高濕度環境下的空調出風口防結露分析

張英男

中旭建筑設計有限責任公司

0 引言

中央空調出風口結露是空氣中的水分在溫度較低的中央空調出風口凝結的現象，常導致中央空調出風口濕滑、出風口內發霉、空氣異味等問題，影響室內環境健康和舒適性。室內無結露現象是對建筑進行熱濕環境評價的前提條件[1]，在夏熱冬冷地區，中央空調出風口結露現象常發生在春夏季，此時室外空氣濕度高，溫度波動大，極易使室內中央空調出風口溫度低于空氣露點溫度，引起中央空調出風口結露。為避免這一結露現象，GB/T50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》中推薦建筑中央空調出風口采用低蓄熱系數或具有一定吸濕能力的材料。但這種措施防結露效果有限，僅當中央空調出風口結露情況較輕或是持續時間短時能起到一定作用。

本文通過模擬計算方法，研究高濕度環境下的中央空調出風口溫度變化規律，比較中央空調出風口材料及相關措施的防結露效果，以供設計師在實際工程中參考。

1 模型概況

本文選擇潮濕季節高濕環境下某房間為研究對象。使用DesignBuilder軟件建立房間建筑模型，利用CFD軟件進行模擬，采用《中國建筑用標準氣象數據庫》中典型氣象年數據，對該房間室內溫度、濕度進行全年逐時模擬。利用室內氣溫及相對濕度計算室內露點溫度[2]，分析中央空調結露的時間和強度，以及改善的效果。

圖1為在DesignBuilder軟件中建立的房間簡化模型。建筑圍護結構熱工參數均按照GB/T50824-2013《居住建筑節能設計標準》中的規定設置，具體參數設置見表1，鋁合金、木材、ABS材料等傳熱系數分別為3.4 W/(m2·K)，2.8 W/(m2·K)，3.1 W/(m2·K)。房間的尺寸5 m×3 m×3 m，內部熱源為人員和計算機，其中電腦1臺（300 W/臺），工作人員 1人（150 W/人），總計所需冷負荷為3.08kW；低溫送風口1個；回風口尺寸為0.5 m×0.3m。將坐姿的人體簡化為0.4 m×0.3 m×1.2 m長方體，電腦簡化為0.4 m×0.4 m×0.4 m的正方體。

表1 模型圍護結構參數

圖1 高濕環境房間模型

如圖1，使用當地典型年氣象數據進行全年溫度模擬時，按通常情況設置室內參數。住宅室內人員、電腦、照明等產生的內熱源強度，按節能標準推薦值設置為4.3 W/m2。室內通風換氣按農村住宅使用的被動式狀態設置。在較為寒冷的11月至次年3月，所有房間外窗關閉，室內換氣次數設為1次/h。在4月至10月期間，室外氣溫達到18 ℃以上，所有房間外窗開啟，室內為自然通風。

本文中，設室內的冷負荷是由低溫送風來承擔的，室內設計溫度為25℃，相對濕度為60%。設定低溫送風的送風溫度9℃，低溫風口一個，送風風量560 m3/h。為簡化問題使控制方程適用于本問題，作如下假設：對于流場計算條件的設定室內流體為不可壓縮常物性牛頓流體；空氣密度采用Boussinesq假設，即流體密度僅依賴溫度變化，與壓力無關；室內的湍流Re數較低，采用RNG的k-ε模型求解流場控制方程；在近壁面處采用非平衡壁面函數法[3]。

2 模擬結果及分析

2.1 三種材料下的中央空調出風口結露分析

將鋁合金、木材、ABS材料中央空調出風口結露情況模擬結果相比較，分析不同材料對出風口結露情況的改善效果。為此我們引入結露強度概念，定義出風口溫度與露點溫度的差值為Δt，Δt值越大，結露強度越高。圖2為3種材料各月結露時數比較，圖3為3種材料結露強度比較，模擬結果如下。

