家用中央空调两种室内机流场温度场及热舒适性的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 9.18MB 78 页 15积分
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I
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 课题提出的背景及意义 ........................................ 1
§1.2 课题研究现状 ................................................ 3
§1.2.1 室内气流组织形式的研究现状 ............................. 3
§1.2.2 室内热舒适性的研究现状 ................................. 5
§1.2.3 国内外关于家用中央空调室内气流组织及热舒适性研究现状 ... 7
§1.3 本文的主要研究内容 ........................................... 7
第二章 试验测试设计 ................................................. 8
§2.1 测试环境与测点布置 .......................................... 8
§2.2 试验仪器与设备 ............................................. 10
§2.2.1 空气温度测量装置 ...................................... 10
§2.2.2 风速测量装置 .......................................... 11
§2.3 温度采集系统 ............................................... 11
第三章 直吹式空调器制冷运行时温度场特性试验研究 .................... 13
§3.1 试验方案 ................................................... 13
§3.2 试验数据处理 ............................................... 14
§3.3 试验数据分析 ............................................... 19
§3.3.1 送风角度对室内气流以及温度场的影响 .................... 19
§3.3.2 送风风量对室内气流以及温度场的影响 .................... 20
§3.3.3 送风风量以及送风角度对射流轴心温度的影响 .............. 20
§3.3.4 室内平均温度与回风温度的差异 .......................... 21
§3.4 本章小结 ................................................... 21
第四章 嵌入式空调器制冷运行时温度场特性试验研究 .................... 22
§4.1 试验方案 ................................................... 22
§4.2 试验数据处理 ............................................... 23
§4.3 试验数据分析 ............................................... 28
§4.3.1 送风角度对室内气流以及温度场的影响 .................... 28
§4.3.2 送风风量对室内气流以及温度场的影响 .................... 29
§4.3.3 送风风量以及送风角度对射流轴心温度的影响 .............. 29
II
§4.3.4 室内平均温度与回风温度的差异 .......................... 30
§4.4 本章小结 ................................................... 31
第五章 直吹式和嵌入式空调器室内气流性能评价 ........................ 32
§5.1 各工况的空气分布特性指标 ................................... 32
§5.1.1 空气分布特性指标的定义 ................................ 32
§5.1.2 ADPI 值的计算 .........................................33
§5.2 各工况的温度及速度不均匀系数 ............................... 37
§5.2.1 温度以及速度不均匀系数的定义 .......................... 37
§5.2.2 kt和kv的计算 .......................................... 38
§5.3 各工况的能量利用系数 ....................................... 39
§5.3.1 能量利用系数的定义 .................................... 39
§5.3.2 EUC 的计算 ........................................... 39
