三種不同出風口形式的柜式空調(diào)的熱舒適性實驗分析

周興法 盧云 黃國俊

上海三菱電機·上菱空調(diào)機電器有限公司 上海 200135

0 引言

空調(diào)的熱舒適性是很多用戶選擇空調(diào)時的一個重要參考因素，也是國內(nèi)外各個空調(diào)廠家差異化發(fā)展以及各個學者研究的重要熱點，各自采用實驗分析和模擬計算等工具進行了多種研究和嘗試，各自提出了不同的技術手段，力爭使房間的空氣能夠達到更好的舒適性指標[1]。在導風板方面的研究上，有關于導風板的最佳角度[2-4]、層數(shù)[5-6]，以及通過在導風板上追加小孔實現(xiàn)無風感[7-8]的研究；在出風風速的大小[3,9]以及出風的動態(tài)特性[10-12]方面也有相關的研究論文發(fā)表；關于制熱時的出風溫度的大小和均勻度[13-18]方面也有許多研究者提出改善方案。

其中，出風口的形式對熱舒適性的影響也是研究的熱點之一。陳劍波等[19]通過仿真計算和實驗研究提出了上出風壁掛式空調(diào)機，制冷時可使人的主要活動區(qū)域溫度場和速度場都比較均勻，可解決強吹風感和過冷等問題；陳學彬[20]等研究了利用貫流風葉的縱向出風口式的圓形柜機，發(fā)現(xiàn)在普通模式下吹風感指數(shù)高達27.9%，而且具有左右出風不均勻的現(xiàn)象；張輝等[21]提出了分布式送風，即在上出風式柜式空調(diào)的底部追加出風口，力求解決暖風不達足部的問題。以上關于不同出風口形式的柜式空調(diào)的熱舒適性分析均是針對單一產(chǎn)品，而未進行橫向的對比分析，因此本文通過實驗對比分析了市場上銷售較多的上出風、上下出風以及縱向出風三種形式的柜式空調(diào)對熱舒適性的影響，為以后產(chǎn)品的設計和選購提供一定的參考。

1 空調(diào)熱舒適性影響因素

空調(diào)熱舒適性是一種非常主觀的感受，每個人的感覺都是不一樣的。影響熱舒適性的因素可以分為2大類，即環(huán)境因素和個人因素：環(huán)境因素包括空氣溫度、相對濕度、相對風速以及環(huán)境的平均輻射溫度；個人因素包括人的活動水平以及著裝狀態(tài)。

分析這些因素對人體的影響的主要項目有溫度波動、溫度均勻度、垂直溫差導致不滿意度（Percentage Dissatisfied, PD）、風感指數(shù)（Draught Rate, DR）、預計平均熱感覺指數(shù)以及相應的預計不滿意率（Predicted Mean Vote-Predicted Percentage Dissatisfied,PMV-PPD）等。這些項目評價時房間內(nèi)的空氣一般是處于穩(wěn)定的狀態(tài)，即在家用空調(diào)使用場合，用戶已經(jīng)開啟空調(diào)相當長的時間了；但是用戶對房間空氣的熱舒適性感覺，對剛開機后房間溫度未穩(wěn)定的那一段時間仍是比較在意的。因為家庭用戶在開啟空調(diào)前，房間內(nèi)空氣的狀態(tài)很可能是使用戶感覺到非常不適的，特別熱或冷，需要迅速改變當前的空氣狀態(tài)。因此空調(diào)剛開啟一段時間內(nèi)的熱舒適性也應該考慮。

2 實驗研究

2.1 被測試機組介紹

本文測試的機組為市場上購買的3種不同出風口形式的柜式空調(diào)，分別為A型出風口（上出風口式），B型出風口（上下出風口式）以及C型出風口（縱向出風口式），示意圖見圖1；出風口尺寸、回風口形式、制冷制熱能力、室內(nèi)機噪聲以及循環(huán)風量等參數(shù)見表1。

表1 被測試機組信息

圖1 3種不同出風口形式的柜式空調(diào)示意圖

2.2 熱舒適性實驗室介紹

圖2是舒適性實驗室以及被測試機組和測試儀的放置位置示意圖。本次熱舒適性實驗室使用內(nèi)環(huán)境室的長、寬、高為7.9 m、4.1 m、3.0 m，房間面積為32 m2，取樣空氣溫度的熱電偶共計1458個（分布在162條垂線上），其上下以及水平之間的平均間距約為0.4 m；輻射球溫度計和風速儀各2個，分別放置在距離地面1.2 m，房間短邊中間，房間長邊距離房間左側(cè)2.45 m和5.45 m處，分別測試房間的平均輻射溫度和代表點風速；被測試機組放置在墻角，正面面向?qū)γ鎵恰?/p>

