高湿度环境下的空调出风口防结露分析

张英男

中旭建筑设计有限责任公司

0 引言

中央空调出风口结露是空气中的水分在温度较低的中央空调出风口凝结的现象，常导致中央空调出风口湿滑、出风口内发霉、空气异味等问题，影响室内环境健康和舒适性。室内无结露现象是对建筑进行热湿环境评价的前提条件[1]，在夏热冬冷地区，中央空调出风口结露现象常发生在春夏季，此时室外空气湿度高，温度波动大，极易使室内中央空调出风口温度低于空气露点温度，引起中央空调出风口结露。为避免这一结露现象，GB/T50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》中推荐建筑中央空调出风口采用低蓄热系数或具有一定吸湿能力的材料。但这种措施防结露效果有限，仅当中央空调出风口结露情况较轻或是持续时间短时能起到一定作用。

本文通过模拟计算方法，研究高湿度环境下的中央空调出风口温度变化规律，比较中央空调出风口材料及相关措施的防结露效果，以供设计师在实际工程中参考。

1 模型概况

本文选择潮湿季节高湿环境下某房间为研究对象。使用DesignBuilder软件建立房间建筑模型，利用CFD软件进行模拟，采用《中国建筑用标准气象数据库》中典型气象年数据，对该房间室内温度、湿度进行全年逐时模拟。利用室内气温及相对湿度计算室内露点温度[2]，分析中央空调结露的时间和强度，以及改善的效果。

图1为在DesignBuilder软件中建立的房间简化模型。建筑围护结构热工参数均按照GB/T50824-2013《居住建筑节能设计标准》中的规定设置，具体参数设置见表1，铝合金、木材、ABS材料等传热系数分别为3.4 W/(m2·K)，2.8 W/(m2·K)，3.1 W/(m2·K)。房间的尺寸5 m×3 m×3 m，内部热源为人员和计算机，其中电脑1台（300 W/台），工作人员 1人（150 W/人），总计所需冷负荷为3.08kW；低温送风口1个；回风口尺寸为0.5 m×0.3m。将坐姿的人体简化为0.4 m×0.3 m×1.2 m长方体，电脑简化为0.4 m×0.4 m×0.4 m的正方体。

表1 模型围护结构参数

图1 高湿环境房间模型

如图1，使用当地典型年气象数据进行全年温度模拟时，按通常情况设置室内参数。住宅室内人员、电脑、照明等产生的内热源强度，按节能标准推荐值设置为4.3 W/m2。室内通风换气按农村住宅使用的被动式状态设置。在较为寒冷的11月至次年3月，所有房间外窗关闭，室内换气次数设为1次/h。在4月至10月期间，室外气温达到18 ℃以上，所有房间外窗开启，室内为自然通风。

本文中，设室内的冷负荷是由低温送风来承担的，室内设计温度为25℃，相对湿度为60%。设定低温送风的送风温度9℃，低温风口一个，送风风量560 m3/h。为简化问题使控制方程适用于本问题，作如下假设：对于流场计算条件的设定室内流体为不可压缩常物性牛顿流体；空气密度采用Boussinesq假设，即流体密度仅依赖温度变化，与压力无关；室内的湍流Re数较低，采用RNG的k-ε模型求解流场控制方程；在近壁面处采用非平衡壁面函数法[3]。

2 模拟结果及分析

2.1 三种材料下的中央空调出风口结露分析

将铝合金、木材、ABS材料中央空调出风口结露情况模拟结果相比较，分析不同材料对出风口结露情况的改善效果。为此我们引入结露强度概念，定义出风口温度与露点温度的差值为Δt，Δt值越大，结露强度越高。图2为3种材料各月结露时数比较，图3为3种材料结露强度比较，模拟结果如下。