§5.4 本章小结 .................................................... 40
第六章 直吹式和嵌入式空调器制冷运行室内热环境的数值模拟 ............ 41
§6.1 数学模型建立 ............................................... 41
§6.2 模拟计算设置 ............................................... 42
§6.2.1 物理模型以及网格划分 .................................. 42
§6.2.2 边界条件的设置 ........................................ 44
§6.3 直吹式空调器数值模拟结果与分析 ............................. 44
§6.3.1 工况 A室内流场和温度场的特性分析 ..................... 45
§6.3.2 工况 B室内流场和温度场的特性分析 ..................... 46
§6.3.3 工况 C室内流场和温度场的特性分析 ..................... 47
§6.3.4 工况 E室内流场和温度场的特性分析 ......................48
§6.3.5 直吹式空调器数值模拟结果与试验对比 .................... 49
§6.4 嵌入式空调器数值模拟结果与分析 ............................. 52
§6.4.1 工况 G室内流场和温度场的特性分析 ..................... 52
§6.4.2 工况 H室内流场和温度场的特性分析 ..................... 54
§6.4.3 工况 I室内流场和温度场的特性分析 ...................... 55
§6.4.4 工况 K室内流场和温度场的特性分析 ..................... 56
§6.4.5 嵌入式空调器数值模拟结果与试验对比 .................... 58
§6.5 热环境因素对人体热舒适性的影响分析 ......................... 61
§6.5.1 热舒适方程 ............................................ 61
§6.5.2 PMV 指标 ............................................. 62
III
§6.5.3 PMV 方程 ............................................. 62
§6.5.4 各工况下送风断面的 PMV 分布以及分析 .................. 63
§6.6 本章小结 ................................................... 65
第七章 小结与展望 ................................................... 66
§7.1 小结 ....................................................... 66
§7.2 展望 ....................................................... 67
附录 ................................................................ 68
参考文献 ............................................................ 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 76
致 谢 .............................................................. 77
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题提出的背景及意义
自从改革开放以来，我国人民的经济能力和社会生活要求有了很大地提高。
带来了家用空调行业的迅速发展。前几年主要是作为家电行业产品的分体式空调
器以及窗式空调器行业的腾飞。作为分散式空调系统的家用分体式空调器以及窗
式空调器有着以下显著优点：
1.安装简便，无需吊顶等配套，与装潢土建的关系很小。
2.使用方便，可以通过调节百叶方向改变送风方向，并可独立控制房间温度。
3.体积小，节省使用空间。
4.初次投入资金最低，无需设置空调机房和配置附加设备。
随着家居条件不断改善，对空气环境舒适性逐渐认知以及近两年来能源危机
的关注加强，人们越来越多的发现家用分体式空调器以及窗式空调器有以下主要
的缺点：
1.室外机多，影响美观。随着我国房地产的发展中可以看出个体消费者的购
买能力在逐年提高,大面积、多居室住宅、别墅、洋楼等越来越受到欢迎,精装房
的建设比例成明显上升势头[1]。因此，安装分散式空调系统，且其相互连接的冷
媒管在室内很难隐藏，不仅破坏了室内装潢的统一，也严重影响建筑外立面的美
观。
2.能耗低。近两年来，能源危机和夏季用电高峰电荒问题日益突出，设备的
节能就显得越来越重要。传统的分散式的家用空调，其制冷系数较低，一般为 2.6～
3.0，因此长时间使用会带来高电费[2]。
3.房间温度分布不均匀[2]。由于分散式空调系统受到安装以及美观的限制，
开启后并不能使房间温度均匀下降，此外，分散式空调系统的风量较小，为了克
服围护结构、人员、灯光等热负荷，其送风温度会更低，使得各个区域的温差加
大，出现孤岛效应，造成人的不舒适感。
