不同送風(fēng)方式下室內(nèi)熱舒適性的比較

潘李丹 亢燕銘 鐘 珂

東華大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院

不同送風(fēng)方式下室內(nèi)熱舒適性的比較

潘李丹 亢燕銘 鐘 珂

東華大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院

隨著人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)能的要求日益提高，置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)等送風(fēng)方式也逐步得到推廣應(yīng)用。本文利用實(shí)驗(yàn)方法實(shí)測了傳統(tǒng)的混合通風(fēng)與這三種送風(fēng)方式下空調(diào)房間的室內(nèi)溫度和氣流速度，對不同送風(fēng)方式下室內(nèi)溫度分布、氣流分布和熱舒適性進(jìn)行分析比較。

送風(fēng)方式熱舒適性熱環(huán)境碰撞射流

傳統(tǒng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)以高射流慣性力為動力，即使該系統(tǒng)通風(fēng)效率低且耗能，仍占有大部分市場。置換通風(fēng)系統(tǒng)通常地面送風(fēng)，室內(nèi)的低溫空氣受熱浮力的作用上升，形成溫度分層，工作區(qū)的熱舒適性和空氣品質(zhì)良好，然而置換通風(fēng)系統(tǒng)只適用供冷。

近年來瑞典基于碰撞射流原理發(fā)展了一種新的氣流組織形式[1]。碰撞射流作為中等動量送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合了混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)：碰撞射流系統(tǒng)送風(fēng)動量比置換通風(fēng)高，所產(chǎn)生的射流可使空氣在地面均勻蔓延，類似置換通風(fēng)在工作區(qū)下部形成一個干凈的區(qū)域[2]。本文以夏季作為典型工況，對四種送風(fēng)方式的熱舒適性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在全比例模型人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。該氣候室位于實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)，長3.6m×寬3.0m×高2.6m，相當(dāng)于一個小型辦公室。氣候室內(nèi)有多個雙層百葉風(fēng)口，尺寸均為0.24m×0.34m?；旌贤L(fēng)送風(fēng)口置于天花板處，冷氣流直接射入下部區(qū)域；置換通風(fēng)和地板送風(fēng)的送風(fēng)口分別位于墻面下側(cè)和地面；碰撞射流的空氣由圓形風(fēng)管送入室內(nèi)，圓形管截面直徑為0.2m，風(fēng)管從天花板延伸到距離地面0.6m高度處。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝有三盞日光燈（36W×3），一臺電腦主機(jī)模型（0.5m×0.27m×0.295m長方體內(nèi)置200W燈泡），兩個人體模型（0.52m×0.42m×1.2m長方體內(nèi)置100W燈泡）。風(fēng)速變送器HD403TS和溫度變送器EE80-2CT6分別用于測量室內(nèi)各測點(diǎn)的風(fēng)速和空氣溫度，風(fēng)速變送器測量風(fēng)速范圍為0.05～5.00m/s，精度為±（0.03m/s+2%f.s.），溫度變送器測量范圍為-5～55℃，精度為±0.3℃。測試儀器安裝在測桿上，各高度的溫度可同時測得。此外風(fēng)速儀9535用于測量送風(fēng)口的送風(fēng)溫度和風(fēng)速，風(fēng)速測量范圍為0～30m/s。

本實(shí)驗(yàn)包括四種工況，實(shí)測了各種送風(fēng)方式的溫度和風(fēng)速，并對受試者進(jìn)行熱舒適性的主觀調(diào)查。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

參加實(shí)驗(yàn)的3名受試者全為在讀學(xué)生，其中1名男生2名女生。受試者的基本情況如表2所示，參照其他類似實(shí)驗(yàn)，要求受試者身體健康，參加實(shí)驗(yàn)前具有良好的睡眠以及飲食，且不應(yīng)喝過含酒精的飲料。

表2 受試者基本情況

受試者進(jìn)入氣候室之前按實(shí)驗(yàn)要求整理服裝，由實(shí)驗(yàn)人員向受試者介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)過程中所要注意的事項(xiàng)。受試者進(jìn)入氣候室后按事先安排好的位置坐下，在實(shí)驗(yàn)過程中受試者可以閱讀書報(bào)、操作手機(jī)或輕聲交談，但不能交流實(shí)驗(yàn)過程中對熱環(huán)境的評價(jià)。受試者在氣候室內(nèi)先靜坐30 min后開始正式實(shí)驗(yàn)，從開始接受第一份問卷開始每隔5分鐘填寫一份問卷，調(diào)查歷時30 min，每人需要填寫7份問卷。實(shí)驗(yàn)室布置圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室布置圖

實(shí)驗(yàn)中的受試者的服裝為夏季標(biāo)準(zhǔn)著裝，上身穿夏季薄質(zhì)長袖或短袖衫，下身穿長褲。受試者問卷內(nèi)容包括：受試者的個人資料、熱感覺投票。熱感覺投票TSV采用7個等級的衡量標(biāo)準(zhǔn)。投票標(biāo)尺見表3。

