改善學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境的局部送風(fēng)系統(tǒng)

劉凰君 劉洋伶 徐 皓 鄭 潔

改善學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境的局部送風(fēng)系統(tǒng)

劉凰君 劉洋伶 徐 皓 鄭 潔

（重慶大學(xué) 重慶 400044）

根據(jù)重慶大學(xué)學(xué)生宿舍分體式空調(diào)的運(yùn)行現(xiàn)狀，通過問卷調(diào)查分析空調(diào)工況下的室內(nèi)熱舒適情況。結(jié)果顯示：在冬夏兩季，空調(diào)送風(fēng)方式對室內(nèi)睡眠區(qū)域及工作區(qū)域的熱環(huán)境均存在不同程度的影響，尤其是冬季，浮力效應(yīng)導(dǎo)致熱空氣集聚于房間上部空間，無法滿足下部工作區(qū)域的熱舒適要求。對比改善送風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，亦存在夏冬兩季上下部空間區(qū)域空調(diào)效果不理想，送風(fēng)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性弱等不足。為解決這一問題，作者設(shè)計了一種局部空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)宿舍床位高度將房間分成上下兩個不同局部空間，即上部睡眠區(qū)域和下部工作區(qū)域。通過選擇不同的空調(diào)送風(fēng)支路，可控制睡眠區(qū)域或工作區(qū)域的溫度，以滿足室內(nèi)學(xué)生的實際熱環(huán)境需求。

學(xué)生宿舍；分體式空調(diào)；送風(fēng)系統(tǒng)；熱環(huán)境

0 引言

學(xué)生宿舍是高校學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的主要場所之一，其熱舒適狀況直接影響著學(xué)生的身心健康和學(xué)習(xí)效率。無論是睡眠環(huán)境或是日常生活，通風(fēng)對于宿舍室內(nèi)環(huán)境都存在著難以忽視的重要作用[1,2]，但全國多數(shù)地區(qū)僅靠通風(fēng)難以滿足全年熱舒適需求。作為我國主要的住宅空調(diào)形式，分體式空調(diào)可以有效調(diào)節(jié)房間溫濕度，提高在室人員的舒適度[3]。隨著學(xué)生對于熱環(huán)境需求的不斷增長，全國多所高校已統(tǒng)一安裝了分體式空調(diào)，用以緩解此情形[4]。

季節(jié)對應(yīng)著不同的室內(nèi)熱環(huán)境，不同建筑環(huán)境中人的行為調(diào)節(jié)規(guī)律和對環(huán)境的熱反應(yīng)也有著明顯差異[5,6]。學(xué)生宿舍在安裝分體式空調(diào)后，室內(nèi)熱環(huán)境雖得到了較大改善，但空調(diào)環(huán)境下的人員熱舒適卻依舊存在不滿意情況。

1 送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化需求分析

1.1 學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境分析

重慶屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕，學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量問題比較突出。何鳴[7]于2012年對重慶大學(xué)冬夏季的學(xué)生宿舍（宿舍平面圖如圖1）室內(nèi)熱環(huán)境情況進(jìn)行了問卷調(diào)查，被調(diào)查者主體為研究生，發(fā)放問卷100份，有效問卷100份，男女比例3:2。從安裝分體式空調(diào)起近6年內(nèi)，學(xué)校宿舍建筑結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，只進(jìn)行過內(nèi)部裝飾工程，可認(rèn)為室內(nèi)外氣候環(huán)境自然特征沒有明顯變化，故筆者借助已有數(shù)據(jù)對熱環(huán)境舒適情況進(jìn)行分析。

圖1 宿舍平面圖

空調(diào)工況下睡眠區(qū)域的熱舒適程度高低可對睡眠質(zhì)量的好壞產(chǎn)生直接影響，統(tǒng)計夏季空調(diào)工況下睡眠區(qū)域熱舒適性[7]（見圖2），熱感覺為可接受及以上的人數(shù)占比達(dá)到82%，可以看出，空調(diào)開啟時睡眠區(qū)域的熱環(huán)境得到了極大改善，也反映出長期居住在夏季炎熱氣候地區(qū)的人對高溫的適應(yīng)能更強(qiáng)，相關(guān)研究表明這種適應(yīng)性在空調(diào)環(huán)境中依然存在[8]。此外，感到滿意的人數(shù)僅占總體的12%，較不滿意與不滿意的總占比為18%，可見改善睡眠區(qū)域的熱舒適性還存在極大的空間。

