施清清 杨为标 眭 敏

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

前言

随着人民生活水平的提高，空调器作为调节室内温度的主要设备进入千家万户，成为家庭和办公场所的必备电器之一[1]。其中分体式空调室内机作为安放在用户室内的部件，在给人们工作生活带来凉爽舒适体验的同时，对凝露乃至漏水问题的控制，也提出了很高要求[2-4]。通过对售后的调研分析，目前导风板、导风叶片与出风口四周边沿凝结水滴或滑落的凝露问题，占漏水类投诉比例的80 %以上，已成为漏水售后投诉的突出故障。而凝露现象大多与室内机尤其是出风口位置的内部流场流动有非常密切的关联。空调室内机风道系统主要由贯流风机、蒸发器与导流流道组成，其关键结构的优化设计与冷热涡流的控制是需要重点考虑的内容，其变化对空调凝露性能产生直接的影响。

目前制冷行业主要按照GB/T 7725-2004《房间空气调节器》规定进行“凝露试验”。将空调器的温度控制器、风扇速度、风门和导向格栅，在不违反制造厂规定下调到最易凝露状态进行制冷运行，达到室内27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工况后，空调器连续运行4 h，要求“空调器箱体外表面凝露不应滴下，室内送风不应带有水滴”[5]。通过实验的方法对结构优化因子进行评估，势必导致反复的迭代优化、研发周期和费用的增加。笔者结合数值模拟，研究分体式空调室内机出风口关键结构对气体流场与凝露的影响，并验证其制冷、制热的舒适性体验，为分体空调器室内机出风关键结构优化提供参考。

1 凝露产生原理

空气中主要成分有氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气等组成，空气里的水份含量（含湿量）与环境温度成正比，即环境温度越高，空气里水分就越多。而所谓的露点温度，是在空气含湿量不变的情况下，通过冷却降温而达到饱和状态时的温度称为露点温度。简单来说，就是空气中水分凝结成水滴的温度。环境或表面温度越低，空气流过或者汇聚越容易凝露。

目前挂壁式空调器的制冷模式普遍采用表冷除湿的同时实现制冷，通过降低室内机换热器表面温度，到空气的露点温度以下实现制冷。当空调器局部位置表面温度比周围空气的露点温度低的时候，空气中析出的水分就会粘附在如注塑等结构件表面形成凝露水。如果在空调出风口处的关键结构存在设计不当，就会发生热气流与冷气流在此涡流混合，往往会导致在出风口上、下沿等位置出现凝露、聚集现象，当露珠增大到一定程度后会聚集滴落，引起凝露（图1），进一步发展就会发生漏水问题，造成用户投诉甚至财产、安全损失。

图1 分体空调器室内机出风口上、下沿凝露现象

本文采用有限元软件对空调室内机制冷工况下内部的流场进行仿真，同时对出风框的结构尺寸和形状等进行调整，仿真计算不同方案下出风口上、下沿的气流速度场、矢量图，有助于开展制冷凝露问题的特征研究，提高空调运行质量。

2 模型建立

以最具代表的1.5匹分体空调器室内机建立模型进行仿真计算，图2所示为右视结构剖视图。外部热空气通过进风格栅进入室内机内部蒸发器制冷的通道，热空气经过换热翅片与管内制冷工质发生热交换温度降低，冷空气通过贯流风叶、导流流道、出风口（导风板、导风叶片）等排出[6]。

图2 分体空调器室内机右视结构剖视图

3 数学模型与边界

空调室内侧结构由蒸发器、贯流风叶和导流流道、出风口（导风板、导风叶片）等组成。为简化仿真计算，将内部流场视为不可压缩的理想流体，以标准k－ε湍流模型计算得到的稳态流场作为非稳态的初始流场，采用有限体积法的N－S方程的湍流模型，贯流风叶进出口设为大气压力边界条件，采用四面体网格、网格无关性检验，由于模型的贯流风叶长度与直径之比超过3∶1，仿真流场可认为二维模型，对风叶和过渡局部进行加密，划分所得到的网格模型。

3.1 仿真结果分析与优化

贯流风叶进、出口设为大气压力边界条件，贯流风机转速设置为1 270 r/min，室内机内部及出风口流场风速云图与矢量图如图3、4所示。从图3中可以看出，在贯流风叶轮内圆侧靠近蜗舌位置存在偏心漩涡流动，但该位置由于不存在冷热空气混合，难于发生凝露现象。在导风板水平位置时冷空气流过斜面，室内机的左右两端理论上可以带动外界空气产生涡流，凝露隐患会显著增加，不过由于对应位置风量衰减，实际凝露情况不明显。实际试验时出风口上、下沿位置凝露显著，从出风口上沿位置的风速矢量图（图5）可见，出风框上沿位置出现结构尖角流速和压力损失较大情况下的漩涡流动现象，遇到在重力作用下流的湿热空气，汇聚形成凝露水，聚集在出风框上沿。且出风口下沿位置的风速矢量图（图6）可见，扫风板下部冷风向下，负压带动热空气存在涡流区，导致出风口下沿位置形成凝露水聚集。