圖2 舒適性實驗室以及被測試機組和測試儀的放置位置示意圖

另外，在內(nèi)環(huán)境室的頂部墻壁周圍設置孔板，在內(nèi)環(huán)境室的底部墻壁附近設置回風口，采用引風機將外環(huán)境室的空氣通過頂部孔板引入到內(nèi)環(huán)境室，將內(nèi)環(huán)境室的空氣通過回風口引入到外環(huán)境室，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)境的熱負荷的投入以及壓力平衡；同時可以根據(jù)投入熱負荷要求的不同，調(diào)整引風機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)控制。

2.3 熱舒適性的主要評價方法和指標

本文主要以標準T/CAB CSISA 0030-2020《人工熱環(huán)境舒適性測評方法》[22]為依據(jù)開展實驗測試分析，分別測試被測試機組在制冷和制熱時人體主要活動區(qū)域1.7 m以下空間（實際計算用的空氣溫度測試點數(shù)為972），在開機后的前2個小時內(nèi)的降溫/升溫階段變化特點以及在開機后規(guī)定時間內(nèi)溫度穩(wěn)定階段狀態(tài)（第3個小時內(nèi)）下的溫度波動、房間溫度均勻度、足部溫度均勻度、垂直溫差以及平均溫度等，關于其計算方法見公式（1）～（10）；另外，因?qū)嶒炇覘l件限制，風速儀不足，因此不具備分析吹風感指數(shù)和PMV等指標的條件，故在本文分析中省略。

溫度波動Tf是指規(guī)定時間段內(nèi)各個測試點溫度波動的平均值。

Tf,j-第j測點的溫度波動，℃；

Nt-在規(guī)定時間內(nèi)記錄測點溫度數(shù)據(jù)的次數(shù)；

ti,j-在第i時刻第j測點的溫度，℃；

ta,j-在規(guī)定時間內(nèi)第j測點測量的平均溫度，℃；計算方法見公式（2）：

溫度波動Tf的計算見公式（3）：

Mt-計算空間內(nèi)溫度測點總數(shù)。

溫度均勻度是指在指定時刻或時間段內(nèi)，所有測點溫度的標準方差。

Ts,i-在第i時刻第j測點的瞬時溫度均勻度，℃；

Mt-計算房間溫度均勻度時指房間1.7 m內(nèi)溫度測點總數(shù)；計算足部溫度均勻度時指離地面0.1 m所在平面的溫度測點總數(shù)。

tb—在第i時刻所有測點的瞬時平均溫度，℃；計算方法見公式（5）：

溫度均勻度Ts為在規(guī)定時間內(nèi)測點的瞬時溫度均勻度的平均值，方法計算見公式（6）：

垂直空氣溫差Δta,v是指所有垂直線方向上，頭部和足部位置處在規(guī)定時間內(nèi)的平均垂直空氣溫差的平均值。

Δta,v，k-第k條垂直線上的垂直空氣溫差，℃；

thead,i,k-第k條垂直線上第i時刻的頭部測點（距離地面1.2 m）溫度，℃；

tfoot,i,k-第k條垂直線上第i時刻的足部測點（距離地面0.1 m）溫度，℃。

垂直空氣溫差Δta,v為：

L-室內(nèi)垂直測量線的總數(shù)。

在第k條垂直線上垂直空氣溫差導致的不滿意百分率PDk的計算見公式（9）：

當Δta,v,k≥8℃時，按照Δta,v,k=8℃計算。

則垂直空氣溫差導致的不滿意百分率PD為所有垂直線上不滿意率的平均值，見公式（10）：

2.4 實驗方法和設定條件

在實驗開始前，內(nèi)、外環(huán)境室的初始溫度條件見表2，待溫度穩(wěn)定后，開啟數(shù)據(jù)采集軟件，關閉門窗，按照表3的方式開啟空調(diào)，同時外環(huán)境室的溫度條件繼續(xù)按照表2維持；內(nèi)環(huán)境室投入的熱負荷根據(jù)實驗機組能力的不同按照表2進行控制。

表2 內(nèi)外環(huán)境室初始溫度、外環(huán)境室維持溫度以及內(nèi)環(huán)境室投入熱負荷條件

表3 測試空調(diào)設置

2.5 制冷實驗結(jié)果分析

圖3是機組近端和遠端的代表點在穩(wěn)定階段的平均風速，表4是制冷穩(wěn)定時舒適性評價的重要參數(shù)。

表4 制冷穩(wěn)定時舒適性評價重要參數(shù)