图2 各材料出风口结露时数对比

图3 各材料出风口结露强度对比

由图2、图3可以看出，使用铝合金材料时，结露时间最长，采用ABS材料时，结露时数明显降低，仅为铝合金材料的39%，重度结露的比例明显减少，没有出现温差Δt＞3 ℃的结露强度。但全年结露时间依然超过300h，其中20%的时间Δt＞1 ℃。可见ABS材料的防结露效果有限，不足以解决高湿度环境下的中央空调出风口结露问题。

采用木材材料时，结露时间相比其他种类材料大幅度减小，3、6、7月地面结露完全消除.4、5月结露时数分别仅为4 h、22 h，结露强度低，Δt均小于1℃。考虑到具有吸湿性的木材材料能在一定程度上减轻短时间、低强度的结露，因此认为木材材料可以基本消除该房间内的中央空调出风口结露问题。

2.2 出风口结露现象分析

由图4可以看出，出风口侧送出的气流是贴附着风口侧壁流出的，形成贴附射流，因此风口侧壁不接触高温气流不易结露。值得注意的是，有气流被诱导反吹到中间百叶和孔芯上，考虑到结露的标志是物体的表面温度低于空气的露点温度，所以还要根据该气流的露点温度来判断是否会引起结露，这就要由该风口的温度场分布来分析。

图4 出风口气流组织分布模拟

图5 出风口的温度场分布模拟

由图5可以看出，这股诱导返回的气流温度接近送风温度9℃，由焓湿图可以计算出：不论诱导返回的气流的相对湿度是多少，该气流的露点温度都应该低于中间百叶和孔芯的表面温度，就不易出现结露的现象。

由图4和图5可见，低温气流离开风口时，利用产生较高的流速来诱导旁边的气流，使得送出的低温气流没有完全包络到风口包边，包边周围的气流温度高于送风温度9℃，且下面包边周围的气流温度显著高于上面包边，因此风口的包边是易于产生结露的部位。防结露的措施是：上面包边可以将风口紧贴顶板安装，通过产生较好的贴附射流效果来避免结露，下面包边仅靠气流组织的方法很难做到防结露的要求，一般采用在包边上贴附导热性差的材料——塑料或者注绒来提高包边表面温度的方法。

分析完低温风口是否结露的首要条件，再来看看房间的气流组织和温度场分布情况。由图4可以看出，气流射流到墙边，在离墙边较近的距离下沉，再从人体下方自下向上流动，使得人体旁边的气流是呈上升的羽流形式，温度较高的气流由顶板的排风口排出，气流的涡流区远离人体，人体周围的流速在0.3 m/s左右，符合较好的气流组织标准。由图5可以看出，低温的气流贴近顶板和墙边，人体周围的气流温度在垂直方向上的温差不超过3 ℃。

3 结论

本文根据高湿度地区某房间的实际情况，在DesignBuilder软件中建立典型房间模型。对采用铝合金、木材、ABS材料的中央空调出风口模型进行数值模拟，分析模拟结果得出以下结论：

1）使用铝合金材料时，结露时间最长，采用ABS材料时，结露时数明显降低，仅为铝合金材料的39%，重度结露的比例明显减少，但全年结露时间依然超过300 h，ABS材料的防结露效果有限，不足以解决高湿度环境下的中央空调出风口结露问题。

2）采用木材材料时，结露时间相比其他种类材料大幅度减小，3、6、7月地面结露完全消除。木材材料可以基本消除该房间内的中央空调出风口结露问题。

3）中央空调出风口的包边是最容易结露的部位，很难通过外形改进的措施（即优化气流组织的方式）来避免结露，但可以借鉴别的厂家防结露的经验：贴附导热性差的材料——塑料或者注绒。

本文仅为高湿度环境下防结露的设计提供理论基础，具体的实施还需要通过试验来验证实际的应用效果。当然要设计出较合理的中央空调出风口还要考虑房间的特征长度、射程、贴附长度及静压降等参数，这就需要试验来分析计算和不断完善。