有學(xué)者通過研究表明冬季室內(nèi)人員的行為對熱環(huán)境有較大影響[9]，多數(shù)學(xué)生會采取增加衣物、開啟取暖設(shè)備、關(guān)閉門窗以及喝熱飲等措施使自身變得更加暖和，統(tǒng)計冬季室內(nèi)熱舒適情況[7]（見圖3），可以發(fā)現(xiàn)表示可接受及以上的人數(shù)占總體比例的79%。但滿意率僅為2%，較不滿意與不滿意總比達(dá)到21%，這是由于冬季空調(diào)制熱時，熱風(fēng)從上部送出，在浮力作用下熱風(fēng)上揚(yáng)集聚于房間上部，房間下部氣溫難以達(dá)到舒適性溫度的范圍，而下部又是人員活動的主要場所，不能夠有效地獲得所需熱量，故舒適性要求無法得到滿足。當(dāng)熱環(huán)境難以滿足需求時，通常會采用提高空調(diào)設(shè)定溫度的方式來提高熱舒適度，從而使得空調(diào)能效降低、能耗上升，還會造成空調(diào)器啟停頻繁，造成空調(diào)運(yùn)行能耗和噪聲分貝進(jìn)一步上升，不利于人員工作、學(xué)習(xí)和休息。此外，相關(guān)學(xué)者[10]通過研究也表明冬季空調(diào)設(shè)定溫度不集中，其調(diào)研樣本中一半以上的學(xué)生人數(shù)能明顯感覺到房間上下部溫差，可見空調(diào)制熱帶來的上下部溫差感非常明顯。

圖2 空調(diào)工況下睡眠區(qū)域熱舒適情況統(tǒng)計

圖3 空調(diào)工況下熱舒適情況統(tǒng)計

1.2 送風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)比較

為了改善空調(diào)實際運(yùn)行效果，對于空調(diào)室內(nèi)機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)一直在進(jìn)行，如表1所示。

表1 不同送風(fēng)系統(tǒng)比較

從不同送風(fēng)系統(tǒng)比較中可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)依舊存在夏冬兩季上下局部空間區(qū)域空調(diào)效果不理想，送風(fēng)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性弱等不足，因此，本文提出一種基于床位的局部送風(fēng)技術(shù)[15]，可有效解決該問題。

2 局部送風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)熱環(huán)境優(yōu)化

重慶大學(xué)學(xué)生宿舍安裝分體式空調(diào)后，室內(nèi)的熱舒適感有所提升，可見在南方夏熱冬冷地區(qū)非常有必要在學(xué)生宿舍安裝空調(diào)來改善室內(nèi)熱環(huán)境[16]。但分體式空調(diào)在使用時，宿舍內(nèi)空氣的縱向和橫向溫差都增大，且縱向溫差大于橫向，夏季縱向溫差小于冬季，而橫向溫差大于冬季[17]，睡眠區(qū)與工作區(qū)的溫度存在明顯差異。因此，提出一種局部送風(fēng)系統(tǒng)以改善室內(nèi)熱環(huán)境。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

該送風(fēng)系統(tǒng)由上位送風(fēng)箱、下位送風(fēng)箱、床鋪、上位送風(fēng)口、下位送風(fēng)口、風(fēng)管接入口、風(fēng)管和三通閥組成，如圖4、5所示。床鋪應(yīng)當(dāng)有一定高度，下平面能夠達(dá)到2m左右，下部空間可以加以利用，如設(shè)有桌子以作學(xué)習(xí)工作區(qū)域。尺寸大小一樣的上位送風(fēng)箱和下位送風(fēng)箱安裝于床鋪一側(cè)，兩風(fēng)箱貼合在一起并以床鋪平面對稱安裝。上位送風(fēng)箱靠近床鋪一側(cè)開有上位送風(fēng)口，水平送風(fēng)到睡眠區(qū)域；下位送風(fēng)箱開有下位送風(fēng)口，送風(fēng)至桌面辦公區(qū)域。上位送風(fēng)箱和下位送風(fēng)箱均開有風(fēng)管接入口，由風(fēng)管連接至三通閥，最后接到空調(diào)送風(fēng)干管。

圖4 送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1—上位送風(fēng)箱；2—下位送風(fēng)箱；3—床鋪；4—上位送風(fēng)口；5—下位送風(fēng)口；6—風(fēng)管接入口

