分體式空調室內機出風口流場及凝露機理研究與控制

施清清 楊為標 眭 敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著人民生活水平的提高，空調器作為調節室內溫度的主要設備進入千家萬戶，成為家庭和辦公場所的必備電器之一[1]。其中分體式空調室內機作為安放在用戶室內的部件，在給人們工作生活帶來涼爽舒適體驗的同時，對凝露乃至漏水問題的控制，也提出了很高要求[2-4]。通過對售后的調研分析，目前導風板、導風葉片與出風口四周邊沿凝結水滴或滑落的凝露問題，占漏水類投訴比例的80 %以上，已成為漏水售后投訴的突出故障。而凝露現象大多與室內機尤其是出風口位置的內部流場流動有非常密切的關聯?？照{室內機風道系統主要由貫流風機、蒸發器與導流流道組成，其關鍵結構的優化設計與冷熱渦流的控制是需要重點考慮的內容，其變化對空調凝露性能產生直接的影響。

目前制冷行業主要按照GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》規定進行“凝露試驗”。將空調器的溫度控制器、風扇速度、風門和導向格柵，在不違反制造廠規定下調到最易凝露狀態進行制冷運行，達到室內27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工況后，空調器連續運行4 h，要求“空調器箱體外表面凝露不應滴下，室內送風不應帶有水滴”[5]。通過實驗的方法對結構優化因子進行評估，勢必導致反復的迭代優化、研發周期和費用的增加。筆者結合數值模擬，研究分體式空調室內機出風口關鍵結構對氣體流場與凝露的影響，并驗證其制冷、制熱的舒適性體驗，為分體空調器室內機出風關鍵結構優化提供參考。

1 凝露產生原理

空氣中主要成分有氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等組成，空氣里的水份含量（含濕量）與環境溫度成正比，即環境溫度越高，空氣里水分就越多。而所謂的露點溫度，是在空氣含濕量不變的情況下，通過冷卻降溫而達到飽和狀態時的溫度稱為露點溫度。簡單來說，就是空氣中水分凝結成水滴的溫度。環境或表面溫度越低，空氣流過或者匯聚越容易凝露。

目前掛壁式空調器的制冷模式普遍采用表冷除濕的同時實現制冷，通過降低室內機換熱器表面溫度，到空氣的露點溫度以下實現制冷。當空調器局部位置表面溫度比周圍空氣的露點溫度低的時候，空氣中析出的水分就會粘附在如注塑等結構件表面形成凝露水。如果在空調出風口處的關鍵結構存在設計不當，就會發生熱氣流與冷氣流在此渦流混合，往往會導致在出風口上、下沿等位置出現凝露、聚集現象，當露珠增大到一定程度后會聚集滴落，引起凝露（圖1），進一步發展就會發生漏水問題，造成用戶投訴甚至財產、安全損失。

圖1 分體空調器室內機出風口上、下沿凝露現象

本文采用有限元軟件對空調室內機制冷工況下內部的流場進行仿真，同時對出風框的結構尺寸和形狀等進行調整，仿真計算不同方案下出風口上、下沿的氣流速度場、矢量圖，有助于開展制冷凝露問題的特征研究，提高空調運行質量。

2 模型建立

以最具代表的1.5匹分體空調器室內機建立模型進行仿真計算，圖2所示為右視結構剖視圖。外部熱空氣通過進風格柵進入室內機內部蒸發器制冷的通道，熱空氣經過換熱翅片與管內制冷工質發生熱交換溫度降低，冷空氣通過貫流風葉、導流流道、出風口（導風板、導風葉片）等排出[6]。

圖2 分體空調器室內機右視結構剖視圖

3 數學模型與邊界

空調室內側結構由蒸發器、貫流風葉和導流流道、出風口（導風板、導風葉片）等組成。為簡化仿真計算，將內部流場視為不可壓縮的理想流體，以標準k－ε湍流模型計算得到的穩態流場作為非穩態的初始流場，采用有限體積法的N－S方程的湍流模型，貫流風葉進出口設為大氣壓力邊界條件，采用四面體網格、網格無關性檢驗，由于模型的貫流風葉長度與直徑之比超過3∶1，仿真流場可認為二維模型，對風葉和過渡局部進行加密，劃分所得到的網格模型。

3.1 仿真結果分析與優化

貫流風葉進、出口設為大氣壓力邊界條件，貫流風機轉速設置為1 270 r/min，室內機內部及出風口流場風速云圖與矢量圖如圖3、4所示。從圖3中可以看出，在貫流風葉輪內圓側靠近蝸舌位置存在偏心漩渦流動，但該位置由于不存在冷熱空氣混合，難于發生凝露現象。在導風板水平位置時冷空氣流過斜面，室內機的左右兩端理論上可以帶動外界空氣產生渦流，凝露隱患會顯著增加，不過由于對應位置風量衰減，實際凝露情況不明顯。實際試驗時出風口上、下沿位置凝露顯著，從出風口上沿位置的風速矢量圖（圖5）可見，出風框上沿位置出現結構尖角流速和壓力損失較大情況下的漩渦流動現象，遇到在重力作用下流的濕熱空氣，匯聚形成凝露水，聚集在出風框上沿。且出風口下沿位置的風速矢量圖（圖6）可見，掃風板下部冷風向下，負壓帶動熱空氣存在渦流區，導致出風口下沿位置形成凝露水聚集。