针对这些问题，诞生了家用中央空调系统，较好地解决了这一问题。家用中
央空调也称户式中央空调，其概念起源于美国，是由一台主机通过风管或冷（热）
媒管传输能量，控制多个房间室内空气状态的空调系统。家雍中阳空调系统是一
种集中产生冷热能量，分散处理空调负荷的家用空调系统。它在制冷原理、构造
上均类似于普通的分散式家用空调，因此，它继承了中央空调系统的良好效果以
及分散式空调安装灵活和高度智能化的特点[4]，可以适用于 80～800m2的大户型
家用中央空调两种室内机流场温度场及热舒适性的研究
2
或者多居室等住宅。
户式中央空调的系统形式根据输送介质的不同分成以下三种：
1.冷热水系统。输送介质通常为水，也有乙二醇溶液。它通过室外主机产生
出空调冷热水，由管路系统输送到室内的各个末端，在末端装置处冷热水与室内
空气进行热量交换。其缺点是，系统复杂，需要设置热交换器、水泵、膨胀水箱
等配件；水系统进入室内，安装和运行会有水患；不适合家用环境,难于普及推广。
2.风管式系统。输送介质为空气，是一个小型的全空气中央空调系统，它利
用室外主机集中产生的冷/热量，对室内回风进行冷却/加热处理，再送入室，达
到消除室内负荷的目的。其缺点是，空气输配系统所占用建筑物空间较大，且对
房间层高要求高。
3.变制冷剂流量系统（Varied Refrigerant Volume）。输送介质为制冷剂。室外
主机由室外换热器, 压缩机和其他制冷附件组成，室内机由直接蒸发式换热器和
风机组成。制冷剂通过管路由室外机送至室内机，通过控制管路中制冷剂的流量
以及进入室内散热器的制冷剂流量,满足不同负荷房间对热湿的要求。该系统采用
变频器改变压缩机转速, 并通过电子膨胀阀调节、控制冷媒的流量, 适合于供冷
和供热的各种运行工况。变制冷剂流量系统是集数字变频技术、智能网络控制、
制冷剂自由分配等多项技术于一体的空调系统，具有制冷和供热速度快、一拖多、
温度波动小、噪声低、运转平稳等优点，且各个房间可以独立调节、能满足不同
房间的不同空调负荷的要求[5]。
2007 年全国空调市场总结性报告指出：“变制冷剂流量系统是近 5 年来暖通
市场上表现最为抢眼的市场。在 5 年前，国内市场基本上是美系风管机独领风骚。
2002 年开始，以大金为代表的日系品牌在中国市场经过了几年的基础累积之后开
始在市场发力，再加上国内以美的、格力、海尔等家电巨头纷纷加入了这个市场
的开发。近 5年内取得了迅猛发展，市场保有量持续高位攀升。2006 年就已经取
得了与冷水机组持平的市场占有率，2007 年已经达到 110 亿元，取代了美系风管
机成为家用中央空调市场的主力军[6]。”
国内外对于内气流组织形式的研究主要采用以建筑空间为对象的计算机数值
模拟技术。对大型中央空调常见的上送下回、上送上回、下送上回、中部送风等
方式进行了深入的研究，而对于家用中央空调最常见的嵌入式和直吹式两种空调
室内机气流形式的研究报道较少。国外对热舒适性的研究十分活跃，已经从传统
精确界定发展到模糊综合评判和神经网络评判。
研究直吹式和嵌入式空调房间内不同送风参数下的室内流场和温度特性，探
讨室内气流形式与热舒适性的关系，建立不同热环境下的热舒适行评价模型。对
第一章 绪 论
3
家用中央空调设备的选择，空调器的结构改进、系统优化具有意义，能为家用中
央空调系统提高舒适性提供参考。
§1.2 课题研究现状
§1.2.1 室内气流组织形式的研究现状
1.2.1.1 国外研究现状
1933 年，英国人 Thom 首次用手摇计算机求解了二维粘性流体偏微分方程，
开创 CFD 的先河。由于计算机技术的迅猛发展，现在的个人工作站甚至个人计算
机的性能达到了以前大型机的能力，CFD 技术的应用迅速向一般民用领域扩展，
在暖通空调工程中的研究和应用也越来越多。CFD 技术逐渐成为广大空调工程师
和建筑师解决分析气流流场问题的有力工具[7-17]。
1986 年，美国国家标准协会对世界范围内用 CFD 模拟室内空气流动的发展
情况进行了总结，并成立了专门的研究机构，致力于室内空气流动的研究[18]。
Guohui Gan 利用 CFD 技术对机械通风房间的室内环境和总的空气分布系统
的通风系统效率进行了预测，结果发现在供热和制冷两种情况下最有效的空气分
布方式是不同的；从室内空气品质（简称 IAQ）和能耗方面考虑，向上置换通风
产生的空气分布方式较好[19]。
日本东京大学的 Murakami 利用低雷诺数 k－ε湍流模型和 Gagge 的人体两
节点模型，模拟计算了人体与环境热湿传递过程中人体周围的空气温度、湿度、
空气流速分布，模拟计算结果与对真人和暖体假人的实测结果相近[20-23]。利用模
拟计算结果可准确预测各种室内热环境的人体的感觉。
Qingyan Chen等提出了一种零方程模型计算各种通风房间内的速度、温度和污
染物浓度分布的方法。该模型假设湍流粘性系数是长度和当地平均速度的函数，
计算速度比标准k-ε模型至少快了十倍，计算结果与标准k－ε模型算出的结果基本
吻合。2001年又进一步提出在通风房间中可以采用双层湍流模型，即在y*<80的近
壁面采用一方程模型，而在远壁面的区域则仍采用标准k－ε模型，可以大大减少计
算量[24,25]。
美国麻省理工学院(MIT)开发了几个雷诺平均纳维――斯托克斯 RANS
(Reynolds Averaged avier-Stokes)方程模型（如双层 k-ε紊流模型和零方程模型的
CFD 程序）和大涡模拟 LES (Large Eddy Simulation)程序，用于模拟计算带有置
换通风的办公建筑室内空气流速和温度、进行建筑物能量分析和室内热环境设计、
家用中央空调两种室内机流场温度场及热舒适性的研究
4
评价建筑物自然通风效果、研究建筑材料的挥发性有机化合物 VOC 释放和室内
空气品质问题[7-9,11,24]。