圖5 風(fēng)管連接示意圖

7—風(fēng)管；8—三通閥

2.2 工作過程

根據(jù)床鋪高度將房間劃分出上下兩個局部空間，同時設(shè)置有兩條空調(diào)風(fēng)支路分別對這兩個局部空間進(jìn)行控制，將這兩條支路由三通閥接通到空調(diào)風(fēng)干管。因此，本局部送風(fēng)系統(tǒng)可選擇只向上位送風(fēng)箱送風(fēng)、只向下位送風(fēng)箱送風(fēng)、同時向上位送風(fēng)箱和下位送風(fēng)箱送風(fēng)或者關(guān)閉。

圖6 送風(fēng)系統(tǒng)工作流程圖

通過增加自動控制系統(tǒng)，如圖6所示，在空調(diào)器設(shè)定好睡眠、工作和全空間三種模式的條件下，人員可以通過遙控器開啟系統(tǒng)并切換至合適的運(yùn)行模式：

（1）開啟睡眠模式時，自動旋轉(zhuǎn)三通閥，沿上位送風(fēng)箱的上位送風(fēng)口出風(fēng)的空調(diào)送風(fēng)支路開啟，同時加入的自動控制系統(tǒng)將上位送風(fēng)口的導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動至水平狀態(tài)，之后導(dǎo)流板可在一定范圍內(nèi)手動調(diào)整角度，空調(diào)風(fēng)直接對睡眠區(qū)域送風(fēng)；

（2）開啟工作模式時，自動旋轉(zhuǎn)三通閥，沿下位送風(fēng)箱的下位送風(fēng)口出風(fēng)的空調(diào)風(fēng)支路開啟，空調(diào)風(fēng)由下位送風(fēng)口送到工作區(qū)域，若是開機(jī)狀態(tài)下由睡眠模式或全空間模式轉(zhuǎn)至工作模式，自動控制系統(tǒng)將上位送風(fēng)口的導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動至豎直狀，關(guān)閉上位送風(fēng)口，防止上位送風(fēng)箱進(jìn)入灰塵；

（3）開啟全空間模式時，自動旋轉(zhuǎn)三通閥，沿兩個空調(diào)支路均接通的方向開啟，自控上位送風(fēng)口的導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動至水平狀態(tài)，空調(diào)風(fēng)從上位送風(fēng)口送向睡眠區(qū)域，同時又從下位送風(fēng)口送向工作區(qū)域。關(guān)閉模式則自動旋轉(zhuǎn)三通閥，斷開送風(fēng)干管與上位送風(fēng)箱以及下位送風(fēng)箱的連接，同時自動控制系統(tǒng)將上位送風(fēng)口導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動關(guān)閉上位送風(fēng)口。

2.3 技術(shù)優(yōu)化

2.3.1 降低吹風(fēng)感干擾

相關(guān)研究表明，處于濕熱氣候區(qū)空調(diào)條件下的宿舍人員，頭部對整體熱感覺影響最大，其次是小腿和腳部[18]。故在本技術(shù)方案中，所述的上位送風(fēng)口呈矩形且只設(shè)置一個，居于上位送風(fēng)箱側(cè)表面的中心位置，面積應(yīng)足夠大，以保證送風(fēng)速度足夠小，上位送風(fēng)口左右側(cè)邊距離床鋪邊線各0.5m，避開人員的頭部和腳部，防止空調(diào)風(fēng)長時間直接吹拂人員的頭部和腳部可能帶來的不舒適甚至健康受到損害，避免吹風(fēng)感干擾睡眠質(zhì)量。上位送風(fēng)口應(yīng)設(shè)置有導(dǎo)流板，導(dǎo)流板呈長矩形條狀，水平等距均勻布置，導(dǎo)流板的寬度與其間距相等，導(dǎo)流板設(shè)有轉(zhuǎn)軸，可手動上下翻轉(zhuǎn)調(diào)整出風(fēng)角度，夏季將送風(fēng)角度適當(dāng)向上做一定調(diào)整，冬季時則將送風(fēng)角度向下調(diào)整，實際使用時具體調(diào)整的角度大小應(yīng)視系統(tǒng)送風(fēng)溫差以及人員熱感覺而定。開啟時導(dǎo)流板自動轉(zhuǎn)動至水平狀，之后才可以可手動調(diào)節(jié)，上翻轉(zhuǎn)最大角度45°，下翻轉(zhuǎn)最大角度90°，下翻90°時導(dǎo)流板完全豎直，能夠關(guān)閉上位送風(fēng)口，空調(diào)關(guān)閉時或不啟用睡眠模式時，導(dǎo)流板自動下翻至此狀態(tài)。而所述的下位送風(fēng)口，可設(shè)置多個，沿下位送風(fēng)箱底面稍長的中軸線等距布置，兩邊的下位送風(fēng)口與下位送風(fēng)箱兩個側(cè)面距離為相鄰兩下位送風(fēng)口的一半。下位送風(fēng)口為圓形，下位送風(fēng)口包含送風(fēng)口內(nèi)框、導(dǎo)流裝置和滾輪。內(nèi)框與下位送風(fēng)口在同一平面，共用同一軸心，導(dǎo)流裝置為矩形條狀，平行等距布置固定于內(nèi)框上，導(dǎo)流裝置設(shè)有轉(zhuǎn)軸，可在垂直于風(fēng)口的平面內(nèi)做180°轉(zhuǎn)動，完全水平時即關(guān)閉下位送風(fēng)口。內(nèi)框的外緣有3個滾輪，兩兩滾輪與風(fēng)口圓心連線的夾角均為120°，通過滾輪，內(nèi)框以自身圓心為軸心在其平面內(nèi)做360°轉(zhuǎn)動。如此，下位送風(fēng)口風(fēng)向的可調(diào)節(jié)范圍大，局部送風(fēng)氣流組織調(diào)節(jié)也更加靈活，以滿足下部人員活動空間的熱舒適需求，又能夠調(diào)整出風(fēng)方向或者關(guān)閉不需要的下位送風(fēng)口以避免空調(diào)風(fēng)直接吹拂人員面部帶來不舒適的感覺。