圖3 流場風速云圖

圖4 流場風速矢量圖

圖5 出風口上沿流場風速矢量圖

圖6 出風口下沿流場風速矢量圖

為了改善冷熱空氣在出風口上下沿的渦流匯聚[7]，通過增加過渡圓角及凸面的使用，利用康達效應以提高界面流速，達到提高出風口下沿過渡位置流速和壓力，達到改善空氣渦流效果。通過采取不同的風口下沿的R角、凹凸面形狀方案，并建立數字模型與仿真，得到不同方案下的出風口流場風速與矢量圖，發現通過適當的增加過渡段R角長度、增加過渡段高度并在過渡位置設置不同高度與形狀的梯形凹槽的方案，經反復仿真計算對比與優化。發現優化后方案，可以實現冷熱空氣混合位置壓力和風速分布均衡，冷熱空氣均未出現空氣渦流與聚集情況。其中，圖7為對方案仿真對比后，得到的最優流場風速矢量圖，圖8、9為出風口上、下沿位置的流場風速矢量圖。

圖7 優選方案后的流場風速矢量圖

圖8 優選方案后的出風口上沿流場風速矢量圖

圖9 優選方案后的出風口下沿流場風速矢量圖

3.2 凝露工況驗證

為驗證優化方案后，出風框上、下沿的凝露性能，按照GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》規定開展“凝露試驗”驗證。在超強檔開機，貫流風葉轉速1 270 r/min，達到室內27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工況后，調節溫度控制器、風扇速度、風門和導向格柵在不同檔位、狀態下，識別最易凝露位置，連續運行制冷狀態4 h[5]。

試驗現象：壓縮機運行頻率70 Hz，出風溫度：14.25 ℃，工況穩定后，對比識別出導風板、掃風葉片、出風框上下沿最易凝露位置。最高風檔運行時4 h，風道內無水滴吹出和漏水現象，出風口上、下沿周圍、面板均沒有水珠凝露明顯聚集、無水珠滴落；接水部件接水良好，排水順暢，顯示器表面、內部、控制面板上無凝露水。

試驗結論：依據GB/T 7725-2004“凝露試驗”要求，面板體、出風框上、下邊沿無凝露水，試驗合格。

3.3 舒適性驗證

為避免調整出風框結構尺寸設計和流場，導致氣流組織不合理。如制熱時熱風懸浮無法落地、制冷時冷風下墜貼地走，導致客戶“頭熱腳冷”的舒適性問題。特驗證優化方案對空調室內機制冷、制熱舒適性影響，具體試驗條件與過程如下：

房間面積3.3 m×5 m，安裝高度2.5 m，導風角度采用45 °，室內溫度 20 ℃，房間內長、寬、高度方向每 0.5 m 布置一個風速測點，測試各個風速點的速度并尋找最大速度距離地面高度，繪制送風軌跡圖（圖10～13）。

圖10 制冷試驗送風軌跡（第一格）

圖11 制冷試驗送風軌跡（第五格）

圖12 制熱試驗送風軌跡（高風檔）

圖13 制熱試驗送風軌跡（超強檔）

其中，手板件為優化后方案，原機為原方案。

通過對比運行過程中不同樣機和工況的送風軌跡分布。制冷工況結構優化調整前、后，制冷第一格3 m內送風高度基本不變，3 m外送風高度降低20 cm，制冷第五格送風高度相當，人身高和活動區域制冷舒適性能夠得到保障。制熱工況結構優化調整后，制熱高風檔原機2 m處不落地，手板可以落地，制熱超強檔手板落地滾得更遠，房間溫度比較均勻，氣流效果較好，制熱舒適性及實驗員體感手板比原機稍理想。

3.4 其他測試

風量合格；噪音測試合格，音質評估可以接受。

3.5 結構標準化

制定企業標準QJ/GD 13.00.070《分體機防凝露結構設計規范》 ：對于普通單/雙導風板機型（推出導風板及L系列導風板除外），面板體風口下沿推薦設計一段垂直過渡結構，尺寸A≥4mm，直邊設計凹槽結構（圖14），避免冷熱空氣在面板體下沿拐角交匯而出現明顯凝露。

圖14 分體機出風框上、下沿防凝露設計局部結構規范

4 結論

對于掛壁式空調器的制冷模式出風口上、下沿等位置出現凝露、聚集現象，通過建立模型并分析了出風框不同結構尺寸、導流流道方案對出風流場與凝露的影響，結論如下：

1） 原結構方案在出風口上、下沿位置存在結構尖角，出風口冷空氣流速和壓力與環境的濕熱空氣存在明顯差異。且出風口下沿位置掃風板下部冷風向下，負壓帶動熱空氣存在渦流區，導致出風口下沿位置形成凝露水聚集、滴落等問題。

2）利用康達效應以提高界面流速的原理，通過對出風結構上、下沿尖角增加過渡圓角凸面、凹面的組合使用，達到提高出風口下沿過渡位置流速和壓力，達到改善空氣渦流效果。通過建立數字模型與仿真，發現優化后方案可以實現冷熱空氣混合位置壓力和風速分布均衡，避免冷熱空氣出現空氣渦流與聚集情況。

3）優化后的方案，經GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》 “凝露試驗”驗證在導風板、掃風葉片最易凝露位置，最高風檔運行4小時，出風口周圍面板上、下沿沒有水珠凝露聚集，試驗合格。經舒適性試驗驗證，送風軌跡高度分布理想，制熱、制不會導致客戶“頭熱腳冷”的舒適性問題。

4）結合結構優化、數值仿真與試驗驗證情況，完善局部結構設計規范與標準，對室內機風口上、下沿垂直過渡結構的局部結構標準化，確保設計效率與質量。