图3 流场风速云图

图4 流场风速矢量图

图5 出风口上沿流场风速矢量图

图6 出风口下沿流场风速矢量图

为了改善冷热空气在出风口上下沿的涡流汇聚[7]，通过增加过渡圆角及凸面的使用，利用康达效应以提高界面流速，达到提高出风口下沿过渡位置流速和压力，达到改善空气涡流效果。通过采取不同的风口下沿的R角、凹凸面形状方案，并建立数字模型与仿真，得到不同方案下的出风口流场风速与矢量图，发现通过适当的增加过渡段R角长度、增加过渡段高度并在过渡位置设置不同高度与形状的梯形凹槽的方案，经反复仿真计算对比与优化。发现优化后方案，可以实现冷热空气混合位置压力和风速分布均衡，冷热空气均未出现空气涡流与聚集情况。其中，图7为对方案仿真对比后，得到的最优流场风速矢量图，图8、9为出风口上、下沿位置的流场风速矢量图。

图7 优选方案后的流场风速矢量图

图8 优选方案后的出风口上沿流场风速矢量图

图9 优选方案后的出风口下沿流场风速矢量图

3.2 凝露工况验证

为验证优化方案后，出风框上、下沿的凝露性能，按照GB/T 7725-2004《房间空气调节器》规定开展“凝露试验”验证。在超强档开机，贯流风叶转速1 270 r/min，达到室内27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工况后，调节温度控制器、风扇速度、风门和导向格栅在不同档位、状态下，识别最易凝露位置，连续运行制冷状态4 h[5]。

试验现象：压缩机运行频率70 Hz，出风温度：14.25 ℃，工况稳定后，对比识别出导风板、扫风叶片、出风框上下沿最易凝露位置。最高风档运行时4 h，风道内无水滴吹出和漏水现象，出风口上、下沿周围、面板均没有水珠凝露明显聚集、无水珠滴落；接水部件接水良好，排水顺畅，显示器表面、内部、控制面板上无凝露水。

试验结论：依据GB/T 7725-2004“凝露试验”要求，面板体、出风框上、下边沿无凝露水，试验合格。

3.3 舒适性验证

为避免调整出风框结构尺寸设计和流场，导致气流组织不合理。如制热时热风悬浮无法落地、制冷时冷风下坠贴地走，导致客户“头热脚冷”的舒适性问题。特验证优化方案对空调室内机制冷、制热舒适性影响，具体试验条件与过程如下：

房间面积3.3 m×5 m，安装高度2.5 m，导风角度采用45 °，室内温度 20 ℃，房间内长、宽、高度方向每 0.5 m 布置一个风速测点，测试各个风速点的速度并寻找最大速度距离地面高度，绘制送风轨迹图（图10～13）。

图10 制冷试验送风轨迹（第一格）

图11 制冷试验送风轨迹（第五格）

图12 制热试验送风轨迹（高风档）

图13 制热试验送风轨迹（超强档）

其中，手板件为优化后方案，原机为原方案。

通过对比运行过程中不同样机和工况的送风轨迹分布。制冷工况结构优化调整前、后，制冷第一格3 m内送风高度基本不变，3 m外送风高度降低20 cm，制冷第五格送风高度相当，人身高和活动区域制冷舒适性能够得到保障。制热工况结构优化调整后，制热高风档原机2 m处不落地，手板可以落地，制热超强档手板落地滚得更远，房间温度比较均匀，气流效果较好，制热舒适性及实验员体感手板比原机稍理想。

3.4 其他测试

风量合格；噪音测试合格，音质评估可以接受。

3.5 结构标准化

制定企业标准QJ/GD 13.00.070《分体机防凝露结构设计规范》 ：对于普通单/双导风板机型（推出导风板及L系列导风板除外），面板体风口下沿推荐设计一段垂直过渡结构，尺寸A≥4mm，直边设计凹槽结构（图14），避免冷热空气在面板体下沿拐角交汇而出现明显凝露。

图14 分体机出风框上、下沿防凝露设计局部结构规范

4 结论

对于挂壁式空调器的制冷模式出风口上、下沿等位置出现凝露、聚集现象，通过建立模型并分析了出风框不同结构尺寸、导流流道方案对出风流场与凝露的影响，结论如下：

1） 原结构方案在出风口上、下沿位置存在结构尖角，出风口冷空气流速和压力与环境的湿热空气存在明显差异。且出风口下沿位置扫风板下部冷风向下，负压带动热空气存在涡流区，导致出风口下沿位置形成凝露水聚集、滴落等问题。

2）利用康达效应以提高界面流速的原理，通过对出风结构上、下沿尖角增加过渡圆角凸面、凹面的组合使用，达到提高出风口下沿过渡位置流速和压力，达到改善空气涡流效果。通过建立数字模型与仿真，发现优化后方案可以实现冷热空气混合位置压力和风速分布均衡，避免冷热空气出现空气涡流与聚集情况。

3）优化后的方案，经GB/T 7725-2004《房间空气调节器》 “凝露试验”验证在导风板、扫风叶片最易凝露位置，最高风档运行4小时，出风口周围面板上、下沿没有水珠凝露聚集，试验合格。经舒适性试验验证，送风轨迹高度分布理想，制热、制不会导致客户“头热脚冷”的舒适性问题。

4）结合结构优化、数值仿真与试验验证情况，完善局部结构设计规范与标准，对室内机风口上、下沿垂直过渡结构的局部结构标准化，确保设计效率与质量。