2.3.2 降低噪聲干擾

上位送風(fēng)箱靠近風(fēng)管接入口一側(cè)設(shè)置消聲箱，消聲箱占滿風(fēng)管接入口到上位送風(fēng)口側(cè)邊的箱內(nèi)空間，消聲箱采用微孔板結(jié)構(gòu)，阻抗式的消聲箱除了消聲功能外，還能夠利用自身的阻抗降低箱內(nèi)的風(fēng)壓以及空調(diào)風(fēng)流速，消聲箱內(nèi)的孔板結(jié)構(gòu)同時又兼具整流的作用，孔板出風(fēng)氣流平整。上位送風(fēng)箱內(nèi)設(shè)置有多個導(dǎo)流片，導(dǎo)流片左端有一段直線水平段并與消聲箱相連以接引由孔板而出的平整氣流，導(dǎo)流片右端有一段圓弧，圓弧段下端切線垂直于上位送風(fēng)口平面，并連接一段直線段，該直線段接至上位送風(fēng)口，從而改變上位送風(fēng)箱內(nèi)氣流流向，使得出風(fēng)方向垂直于上位送風(fēng)口平面，避免風(fēng)管氣流呈橫向而造成上位送風(fēng)口出風(fēng)后側(cè)流向床鋪一側(cè)?？紤]睡眠時靜音的要求，上位送風(fēng)箱和下位送風(fēng)箱的內(nèi)表面以及圓弧狀導(dǎo)流片表面還應(yīng)附有吸聲材料，如聚酯纖維等，從而降低噪聲干擾。

3 結(jié)語

學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境的舒適程度直接關(guān)系著學(xué)生的生活質(zhì)量與學(xué)習(xí)效率，采用上述送風(fēng)系統(tǒng)，將房間分成上下兩個局部控制區(qū)域：上部睡眠區(qū)域與下部工作區(qū)域，可根據(jù)實際需求靈活選擇對各個區(qū)域進(jìn)行熱環(huán)境控制。與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，空調(diào)風(fēng)風(fēng)向控制靈活，房間可控制空間更大，提升了空間利用率；床鋪有一定高度，可充分利用冬季制熱工況下聚集于房間上層的熱量，避免了這部分熱量的浪費(fèi)；設(shè)計加大了送風(fēng)口面積，使出風(fēng)速度減小，有效地減弱了氣流噪聲；送風(fēng)口貼近局部控制區(qū)域，風(fēng)程短，溫度損失小，風(fēng)口接近人員，溫度上不易過高或者過低，冬季可適當(dāng)降低送風(fēng)溫度，夏季可適當(dāng)調(diào)高送風(fēng)溫度，從而提升空調(diào)系統(tǒng)效率。此外，上下位送風(fēng)口將空調(diào)風(fēng)有效地送達(dá)了夏季與冬季難以滿足熱舒適的空間，提升了上下層空間的舒適度。因此，該局部送風(fēng)系統(tǒng)是一種可改善房間整體空間熱環(huán)境且節(jié)能效果明顯的設(shè)計。

[1] Zhangping Lei, Chuanping Liu, Li Wang, et al. Effect of natural ventilation on indoor air quality and thermal comfort in dormitory during winter[J]. Building and Environment, 2017,125:240-247.