圖4是制冷制熱時展示的各個截面位置的結(jié)果云圖的圖示說明：①對角線面是指機組所在房間墻角和對面墻角所在的平面，②0.1 m面（足部）是指距地面0.1 m多數(shù)人腳踝所在平面，③1.2 m面（坐姿頭部）是指距地面1.2 m人在坐姿狀態(tài)下多數(shù)人的頭部所在平面。圖5是被測試機組在制冷模式下運行20 min、40 min、60 min、120 min、160 min、180 min時的溫度場云圖。

圖4 結(jié)果云圖截面位置示意圖

從圖3可以看出，測試上出風式A型出風口機組時，房間內(nèi)機組近端和遠端的風速都相對較大，因此其平均風速也相對高；而測試B型和C型出風口機組時房間機組近端的風速明顯比遠端要大。

圖3 制冷時機組近端和遠端在穩(wěn)定階段的平均風速

結(jié)合圖3、圖5和表4可知，上出風口式A型機組雖然代表點的測試相對風速較大，但冷風是從頂部落下，在測試的各時間段都很好的實現(xiàn)了舒適的沐浴式制冷，溫度均勻性好，垂直溫差小，而且在人體主要活動區(qū)域內(nèi)無冷風正面直吹；穩(wěn)定時平均溫度是25.3℃，與設定溫度相差0.7℃，在三者中比B型機組稍差，比C型機組稍好；溫度波動（0.2℃）、溫度均勻度（0.3℃）以及垂直溫差導致不滿意率（0.3%）在三個機組中均表現(xiàn)最佳。

上下出風口式的B型機組在機組運行穩(wěn)定時平均溫度與設定溫度相等，控制較好（圖5 b）180 min時機組因達到設定溫度而處于停機狀態(tài)），同時平均風速也最小，但機組近端風速大，且該機組下出風不可關閉，導致機組近端距離地面0.1 m面，即多數(shù)人的腳踝處，溫度偏低，風感較強，因此機組近端不宜赤腳或平躺活動，同時機組遠端風速偏小，因此無法形成強對流，空氣溫度偏高，溫度均勻性差，垂直溫差大；其對應的垂直溫差導致的不滿意率為0.6%，是A型機組的2倍，溫度均勻度是0.5℃，是A型出風口的1.7倍；另外，其溫度波動（0.4℃）也相對大，是A型出風口的2倍。

圖5 制冷時不同時間點的指定平面的測試溫度場云圖

對于縱向出風口式的C型機組，同樣是機組近端的風速明顯比機組遠端的風速大，且機組近端的風速是三個機組中最大的；由于其出風口的高度位置在人體主要活動區(qū)域的高度位置內(nèi)，且穩(wěn)定時平均溫度低于設定溫度1.2℃，因此在人體的主要活動區(qū)域一直都有較強的冷風正面吹出，且出風溫度較低，特別容易下沉，導致足部和坐姿頭部過冷，溫度均勻性差，其溫度均勻度（0.5℃）是A型出風口的1.7倍，同時可能由于控制不良的原因，溫度波動（0.9℃）大，是A型出風口的4.5倍；但其垂直溫差導致不滿意率與A型機組相同，表現(xiàn)較好。

根據(jù)Toftum J[23]等通過受試者實際調(diào)查的方式得出的結(jié)論，對于來自人體下方的20℃和23℃的氣流被認為是最不舒適的，其次是朝向人體后部和前部的氣流，這從實際用戶角度說明了B型機組和C型機組這種出風口形式在制冷時的不舒適性，因此A型機組在整體上表現(xiàn)最優(yōu)。

2.6 制熱實驗結(jié)果分析

圖6是制熱時機組近端和遠端代表點在穩(wěn)定階段的平均風速，表5是制熱穩(wěn)定時舒適性評價的重要參數(shù)，圖7是被測試機組在制熱模式下運行20 min、40 min、60 min、120 min、160min、180min時的溫度場云圖。

從圖6和表5可以看出，A型出風口機組的平均風速（0.4 m/s）仍是最大的，B型出風口機組的平均風速（0.1 m/s）是最小的，與制冷不同的是，B型出風口機組的近端的風速小，機組遠端的風速大。從圖7的B型出風口機組的對角線面圖可看出，下出風的暖氣流從機組近端的風速測點下方穿過，然后又上浮，到達機組遠端的風速測點，使得該點風速變大。

