空调安装位置与送风角对室内换热影响的数值模拟研究

张知宇，薛 冰，孔祥领，孔德旻

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013；2.解放军96630部队，北京 102206；3.中国石油技术开发公司，北京 100009；4.山东省天地建设顾问有限公司，山东济南 250013）

1 前言

从我国的能源消费途径来看，建筑能耗约占总能耗的30%以上，而其中约60%以上的能量被用于对建筑内部进行通风、制冷和供暖等［1］。因此，降低建筑物空调系统的能耗对于解决能源与环境问题具有重要意义。

随着中国经济的高速发展，以及家电下乡等政策的推动，农村地区的家用空调的普及率显著提高。因此，研究农村地区空调的运行方式对制冷效果的影响具有重要的意义。目前已有一些针对建筑物内部空调运行的数值模拟研究，但主要研究对象为宿舍、酒店和办公室等场所［2～7］。本文对北方农村地区的典型民居内的夏季空调运行进行数值模拟研究和分析，为今后空调的安装和节能运行提供参考。

2 数值计算模型

2.1 物理模型

为了使数值模拟能够尽量准确地反映实际情况，本文调研了目前山东、河北和辽宁等北方农村地区的房屋结构。本文所模拟的对象为一座典型的3间平房结构，其中东、西两侧为卧室，中间为厨房和门厅，如图 1所示。目前很多农村居民家庭出于节省安装成本和节能的考虑，通常情况下一个家庭只安装一台空调机，门厅和厨房除用餐时间外较少使用，因此空调机一般安装于其中一间卧室内，本文以空调机安装在西卧室为例。房间的高度均为2.86 m，卧室的面积为5.20 m×3.48 m，门厅的面积为2.11 m× 3.36 m，厨房的面积为1.59 m×3.36 m，墙壁的厚度均为 0.24 m。

图1 几何模型示意

空调机简化成尺寸为0.84 m×0.16 m×0.28 m的长方体，安装高度为2.27 m。空调机的送风口设置在空调机前面板下方，尺寸为0.74 m×0.09 m，进风口位于空调机顶部，尺寸为0.74 m×0.10 m。定义空调机送风方向与水平方向的夹角θ为送风角，如图2所示。

图2 空调机送风角示意

本文采用ICEM创建几何模型并划分网格，为了提高计算的稳定性并降低网格总数，整个模型全部采用结构化网格。为了验证模拟结果的网格无关性，本文采用了单元总数分别为85万、110万和135万的3套网格。计算结果表明，进一步增加网格数量对计算结果的影响不大。本文采用单元总数为135万的网格进行计算。

2.2 模拟设置

室内空气满足Boussinesq假设，其流场和温度场的获得需要通过求解连续性方程、N-S方程和能量方程实现。此外，由于空调机出口处气流的Reynolds数相对较高，需要选用合适的湍流模型来进行模拟。本文采用标准的k-ε模型，并采用标准壁面函数。使用标准的k-ε模型要求y+＜200，因此模拟中网格的划分也严格按照该标准执行。以空调机安装在西卧室西侧墙壁上的情况为例，当送风角为45°时，西侧壁面上的y+值如图3所示，从图中可见，壁面处的y+均满足使用标准壁面函数的要求，即说明近壁处的网格划分合理。

图3 西卧室西侧壁面y+分布

模拟使用Fluent 14.5软件实现，在采用Intel Xeon E5-2643 16核处理器的高性能计算机上进行计算。经过测试发现，每个算例使用8核并行、同时进行2个算例的计算时，计算效率最高。模拟采用瞬态、基于压力的求解器，动量和能量方程中的对流项使用二阶迎风差分格式。压力速度耦合采用SIMPLE算法。设置环境温度为30 ℃，压力为 1.01×105Pa，重力沿 y轴负方向。

空调机的送风口设置为速度入口，空气流速为2.6 m/s，温度为18 ℃，流动方向根据不同的送风角分别确定。房间壁面采用恒壁温条件，设置为30 ℃。

3 结果与讨论

3.1 空调机安装位置的影响

因为卧室为南北通透的结构，因此空调机一般安装在卧室的东、西两侧墙壁上。在本文的研究中，空调机位于西卧室，其具体安装位置将对整个房屋内的流场和温度场将产生重要影响。当空调机安装在东侧墙壁时，取yoz切面（即x=0的平面），如图 4所示。

图4 yoz切面示意（空调机安装在东侧墙壁）

由于安装在东侧墙壁上，空调机的送风口背向卧室门，吹入房间的冷空气将首先穿过房间，并撞击西侧墙壁后改变流动方向，反射的空气和送风口吹出的空气相互作用在房间内形成涡，如图 5所示。此时，西卧室内温度较低的空气只能以很低的速度从高度较低的区域流入门厅。西卧室与门厅之间的热交换主要依靠两侧温度不均空气的自然对流实现，所以门厅及东卧室的降温速度缓慢。

