computer Room[J].Building and Environment，2004，39：1393～1402.
[7] 徐涛.居住建筑分体式房间空调器运行能效研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[8] 宋金良.嵌入式空调室内机气流短路改善[D].上海：上海交通大学，2009.endprint