結(jié)合圖6、圖7和表5可以看出，A型機組這種傳統(tǒng)式的柜式空調(diào)的出風口，其形狀接近正方形的單一出風口可使出風集中，因此出風方向易于控制，暖風可直達足部，溫度波動（0.3℃）小，溫度均勻度（1.1℃）好，垂直溫差導致不滿意率（1.5%）小，穩(wěn)定時平均溫度與設定溫度相差（0.6℃）??；除足部溫度均勻度（1.4℃）表現(xiàn)較C型機組（1.2℃）稍差外，其他表現(xiàn)都最優(yōu)秀，總體來說傳統(tǒng)上出風口式的A型機組具有最好的熱舒適性。

圖7 制熱時不同時間點的指定平面的測試溫度場云圖

表5 制熱穩(wěn)定時舒適性評價重要參數(shù)

圖6 制熱時機組近端和遠端在穩(wěn)定階段的平均風速

B型出風口機組由于具有上下出風的結(jié)構(gòu)，在機組近端，其下出風的暖風可直達足部，但單個出風口的風量相對A型和C型機組來說較小，因此單股氣流所具有的動量較小，造成熱氣上浮，難以吹遠，特別是下出風，吹到房間約中間位置就開始上浮，造成房間內(nèi)機組遠端過冷；在運行期間，足部溫度均勻度的數(shù)值一直最高，表現(xiàn)最差（見圖8），穩(wěn)定時平均溫度與設定溫度相差1.4℃，足部溫度均勻度（3.2℃）和垂直溫差導致不滿意率（7.8%）分別是最小值的2.7倍和5.2倍，三者中表現(xiàn)最差；因此在房間內(nèi)走動時房間各個位置的體感溫度差異較大，易造成不適，特別是在開機后的前1 h內(nèi)尤為明顯，房間3/4的區(qū)域都是處于冷的區(qū)域。

圖8 運行前180 min內(nèi)足部溫度瞬時均勻度隨時間變化

C型機組是縱向出風口，且出風口高度位置在人體主要活動區(qū)域的高度位置內(nèi)，機組近端風速大且過熱，出風直接吹到人體上，易造成不適；另外，由于其垂直狹長的出風口也導致了出風不能集中到下方，因此熱氣一直處于上浮的狀態(tài)，0.1 m的足部面的溫度一直較小，暖風不足，特別是開機后的前1 h內(nèi)房間的幾乎全部區(qū)域的足部溫度都很低；其穩(wěn)定時平穩(wěn)溫度比設定溫度高1.3℃，溫度均勻度（1.5℃）、垂直溫差導致的不滿意率（5.4%）分別是A型出風口的1.4倍和3.6倍，但另外一方面，由于足部沒有熱風反而使其足部溫度均勻度（1.2℃）表現(xiàn)最好，但因足部溫度低，垂直溫差大，實際體感差；與制冷相同，溫度波動（0.4℃）仍表現(xiàn)差。

3 結(jié)論

以標準T/CAB CSISA 0030-2020為依據(jù)，通過熱舒適性實驗室測試了上出風口式、上下出風口式、縱向出風口式三種市場上主流銷售的家用柜式空調(diào)，分別在制冷、制熱穩(wěn)定時的溫度波動、溫度均勻度、垂直溫差導致的不滿意度、平均溫度、代表點風速等，同時也比較了溫度在下降或上升階段時的房間溫度場的差異等。通過以上分析，可得出以下結(jié)論：

（1）上出風口式柜式空調(diào)在制冷、制熱時均具有相對最佳的熱舒適性；除了風速相對大外，其余測試項目均表現(xiàn)出色，特別是在溫度波動、溫度均勻度、垂直溫差等方面。

（2）上下出風口式柜式空調(diào)，在機組的近端，制熱時其下出風的暖風可直達足部，但制冷時下出風又不可避免的吹出冷風導致足部過冷；由于出風被分成兩股，單股氣流所具有的動量較小，難以吹遠，造成機組近端和遠端差異大，特別是制熱時，機組遠端過冷，房間溫度均勻度和足部溫度均勻度差，垂直溫差大。

（3）縱向出風口式柜式空調(diào)，出風口的位置高度在人體主要活動區(qū)域的位置高度內(nèi)，且機組近端風速明顯比遠端風速大，易造成過冷或過熱，溫度均勻性差；同時制熱下吹風時熱風仍很難達到足部，因此雖然足部溫度均勻度表現(xiàn)好，但因溫度低，垂直溫差大，實際體感差。