图5 空调机安装在东侧墙壁时yoz平面上的速度矢量

将空调机安装在西侧墙壁的情形如图1所示。类似地，取yoz切面观察其中空气流动的速度矢量，如图6所示。此时，空调机的送风口面向卧室门，其吹出的部分冷空气可以直接穿过房间到达卧室门。从图6可见，卧室门下半部分的空气是由卧室流向门厅的，且流速较高，因此西卧室和门厅之间的热交换主要通过强制对流实现，从而使得门厅的降温速度加快。

图6 空调机安装在西侧墙壁时yoz平面上的速度矢量

为了定量的比较不同的空调机安装位置对各个房间降温情况的影响，统计了高度H为1.5 m的平面上平均温度随时间的变化情况，如图 7所示。当空调机安装在西侧墙壁时，由于西卧室和门厅之间显著的强制对流，门厅内的温度降低速度和幅度都远大于空调机安装在东侧墙壁的情况；进一步使得门厅和东卧室之间的对流加强，从而东卧室的降温幅度也较大。而对于西卧室，由于空调机安装在东侧墙壁时，送风口背向卧室门，不利于冷空气向门厅流动，因此导致西卧室内的降温速度较快，但最终温度与空调机安装在西侧墙壁时相差不大。

图7 房间平均温度的变化（H=1.5 m）

上述结果表明，当仅需为西卧室降温时，可以将空调机安装在东侧壁面，但是其相对于安装在西侧壁面的情况优势不明显。而且如果仅需对西卧室制冷，那么无论何种情形都可以通过关闭卧室门的方式来提高降温速度。而当需要对整个房屋进行降温，那么将空调机安装在西侧墙壁（送风口面向卧室门）就具有明显的优势。

3.2 送风角的影响

在将空调机安装在西侧墙壁的情况下，设置不同的送风角度对于室内空气温度和流动情况的影响需要进一步研究，以确定合理的送风角，从而达到更好的降温效果。因此，本文分别设定送风角θ为30°、45°和60°等进行模拟计算。

开机时间为60 min，送风角θ=30°时，空调机中央剖面（x=1.15 m）上的气流速度矢量如图 8所示。由于送风角较小，所以出风口吹出的大部分气流没有触及地面就到达了房间对侧，即卧室门所在的一侧，因此西卧室与门厅之间的空气流动比较强烈。

图 8 x=1.15 m，t=60 min，θ=30°时气流速度矢量

而当送风角θ=60°时，过空调机中央剖面上的气流速度矢量如图9所示。此时送风角度大导致出风口吹出的气流在达到房间对侧之前就冲击地面，从而导致流速的下降，不利于西卧室与门厅之间的对流。

图 9 x=1.15 m，t=60 min，θ=60°时气流速度矢量

图10 给出了送风角为30°和60°时，空调机中央剖面上的温度云图，从图中可见，送风角为30°时，同一时刻3个房间内的温度均低于送风角为60°时的温度。

图 10 x=1.15 m，t=60 min 温度云图

为了进一步定量比较不同送风角对房屋内温度变化的影响，统计了高度为0.9 m和1.5 m的2个平面上各个房间内的平均温度随时间变化的情况，如图11所示。从图11可见，随着送风角的减小，3个房间内的降温速度均加快。采用30°和45°的送风角明显优于采用60°送风角的情况，这是由于送风角较小时，冷空气能够在不触及地面的情况下到达房间对侧，从而穿过卧室门与门厅内的空气进行对流换热。上述计算结果表明，在本文讨论的送风角范围（30°～60°）内，实际空调机的运行过程中，应该减小送风角以达到快速降温的目的。

图11 房间内不同高度平面上温度的变化

4 结语

本文针对北方农村地区的一栋典型3间式住房内安装一台壁挂式空调机的情况，利用数值模拟的方法分析了空调机不同安装位置和不同送风角度对室内流动和温度变化的影响。模拟结果表明，当仅为一个房间降温时，应该将空气安装在与卧室门同侧的墙壁上，以使送风口背向卧室门。而依据目前北方农村地区的实际情况，往往一栋住房内仅安装一台空调，那么需要考虑使用一台空调机降低整栋房屋内的温度，此时，模拟结果表明应该将空调机安装在与卧室门相对的墙壁上，以使送风口面向卧室门，从而加强对流换热。模拟结果还表明，空调机运行时的送风角对室内的空气流动和换热有着重要影响。在本文研究的送风角范围（30°～60°）内，送风角越小，越有利于房屋内的对流换热，从而能够更快更好地达到降温的目的。

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