表3 熱感覺投票標(biāo)尺

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本文通過溫度、速度和熱舒適性三個參數(shù)分析了各種送風(fēng)方式的通風(fēng)特性，并從人體熱舒適理論出發(fā)探究不同送風(fēng)方式的人體熱感覺。

2.1 溫度分布

圖2為不同送風(fēng)方式各測點(diǎn)的溫度梯度。由圖中可以看出，各種送風(fēng)方式各測點(diǎn)的溫度隨高度基本呈上升趨勢，這是室內(nèi)熱源作用的結(jié)果，空氣受熱浮力的影響上升使得上部區(qū)域氣溫較高?；旌贤L(fēng)0.1～1.7m高度范圍內(nèi)所觀察到的垂直方向溫度沒有明顯變化，表明混合通風(fēng)空氣混合度高溫度分布均勻；置換通風(fēng)0.1～1.1m高度處的溫度變化幅度相當(dāng)大，溫度梯度大，而1.1m以上的溫度相對均勻，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。這是因?yàn)橹脫Q通風(fēng)送風(fēng)速度很小，送入室內(nèi)的冷空氣利用自身的重力向四周緩慢平鋪，在近地面處形成空氣湖，上升的氣流產(chǎn)生紊流區(qū)。地板送風(fēng)各測點(diǎn)的溫度梯度較相似，溫度變化范圍在19～23℃，室內(nèi)溫度較低。由于碰撞射流送風(fēng)口的位置距離測點(diǎn)2較近，該測點(diǎn)0.1～1.1m高度處的溫度梯度相較其他測點(diǎn)特別大。中動量出流的氣流與地面發(fā)生碰撞后在近地面處擴(kuò)散到一定距離后向上回流，氣流與室內(nèi)空氣混合，使得近風(fēng)口處的下部區(qū)域溫度梯度較大。

圖2 各種工況各測點(diǎn)的溫度梯度

工作區(qū)的空氣溫度分布情況決定著室內(nèi)熱舒適性，較大的垂直溫差會讓人不舒服。按照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)[3]，地面以上標(biāo)高0.1m處和標(biāo)高1.1m處的空氣溫度之差必須小于3℃，這是考慮坐著的情況。在考慮站立情況時，美國ASHRAE55-92標(biāo)準(zhǔn)[4]建議標(biāo)高0.1m和1.7m之間的溫差不大于3℃。實(shí)驗(yàn)測得置換通風(fēng)0.1～1.1m高度處的最大垂直溫差為4℃左右，0.1～1.7m最大垂直溫差為4.5℃，超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。而其他三種送風(fēng)方式的上述溫差都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。T Karimipanah[5]的研究所得出的結(jié)論也表明置換通風(fēng)的溫度梯度比碰撞射流大。

2.2 速度分布

圖3為不同送風(fēng)方式各測點(diǎn)的速度梯度。從圖中可以看出，混合通風(fēng)多數(shù)測點(diǎn)的風(fēng)速在0.05m/s以上，極少數(shù)點(diǎn)的風(fēng)速低于0.02m/s。由于送風(fēng)口的位置在測點(diǎn)2上方，該測點(diǎn)2.0m到天花板之間的平均風(fēng)速較高（大于0.2m/s），但衰減迅速使得工作區(qū)的平均風(fēng)速維持在0.1m/s左右。實(shí)測結(jié)果表明混合通風(fēng)工作區(qū)的風(fēng)速較大且均勻。

圖3 各種工況各測點(diǎn)的速度梯度

置換通風(fēng)測點(diǎn)1和2（熱源附近的測點(diǎn)）使氣流具有較大的上升速度，0.4～1.0m高度處的風(fēng)速超過0.02m/s，但其他測點(diǎn)的氣流速度很小，大部分在0～0.02m/s之間。置換通風(fēng)呈層流低紊流狀態(tài)，整個速度場表現(xiàn)得非常均勻穩(wěn)定。

地板送風(fēng)各測點(diǎn)風(fēng)速整體趨勢一致，隨著高度的增加先下降后增大。這是因?yàn)橄滤惋L(fēng)與室內(nèi)空氣混摻，下部區(qū)域的風(fēng)速較大，達(dá)到分層以上時，由于漩渦的存在其速度有上升趨勢。

碰撞射流風(fēng)速在0.1～1.1m高度處呈遞減趨勢，只有在送風(fēng)口附近地面處的風(fēng)速達(dá)到1.0m/s以上。1.1m以上的風(fēng)速基本在0.05m/s以下，均勻波動小。碰撞射流送風(fēng)速度高于其他送風(fēng)方式，但近地面處的速度衰減非常迅速，導(dǎo)致下部區(qū)域的速度梯度大。

實(shí)驗(yàn)表明混合通風(fēng)的風(fēng)速較大，而下區(qū)送風(fēng)方式在近地面處的風(fēng)速高，引起不同程度的吹風(fēng)感，但如果室內(nèi)人員避開送風(fēng)口各種送風(fēng)方式的舒適性都可滿足要求。H B Awbi[6]等人的研究也證實(shí)了混合通風(fēng)高速的冷空氣送風(fēng)會產(chǎn)生吹風(fēng)感從而影響熱舒適性，碰撞射流的通風(fēng)性能優(yōu)于其他送風(fēng)方式，在大負(fù)荷情況下表現(xiàn)出更好的氣流組織形式。2.3熱舒適調(diào)查

