新型冷暖独立双气流柜式空调

邹建煌

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

随着人们生活水平的提高，柜式空调日益普及，消费者对空调的舒适性要求也越来越高。空调的气流组织是影响人体舒适性及空调节能效果的关键因素，消费者针对空调舒适性，提出了“冷风不吹人”及“热风需吹脚”的舒适性要求。传统的柜式空调制冷制热时都是由空调下部进风，上部出风[1]（如图1 a)所示），但由于热空气密度小，热空气上浮，其制热舒适性较差，热风难以送到人的膝盖以下位置，很难满足人们对脚热头冷的热舒适性要求，并且节能效果差。为了改善这种热舒适性差的问题，本文根据不同季节的气流组织的不同需求，在保证空调整体尺寸不增加的约束条件下，创新性提出独立冷暖双气流技术，设计上下出风结构可切换的柜式空调，在空调的下部增加一个下出风口，上下风口进出风方向可以根据不同季节的需求进行模式切换，进而实现制冷时空调下风口回风，上风口送冷风（如图1 b)所示），夏季凉风自上而下，形成瀑布式制冷。制热时空调上风口回风，下风口送热风（如图1 c)所示），形成地毯式送风，使整个房间温度快速均匀分布。热风可直接送到人体的膝盖以下位置，避免头热脚凉问题，提高人体的热舒适性[2]，冬天暖足效果特别明显，有益于人体的健康，且节能效果好。

图1 不同空调进出风方式

1 动态风道新技术

为了提高柜式空调的热舒适性，将传统的单一静态风道更改为可切换模式的动态风道，实现夏季制冷时空调上部出风，冬季制热时空调下部出风，空调的进风口及出风口可以根据使用需求进行互换。在风道内部增加下蜗壳板2、上蜗壳板6及旋转蜗板10，夏季制冷工况时，下蜗壳板2和上蜗壳板6关闭，旋转蜗板10所处位置如图2左所示，由于离心风叶3的负压作用，热空气由下风口1吸入，经电机4驱动的离心风叶3做功后，通过蜗壳5进行气流收集，然后流向换热器7进行空气与制冷剂热交换，换热后冷风通过高位上风口8吹出，实现整个房间空气制冷。冬季制热工况时，下蜗壳板2和上蜗壳板6同时开启，步进电机驱动旋转蜗板10旋转180°，旋转蜗板10切换成如图2右所示位置，由于离心风叶3的负压作用，冷空气由上风口8吸入，然后流向换热器7进行空气与制冷剂热交换，换热后热空气经电机4驱动的离心风叶3做功后，通过蜗壳5收集气流后，流向低位下风口1吹出，实现整个房间空气制热。上蜗壳板6、下蜗壳板2以及旋转蜗板10分别由三个不同的机构驱动，其详细结构限于篇幅，在此不做详细阐述。

图2 动态风道示意图

2 CFD及热舒适性实验

2.1 CFD

针对上述结构的新型柜式空调，与传统柜式空调进行CFD制热模式对比模拟计算[3]，仿真模型及工况与实验室尺寸及工况保持一致，计算域包含墙体及空调，按照1:1尺寸进行建模，整个三维计算域为长7 m×宽3 m×高2.5 m，使用多面体网格，采用理想气体不可压缩非定常设置，Realizable K-ε湍流模型，考虑重力的影响，二阶迎风差分格式，进行网格无关性验证，质量流量入口，压力边界出口。空调制热运行时间为60 min。

图3为温度场截面云图，左侧为传统上出风柜式空调，右侧为新型柜式空调。由仿真计算结果可以明显看出：传统柜式空调由于其制热出风口在空调的上部，高位送风，虽然通过导风板可以将热风往下导，但距离空调2.5 m后由于热风密度小，气流上扬，使得距离空调远处地面区域无热风，导致该区域的空气温度难以升高，特别是人体的膝盖以下位置温度低，整体温度场均匀性差，舒适性差。而新型柜式空调由于其制热出风口在空调下部，低位送风，由于出风动能的影响，热风在地面附近可以吹向远端，距离在6 m以内人体膝盖以下位置都没有气流盲区，温度更高，温度场分布更加均匀，人体的高度方向温差减小，热舒适性很好。

图3 CFD温度场对比

2.2 热舒适性实验

舒适性实验在一个长为7 m，宽为3 m，高为2.5 m的实验房间进行，柜式空调放置在宽度方向上中间处，靠着YZ墙面放置。室内工况：干球温度为0℃，室外工况：干球温度-5℃；空调温度设定为30℃，制热能力为5800 W。