圖2 各材料出風口結露時數對比

圖3 各材料出風口結露強度對比

由圖2、圖3可以看出，使用鋁合金材料時，結露時間最長，采用ABS材料時，結露時數明顯降低，僅為鋁合金材料的39%，重度結露的比例明顯減少，沒有出現溫差Δt＞3 ℃的結露強度。但全年結露時間依然超過300h，其中20%的時間Δt＞1 ℃。可見ABS材料的防結露效果有限，不足以解決高濕度環境下的中央空調出風口結露問題。

采用木材材料時，結露時間相比其他種類材料大幅度減小，3、6、7月地面結露完全消除.4、5月結露時數分別僅為4 h、22 h，結露強度低，Δt均小于1℃。考慮到具有吸濕性的木材材料能在一定程度上減輕短時間、低強度的結露，因此認為木材材料可以基本消除該房間內的中央空調出風口結露問題。

2.2 出風口結露現象分析

由圖4可以看出，出風口側送出的氣流是貼附著風口側壁流出的，形成貼附射流，因此風口側壁不接觸高溫氣流不易結露。值得注意的是，有氣流被誘導反吹到中間百葉和孔芯上，考慮到結露的標志是物體的表面溫度低于空氣的露點溫度，所以還要根據該氣流的露點溫度來判斷是否會引起結露，這就要由該風口的溫度場分布來分析。

圖4 出風口氣流組織分布模擬

圖5 出風口的溫度場分布模擬

由圖5可以看出，這股誘導返回的氣流溫度接近送風溫度9℃，由焓濕圖可以計算出：不論誘導返回的氣流的相對濕度是多少，該氣流的露點溫度都應該低于中間百葉和孔芯的表面溫度，就不易出現結露的現象。

由圖4和圖5可見，低溫氣流離開風口時，利用產生較高的流速來誘導旁邊的氣流，使得送出的低溫氣流沒有完全包絡到風口包邊，包邊周圍的氣流溫度高于送風溫度9℃，且下面包邊周圍的氣流溫度顯著高于上面包邊，因此風口的包邊是易于產生結露的部位。防結露的措施是：上面包邊可以將風口緊貼頂板安裝，通過產生較好的貼附射流效果來避免結露，下面包邊僅靠氣流組織的方法很難做到防結露的要求，一般采用在包邊上貼附導熱性差的材料——塑料或者注絨來提高包邊表面溫度的方法。

分析完低溫風口是否結露的首要條件，再來看看房間的氣流組織和溫度場分布情況。由圖4可以看出，氣流射流到墻邊，在離墻邊較近的距離下沉，再從人體下方自下向上流動，使得人體旁邊的氣流是呈上升的羽流形式，溫度較高的氣流由頂板的排風口排出，氣流的渦流區遠離人體，人體周圍的流速在0.3 m/s左右，符合較好的氣流組織標準。由圖5可以看出，低溫的氣流貼近頂板和墻邊，人體周圍的氣流溫度在垂直方向上的溫差不超過3 ℃。

3 結論

本文根據高濕度地區某房間的實際情況，在DesignBuilder軟件中建立典型房間模型。對采用鋁合金、木材、ABS材料的中央空調出風口模型進行數值模擬，分析模擬結果得出以下結論：

1）使用鋁合金材料時，結露時間最長，采用ABS材料時，結露時數明顯降低，僅為鋁合金材料的39%，重度結露的比例明顯減少，但全年結露時間依然超過300 h，ABS材料的防結露效果有限，不足以解決高濕度環境下的中央空調出風口結露問題。

2）采用木材材料時，結露時間相比其他種類材料大幅度減小，3、6、7月地面結露完全消除。木材材料可以基本消除該房間內的中央空調出風口結露問題。

3）中央空調出風口的包邊是最容易結露的部位，很難通過外形改進的措施（即優化氣流組織的方式）來避免結露，但可以借鑒別的廠家防結露的經驗：貼附導熱性差的材料——塑料或者注絨。

本文僅為高濕度環境下防結露的設計提供理論基礎，具體的實施還需要通過試驗來驗證實際的應用效果。當然要設計出較合理的中央空調出風口還要考慮房間的特征長度、射程、貼附長度及靜壓降等參數，這就需要試驗來分析計算和不斷完善。