摘要：精确的空间温度场调控是调整空调热舒适性的关键。为了探究室内空调制冷的温度分布规律，于环境模拟室中开展现场实验，结合风流场分布的仿真结果，得出室内圆柱柜机空调制冷温度场的时空演化特征。结果表明：高速冷气流下移是产生房间内温度分层现象的主要原因，即使在空调供风口温
空调圆柱柜机制冷温度场
时空变化特征实验研究
作者：
王君健1 赵邦华1 董素君1 黄汝普2 肖久旻2
单位：
1. 北京航空航天大学航空科学与工程学院；
2. 广东美的制冷设备有限公司
摘要
Abstract
精确的空间温度场调控是调整空调热舒适性的关键。为了探究室内空调制冷的温度分布规律，于环境模拟室中开展现场实验，结合风流场分布的仿真结果，得出室内圆柱柜机空调制冷温度场的时空演化特征。结果表明：高速冷气流下移是产生房间内温度分层现象的主要原因，即使在空调供风口温度分布上低下高的情况下，室内温度在空间上仍随着距地面高度的增加而上升。同一垂直面上的上下部温差最小仍可达5.60 ℃。随着降温时长的增加而室内温度逐渐降低，降温速率随着水平高度的增加而逐渐减弱，当降温60 min时，上层等距水平面温差可达3.04 ℃，而下层仅为0.42 ℃。此外，房间墙壁的温度分布及变化与空气域类似，天花板处温度最高且降温速率最慢。该研究结果可为空调气流组织优化设计提供理论支撑，指导相关企业研发新型节能高热舒适性空调。
关键词
Keywords
柜式空调；室内制冷；温度分布特征；时空演化；温度分层
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2024.06.011
引言
热舒适性一直是指导家用空调行业发展的重要因素[1]。温升/温降速率、温度分布极差、湿度、风速、送风距离等均是评判空调舒适性的重要指标[2]。随着2012年国务院批准发展改革委会同有关部门制定的《节能减排综合性工作方案》，高效、低能耗地满足室内人员的热舒适性需求[3-4]，成为了指导空调行业领域研发和生产的首要方针。至今国务院《2024—2025年节能降碳行动方案》中依旧提出要加强建筑运行管理，严格公共建筑室内温度控制[5]，精准温控并在保证舒适性的前提下降碳节能仍是影响空调研究发展的主要指标。室内空调降温的热舒适性与空间尺度上的温度分布、时间尺度上的温度变化有着密切的联系。在室内空调降温调控过程中，温度和气流速度分布将由客观物理规律而产生定向变化[6-8]，由客观规律驱使下形成的室内温度分布是决定热舒适性优劣的必要因素。想要高效、低能耗地实现热舒适性调控，则必须精准考虑空调调控后室内的温度分布状态，有针对性地结合人体主观感受来反演空调几何结构和出风特征的最优化配置。
新型圆柱柜机空调作为一种近年来的新产品，垂直分布的供风口面积更大，风流更易在人员行动的范围内扩散，避免了挂式空调及传统上出风柜机空调[9]局部区域风流扩散不到的现象。以往对于空调的研究多基于整体空调系统设计[10-13]和制冷制热效果研究[14-16]。尽管也有对出风方式[17]、出风口形式等因素带来的舒适性影响进行了分析，但多集中在从通风降温调控方式与人员主观感受的人机交互方面。如Yingdong He等人[18]采用问卷调查的方式，对大学空调宿舍中学生整体和局部热感觉和热舒适进行了统计，并且分析了各身体部位对热感觉，以及热舒适的主观影响。Yifan Zhao等人[19]提出了一种基于热感觉的多区域变风量空调系统的协同控制方法，避免多区域空调在空闲时不必要地运行。然而客观物理环境的温度、气流速度等参数，以及时间和空间的分布情况才是引起主观感受变化的实质原因，因此探讨在柜式空调通风降温的模式下室内温度时空分布的特点及形成机理，理解其对舒适性的影响尤为重要。
本文于某空调降温冷却特性实验室，在典型降温设定下，开展相关温降实验，结合热流体运移原理，分析室内柜式空调降温过程中室内温度分布规律。该研究可为空调气流组织优化设计提供有力支撑，同时为进一步实现室内通风降温，设计高热舒适性的空调提供理论基础。
文章脉络
1 实验设计
1.1 实验平台
1.2 实验方法
2 风速分布特征分析
2.1 空调供风口的风速分布情况
2.2 室内风速分布情况
3 温度分布特征分析
3.1 空调供风、回风口温度监控情况
3.2 室内温度的时空分布特征
3.3 内壁面温度的时空分布特征
图片展示
结论
本研究于某空调降温冷却特性实验室开展现场实验，通过实时监控室内各方位的温度变化情况，得出室内柜式空调降温温度分布的时空特征。本文的主要结论如下：
1）空调产生的低温气流受浮力影响向下部偏移，房间内风速分布上低下高。高速风流在房间下部产生强制对流换热，房间上部依靠浮力自驱动并通过自然对流换热。冷量下移以及换热不同是造成房间内上下层温度分层的主要原因。
2）室内温度空间上的分布在各水平层的均匀性不同，且温度上高下低的分层现象不因供风口温度分布而改变。房间中上部区域温度分布的均匀性要高于下部，远离空调供风口的区域和空调回风口区域的温度分布均匀性也较高。由供风口低温空气形成的局部低温区域随着垂直面远离供风口而面积变小，但垂直面上的上下部温差仍可达5.6 ℃。
3）室内温度在时间上随着降温时长的增加而逐渐降低，不同水平面与垂直面的降温速率不同。其中水平方向上降温速率随着距地面高度的增加而逐渐减弱。降温60 min时，在等距水平面上，上层温差可达3.0 ℃，而下层仅为0.4 ℃。相比而言，垂直面上的平均温度随时间变化的差异并不明显。
4）室内墙壁的温度分布特性与空气域温度分布特性相吻合。温度随通风时间逐渐下降，降温速率较空气域慢，降温60 min时，空调供风口对应面温度最低，天花板温度最高，四周墙壁温度较为均匀。
综上所述，空调的制冷热舒适性优化可进一步从气流组织入手，通过搭配多风机/多风道，调控冷气流方向。通过上下双风机设置，加大下部供风风速，促进低温气流扩散，避免局部低温区域的出现；通过设置左右双风道，向房间不同方向供风，令气流覆盖面积更广，能够与室内不同角度空气进行换热，使温度分布更为均匀。本研究可为环境室内柜机空调降温提供可靠的案例，以室内温度场分布规律为基础，可为热舒适性和敏感性调控提供理论基础和指导方向。
作者简介：
王君健，硕士学位，博士研究生在读。
研究方向：环控与热管理仿真及应用技术。
E-mail：wang_junjian@buaa.edu.cn。
文章引用（GB/T 7714—2015格式引文）：
[1] 王君健, 赵邦华, 董素君, 等. 空调圆柱柜机制冷温度场时空变化特征试验研究[J]. 家电科技, 2024(06): 64-71.
《空调圆柱柜机制冷温度场时空变化特征实验研究》
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来源：家电科技期刊