由于無法測量熱感覺，因此只能采用問卷的方式了解受試者對環(huán)境的熱感覺，即要求受試者按某種等級標(biāo)度來描述其熱感覺。心理學(xué)的研究結(jié)果表明，一般人可以不混淆地區(qū)分感覺的量級不超過7個，因此對熱感覺的評價(jià)指標(biāo)往往采用7個分級。在進(jìn)行熱感覺實(shí)驗(yàn)的時候，設(shè)置一些投票選擇方式來讓受試者說出自己的熱感覺，這種投票選擇的方式叫熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV），分級范圍往往為-3～+3。實(shí)驗(yàn)通過主觀調(diào)查，讓受試者對頭部、上半身和下半身的熱感覺分別進(jìn)行評價(jià)，其中頭部包括頭和頸，上半身包括前胸、后背和手臂，下半身包括大腿、小腿和腳。

圖4 各種工況熱感覺投票結(jié)果

圖4 為不同送風(fēng)方式熱感覺調(diào)查結(jié)果。從圖中可以看出，不同送風(fēng)方式的前10 min內(nèi)的熱感覺變化較大，15min之后基本趨于穩(wěn)定。受試者起始熱感覺范圍基本在0.4～1.2之間，由于置換通風(fēng)室內(nèi)氣溫高于其他送風(fēng)方式，受試者的熱感覺偏大，而地板送風(fēng)受試者在0時刻的熱感覺范圍在0～0.8之間。隨著時間的推移，各種送風(fēng)方式受試者熱感覺都呈現(xiàn)下降的趨勢?；旌贤L(fēng)全身熱體熱感覺下降幅度都很小，穩(wěn)定在0左右，可見混合通風(fēng)工況人體熱舒適性較好且均勻。

置換通風(fēng)下半身熱感覺變化幅度較大，熱感覺達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)后，頭部和上半身熱感覺大致穩(wěn)定在0.4左右，下半身熱感覺穩(wěn)定在-0.6左右。置換通風(fēng)對人體下半身有明顯的降溫效果，使該部位產(chǎn)生微涼感。

地板送風(fēng)受試者下半身的熱感覺變化相對劇烈，穩(wěn)定在-1.3左右，使得下半身和其他部位的熱感覺差異較大。表明地板送風(fēng)對下半身有明顯的降溫效果，容易產(chǎn)生局部冷感。

碰撞射流受試者上半身和下半身的熱感覺變化趨勢極為相似，相較頭部的變化幅度稍大，頭部熱感覺穩(wěn)定在0左右，上半身和下半身大致穩(wěn)定在0.4左右?？梢娕鲎采淞鞯臒崾孢m性較好。

結(jié)果表明下區(qū)送風(fēng)的三種送風(fēng)方式下半身的熱感覺有下降的幅度，地板送風(fēng)下半身的降溫效果最明顯，產(chǎn)生局部冷感?；旌贤L(fēng)和碰撞射流穩(wěn)定后的熱感覺分布相對均勻，可見熱舒適性較好。

3 結(jié)論

本文實(shí)測了不同送風(fēng)方式下室內(nèi)的溫度場和速度場，并對處于不同工況環(huán)境中受試者的熱感覺變化情況進(jìn)行了主觀調(diào)查，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和分析，得到如下結(jié)論：

1）混合通風(fēng)通常氣流速度較高，相比之下碰撞射流更不可能引起吹風(fēng)感，并且具有節(jié)能意義。

2）碰撞射流不是嚴(yán)格意義上的置換通風(fēng)但可比置換通風(fēng)，碰撞射流的溫度和速度分布比置換通風(fēng)好，主觀調(diào)查結(jié)果顯示人體熱感覺TSV值的范圍比置換通風(fēng)小，熱舒適性更好。

3）地板送風(fēng)對人體有明顯的降溫效果，產(chǎn)生局部冷感和吹風(fēng)感，熱感覺值的范圍比碰撞射流大得多。碰撞射流送風(fēng)口可設(shè)在較為隱蔽的位置，避免吹風(fēng)感且不影響美觀。

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A Com pa ra tive Study of Indoor The rm a l Com fort unde r Diffe re nt Air Dis tribution Sys te m s

PAN Li-dan,KANG Yan-ming,ZHONG Ke
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

With the increasing demand on air quality and saving energy,the mode of displacement ventilation, underfloor ventilation and impinging jet ventilation,are gradually applied.To compare the characters of indoor temperature distribution,airflow and thermal comfort environment with four air supply modes,indoor temperature and air velocity were measured.

air distribution methods,thermal comfort,thermal environment,impinging jet

1003-0344（2014）04-013-4

2013-5-23

潘李丹（1988～），女，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院5135室（201620）；021-67792554；E-mail:panlidan@mail.dhu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40975093）