Weizhen Lu，Andrew T.Howarth 等对供热房间进行了数值模拟和实验测量，
两者结果均表明由散热器产生的壁面射流对室内气流流动方式、温度和污染物颗
粒的分布有着很大的影响，尤其在靠近热源的区域，污染物可能集中于此，并且
对人体有害的影响[25]。
S.L.Sinha, R.C.Arora 等对暖空气气流在不通高度的供热房间内的速度和温度
分布进行了研究，考虑了 Boussinesq 假设下稳态层流的不可压缩流动，得到了不
同位置处入口和出口、不同格拉晓夫数和不同雷诺数情况下的结果[26]。
Juan Abanto 等对一个采用顶棚四方向射流器送风的计算机房进行了模拟，重
点研究了人体热舒适指标。结果表明边界条件和几何体的真是形状（如射流器入
口）对整个流场流体的流动方式有很强的影响[27]。
1.2.1.1 国内研究现状
80年代末，汤广发等对二维层流室内自然对流进行了数值计算，并给出了其
数值解;次年又用三维紊流数值方法对水电站主厂房通风气流组织进行了数值模
拟，并提出此方法可对水电站厂房的通风进行优化设计，但在紊流模型的选取和
边界条件的处理上过于简化，以致与实际的流动情况有较大的偏差[28,29]。
90年代，一些研究者在前人的研究基础上，着重在湍流模型的选择和边界条
件的处理上做了一些研究。顾瑞英，武文斐在热源表面温度给定的条件下用k-ε两
方程湍流模型求解了气流的速度和温度分布，考察了送风方式(上送下回、下送上
回、侧送侧回)、送风量、热源表面温度、热源表面和壁体表面的黑度、室外环境
通过壁体的传热等诸因素对室内气流组织的影响[30]。
徐丽等采用雷诺平均的Navier-Stokes方程与RNG的k－ε两方程湍流模型，针对
三种不同的通风方式，对设障碍物、污染源和集中热源的房间内三维速度场、温
度场以及污染物CO2的浓度分布进行了数值模拟，给出了污染物质质量组分的对流
-扩散方程[31]。
荣庆兴等利用CFD方法对带有地板辐射的地板送风空调系统制冷运行时室内
速度场和温度场进行了数值模拟。结果表明带有地板辐射的地板送风空调系统与
传统的地板送风空调系统相比，温度变化更小，热舒适性更好[32]。
李晓冬等利用CFD方法对大空间建筑室内空调温度场进行了数值模拟，探讨
了一种基于多区热质平衡模型的边界条件确定方法，建立了各宏观“大控制体”
内的热质平衡方程[33]。
那艳玲等以CFD的模型为基础，采用有限容积法对带有冷却顶板的置换通风
第一章 绪 论
5
系统和不带冷却顶板的普通置换通风系统的温度场、气流分布以及人体的热舒适
性进行了模拟分析。模拟结果表明，冷却顶板置换通风系统可以减少室内温度梯
度，提高人体热舒适性[34]。
赵斌等利用带浮升力效应的k－ε湍流模型和一个新零方程湍流模型分别对某
房间内空气的混合对流流动进行了数值模拟。通过比较发现，新零方程湍流模型
与实验数据吻合得更好且可以很快获得收敛解。并对房间内等温流动、非等温流
动进行了模拟，发现数值计算结果和试验数据吻合得很好。考察和验证了新零方
程湍流模型对暖通空调领域中流动和传热问题的实用性和可靠性[35,36]。
§1.2.2 室内热舒适性的研究现状
1.2.2.1 国外研究现状
1902年美国威利斯·开利博士发明空调以后，空调迅速在生产和生活中受到广
泛应用，人们急需在舒适性方面的资料。1919年美国采暖和通风工程师学会在匹
兹堡新建了一个环境实验室，开创了热舒适性研究新时代。
1967年丹麦学者P.O.Fanger教授发表了关于舒适方程的著名论文，建立了人体
热舒适的整套理论。Fanger 制定了三个舒适度条件[37]，(1)人体必须处于热平衡，
人体体内产生的热量等于向环境散发的热量，即热量不能在人体内积聚，否则，
人的体温要发生变化，从而会感受到不舒适。(2)皮肤的平均温度应具有于与舒适
相适应的水平。
(3)人体应具有最佳的排汗率，排汗率也是新陈代谢的函数。
Fanger
在大量试验数据的基础上，根据热舒适的三个条件，建立了一个最重要的舒适度
指标－－PMV（Predicted Mean Vote）。Fanger的舒适方程被证明是非常成功的，在
它发表后的几年内，哥本哈根实验室进行了几项实验已验证其可靠性。
世界各地都开展了人体热舒适的试验调查，通过这些实验研究，得出很多室
内热环境与人体热舒适之间的关系的结论，也制定了一系列有关热舒适性的标准
和指标（如ISO7730-1994，ASHRAE Standard55-1992）。
Int-Hout根据Fanger的PMV模型提出了一种用于热舒适计算的计算机模型，该
模型能够很方便的进行热舒适性计算，但是实现实时控制较为困难[38]。
Sherman在Fanger的PMV模型的基础上，通过线性化辐射换热项，提出了无任
何迭代过程的PMV指标的简化计算模型，该模型能对室内的热舒适区做出准确的
判断[39]。
Federspiel，Asada在Fanger的PMV模型的基础上，假设辐射换热系数和热传递
系数都是线性的，服装热阻和人体活动的新陈代谢率都是常数，推导出由四个环
摘要：

I目录摘要ABSTRACT第一章绪论.......................................................1§1.1课题提出的背景及意义........................................1§1.2课题研究现状................................................3§1.2.1室内气流组织形式的研究现状.............................3§1.2.2室内热舒适性的研究现状.................................5§1.2.3国内外关于家...

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