室内温度采用热电偶进行测量，热电偶测量布置点为：在X方向均匀布置13个平面，在Y方向均匀布置6个平面，在Z方向均匀布置5个平面[4]。

图4为温度场截面示意图及温度标尺，图5至图9分别为传统空调和新型空调在不同截面运行60 min的温度场分布对比图，图10为制热模式下送风区域对比图（风速大于0.2 m/s的区域），左侧为传统空调，右侧为新型空调。云图表明，右侧新型柜式空调的温度分布要比左侧传统柜式空调的温度分布更均匀，制热模式运行同样时间后新型空调的各平面的温度都要提升2～4℃，送风温差（最高温度与最低温度之差）降低1.5℃。人体膝盖以下位置区域的温度更高，没有像传统空调那样出现明显的低温区域，其快速制热效果优势很明显，特别是在高度方向上的垂直温差比较小，避免了冬季头热脚凉的现象，人体热舒适性明显提升。

图4 温度场截面示意图及温度标尺

图5 运行60分钟温度场，X-Z平面，Y=1.5 m

图9 运行60分钟温度场，Y-Z平面，X=1.5 m

图10中上曲线表示风场上沿，下曲线表示风场下沿，即两条曲线之间的范围为风场的区域范围。对比表明，空调制热模式下，新型的柜式空调热风贴住地面吹出5 m后，由于空气动能减弱及热空气密度小，热风才开始上扬，在距离其4.5 m以内的区域，热风基本吹不到人的头部（一般人坐在凳子上时肩部高度约为1 m以上），在4.5 m到5 m之间只有微弱的热风吹到人的头部，该区域大部分热风都吹向人体的肩部以下部位，这样避免了人体头热脚凉的现象，暖足效果特别明显，其热舒适性非常好。而传统的柜式空调在5 m以内，由于空调高位出风，通过出风口导风板往下导流，使得风阻增加，加上空气粘性及热空气密度小的影响，热风导向地面后往前约输送2 m后，热风开始上扬吹向人体肩部及头部，使得3.5 m以后的地面附近没有热风输送过去，即人体膝盖以下区域无热风输送，热风都吹向人体的肩部及头部，难以输送到人的膝盖以下部位，出现严重的头热脚凉问题，其热舒适性差，并且热量上扬远离人体，造成能量浪费，其节能性很差。

图6 运行60分钟温度场，X-Y平面，Z=0.5 m

图7 运行60分钟温度场，X-Y平面，Z=1 m

图8 运行60分钟温度场，X-Y平面，Z=1.5 m

图10 制热模式送风区域对比图（x-送风距离；z-房间高度）

2.3 实验分析

根据实验中实测的不同位置不同运行时间的温度采集数据，采用温度不均匀系数对气流组织进行评价分析，不均匀系数越小，表明其气流分布的均匀性越好，房间垂直温差及水平温差越低，舒适性就越高。表1为不同方向中间截面运行不同时间的不均匀系数对比。数据表明，新的柜式空调的不均匀系数降低了63%～73%，房间温度在垂直方向及水平方向的温差都明显降低，气流分布的均匀性得到了很大的提高，舒适性及节能效果提升明显。

表1 温度不均匀系数对比

平均温度定义：

均方根定义：

温度不均匀系数定义[5]：

3 结论

针对传统柜式空调舒适性差的行业瓶颈问题，使用新的空调风道技术，提出独立冷暖双气流风道，无需增加风机，通过风道模式切换，提出新型独立冷暖双气流技术，通过与传统空调的仿真及舒适性实验对比，得出如下结论：

（1）冷暖双气流送风模式能将热风均匀地送至整个房间，能提高温度分布均匀性，使热风送到人的膝盖以下位置，避免了热风吹向人的头部造成不适，快速提升空调制热效果，提高空调的热舒适性，大幅降低人体活动区域垂直温差及水平温差。

（2）新型柜式空调相较于传统空调，房间各平面的温度都要提升2～4℃，送风温差降低1.5℃，均匀性明显提高约70%。

（3）新型送风技术使得人体暖足效果明显，防止了头热脚凉的现象，解决了传统空调热舒适性差的瓶颈问题，提升了室内空气品质，具有很好的应用价值及市场推广前景。