空调温度均匀性与舒适性研究

2021-03-19何林贺春辉卢浩贤李华松张世航耿媛媛

环境技术 2021年1期

何林，贺春辉，卢浩贤，李华松，张世航，耿媛媛

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

引言

如今，人们对空调的认知不仅局限于制冷制热，在空调装置对室内环境温度改善的过程中人们更希望带来较好的使用体验与舒适性，空调的送风温度与风速是影响人体感觉的两个关键因素[1]。送风温度的不同取决于空调装置本身的性能差异与用户使用习惯的不同，其中性能差异体现在变频与定频的不同，而不同使用者的人体代谢速率差异较大，不能简单的以大风量送风或者无风感送风标准去定义舒适性送风。其中赖想球[2]等人研究了空调的自然风送风技术，通过设计空调上下导风板的智能运动规则，对导风板的运动速度、幅度和时间等参数进行关联控制，模拟出空调舒适性自然风。最后与传统机械送风相比，舒适性自然风显著提高了空调的热舒适性。袁旭东[3]研究了组合式末端的舒适性与均匀性，得出当地板表面温度增加时，室内温度和相对湿度的均匀性得到改善，舒适性提高，且结露风险大大降低。刘向龙[4]分析了不同服装热阻、空气温度与风速对PMV值的影响。本研究课题主要通过建立房间仿真分析模型分析不同出风温度下的房间温度均匀性，仿真中高出风温度值为该室内环境下的实测出风温度值，通过仿真模拟值降低出风温度从而研究其出风温度降低后的可行性，并同步模拟了高风挡下的房间不同位置风速分布，最后理论分析[5-8]了各个参量对评价指标PMV的影响程度。

1 模型建立

研究模型的选取是基于南京某公司舒适性实验室中的一房间，房间大小为6.15 m*5.92 m*2.78 m。定义房间高度方向为Z轴，房间宽度方向为Y轴，房间长度方向为X轴，坐标原点位于内风机正下方Y轴交点处。门的尺寸大小为0.7 m*2.2 m。窗的尺寸大小为2.1 m *1.2 m。内机送风口大小0.122 m*0.885 m，回风口大小0.200 m*1.010 m。

在ISO 7730中对房间舒适性的测点有一定的要求，如图1所示，分别定义了在脚踝处Z轴方向高度0.1 m处、腿部1.1 m处、头部1.7 m处的温度布点设置，以此监测这三个高度方向上的平面相关参数值。

2 参数设置

2.1 网格划分

网格划分采用先进的多结构网格耦合技术，在房间规则区域采用六面体结构化网格，而在房间边角区域采用适应性较强的四面体网格。多网格耦合的划分方法不仅得到了质量相对较好的网格，在计算过程中更增大了计算的收敛速度。如图2所示，房间壁面局部网格示意图中显示得到边界区域与壁面采用了不同的网格形式，总网格单元节点数为153万。

2.2 网格无关性验证

在房间舒适性分析的过程中网格单元数的不同也许会产生计算结果的差异。因此在相同的出风温度、壁面边界条件下分别验证网格数为153万、186万、220万网格单元时得到的房间平均温度值（房间平均温度值由人体活动区域垂直方向0.1 m到1.8 m范围内温度场范围计算得到）。

图3、表1中的网格无关性验证数据显示，网格无关性曲线基本水平，在不同网格单元数目下的平均温度偏差值最大为4%，符合计算精度的要求。在不影响计算结果的前提下较小的网格单元数能很大程度上降低计算机的负荷并加快计算的收敛速度。最终选用计算节点数为153万的网格参数。

3 结果分析

3.1 温度均匀度

房间温度均匀度是指室内环境达到热稳定状态后，在同一时刻，不同测点温度的差异状况。

图1 二维平面及温度布点图

图2 网格划分部分剖面图

式中T：

Ts—瞬时温度均匀度；

ti—检测点i的瞬时温度，℃；

tm—所有测点的瞬时平均温度，℃；

m—测点总数。

整个室内的温度均匀度（）为所有测点瞬时温度均匀度的平均值。

如图4得到在房间高度为1.3 m处的温度分布，用以验证在出风温度分别为40 ℃与36 ℃时房间温度的均匀性，如图4中可以观察到在高风档出风速度条件下35 ℃的出风在温度截面上温度分布更为均匀。在忽略异常波动点后40 ℃出风温度波动在0.5 ℃以内，36 ℃出风温度波动值在0.9 ℃以内。两者在水平方向温度分布差异不明显，在温度波动性方面可以使用36 ℃代替40 ℃出风温度从而达到节能性目的。

表1 网格数对计算温度的影响

图3 网格无关性曲线

3.2 风速分布

通过图5中风速监控点得到表2中风速值，得到无导风板结构的风管式内机房间风场均匀度较好，在中央空调设计送风风速标准中（见表3）定义0.127～0.25 m/s的范围内为舒适性风速，此风速值是建立在高风档下（2.2 m/s）所得到的速度值，基本维持在标准中定义的舒适性范围。然而，从用户侧使用习惯的角度出发，高风档的使用频率因存在噪音方面的影响故占比并不高，用户多在低风挡与中风档条件下使用，所以为达到舒适性送风的目的应适当提高除高风档模式下的内风机转速。

图4 水平方向1.3 m温度图

图5 房间温度分布测点

表2 房间温度分布值

4 舒适性评价PMV值影响因素

舒适性评价PMV值的主要影响因素分为两大类，分别是环境因素和人自身因素。环境因素包括空气温度、空气流速、平均辐射温度、空气相对湿度四大参数，人自身因素包括新陈代谢率、服装热阻两大参数。PMV值是由其中所有参数共同作用的结果。仿真分析的过程中定义了变量空气温度与风速两个参数值，但其每一个参数在PMV值的计算过程中影响大小仍不甚明了。为了更清晰的了解各个影响参数对整体PMV值的影响大小，本文利用编程计算软件通过导入PMV计算公式并得到PMV随各个参量的变化情况。

由图6中各参数变化可知，空气温度、空气湿度和平均辐射温度对PMV的影响呈线性变化趋势，而PMV随空气流速、服装热阻和代谢速率的变化呈非线性的变化。

其中，非线性变化曲线中PMV随空气流速变化过程中：空气流速小于0.1 m/s时流速值对PMV的影响相对较小，曲线较为平稳；当流速大于0.1 m/s时PMV值明显降低，且随着风速的逐渐增大变化趋势渐趋平缓。对比24 ℃与26 ℃不同空气温度下的变化曲线可知：24 ℃环温下PMV受风速值的影响更大，曲线下降趋势更快；对整个24 ℃和26 ℃环温变化曲线而言，PMV受风速变化波动最为明显的风速区间在0.1～0.3 m/s，该风速区间在中央空调送风标准里属于可调节的满足舒适性送风风速范围区间。PMV值受服装热阻的影响随着其值的增大其变化趋势逐渐平缓，并且随着服装热阻的增大不同风速下的PMV值趋于一致。代谢速率对PMV值的影响相对较大，在代谢速率低于60 W/m2时，PMV值随其增大而急剧升高，在不同空气温度下的变化趋势基本相同。