[2] Dong Yang, Lihui Jiang. Simulation study on the Natural Ventilation of College Student’ Dormitory[J]. Procedia Engineering, 2017,205:1279-1285.

[3] 李兆堅,江億.對住宅空調(diào)方式的綜合評價分析[J].建筑科學(xué),2009,25(8):1-5,38.

[4] 何鳴,鄭潔,劉正清.重慶某高校學(xué)生宿舍冬季空調(diào)工況熱環(huán)境研究[J].制冷與空調(diào),2014,14(4):89-93,71.

[5] Haoran Ning, Zhaojun Wang, Xuexiang Zhang, et al. Adaptive thermal comfort in university dormitories in the severe cold area of China[J]. Building and Environment, 2016,99:161-169.

[6] 王昭俊,寧浩然,吉玉辰,等.嚴(yán)寒地區(qū)人體熱適應(yīng)性研究(4):不同建筑熱環(huán)境與熱適應(yīng)現(xiàn)場研究[J].暖通空調(diào),2017,47(8):103-108.

[7] 何鳴.重慶某高校學(xué)生宿舍空調(diào)工況熱環(huán)境研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[8] Yingdong He, Nianping Li, Jinqing Peng, et al. Field study on adaptive comfort in air conditioned dormitories of university with hot-humid climate in summer[J]. Energy and Buildings, 2016,119:1-12.

[9] Xi Chen, Meng Liu, Simulation and On-site Measurement of Heating Performance in Air-conditioned University Dormitories, a Case Study in Chongqing[J]. Procedia Engineering, 2017,205:2569-2576.

[10] 王思慧,王澤劍,梁瑜萌,等.關(guān)于重慶大學(xué)學(xué)生寢室空調(diào)冬季運(yùn)行情況的研究[J].制冷與空調(diào),2014,28(5):585-588.

[11] 葉榮,成相茂.一種柜式空調(diào)器[P].中國專利:ZL200610035309.X,2006-10-11

[12] 楚人震,張守信,雷永鋒,等.柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)[P].中國專利:ZL200610066221.4,2007-10-03

[13] 楚人震,張守信,付裕,等.空調(diào)器出風(fēng)裝置[P].中國專利:ZL200610074539.7,2007-10-31.

[14] 徐筱琪,吳旭圣,江旭.整合床鋪與空調(diào)機(jī)的輔助睡眠用空調(diào)裝置及控制方法[P].中國專利:ZL200710300446.6,2009-07-01.

[15] 串禾,徐皓,黃鋒,等.一種基于床位的局部送風(fēng)系統(tǒng)[P].中國專利:ZL201410174481.8,2014-08-06.

[16] 汪紫璇,張文爽,肖鈺欣,等.某宿舍空調(diào)安裝前后人體熱適應(yīng)性對比研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2017,36(8):14-17.

[17] 徐皓.重慶某高校宿舍夜間空調(diào)熱環(huán)境研究[D].重慶:重慶大學(xué),2015.

[18] Yingdong He, Nianping Li, Wenjie Zhang, et al. Overall and local thermal sensation & comfort in air-conditioned dormitory with hot-humid climate[J]. Building and Environment, 2016,101:102-109.

A Local Air Supply System to Improve Indoor Thermal Environment of Dormitory

Liu Huangjun Liu Yangling Xu Hao Zheng Jie

( Chongqing University, Chongqing, 400044 )

ased on the operation of split air conditioners of dormitories in Chongqing University, the indoor thermal comfort is analyzed by questionnaire. The results show that the mode of air supply has different degree effects on indoor sleeping area and working area with thermal environment in summer and winter, hot air accumulate in the upper space of the room caused by buoyancy effect especially in winter, which can not meet the comfort requirements for staffs in the lower space areas. Compared with other air supply system technologies, there are also shortcomings such as unsatisfactory air conditioning in the upper and lower space areas, adjustable of the air supply system weakly and so on. Thus, a local air-conditioning air supply system with flexible regulation, obvious effect and large control area is proposed, which divides the room into two spaces for different functions: the upper sleeping area and the lower working area, according to the height of the dormitory bed, by selecting different air-conditioned air supply branch to control the air temperature of sleeping area or working area to meet the actual thermal environment needs for staff.

student dormitory; split air conditioner; air supply system; thermal environment

TB657.2

A

1671-6612（2019）04-367-05

國家重點研發(fā)計劃項目（編號：2016YFC0700301）

劉凰君（1993.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2368824765@qq.com

鄭 潔（1960.05-），女，本科，教授，E-mail：jz187@cqu.edu.cn

2018-08-29