周興法 盧云 黃國俊

上海三菱電機(jī)·上菱空調(diào)機(jī)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(shí)的一個(gè)重要參考因素，也是國內(nèi)外各個(gè)空調(diào)廠家差異化發(fā)展以及各個(gè)學(xué)者研究的重要熱點(diǎn)，各自采用實(shí)驗(yàn)分析和模擬計(jì)算等工具進(jìn)行了多種研究和嘗試，各自提出了不同的技術(shù)手段，力爭使房間的空氣能夠達(dá)到更好的舒適性指標(biāo)[1]。在導(dǎo)風(fēng)板方面的研究上，有關(guān)于導(dǎo)風(fēng)板的最佳角度[2-4]、層數(shù)[5-6]，以及通過在導(dǎo)風(fēng)板上追加小孔實(shí)現(xiàn)無風(fēng)感[7-8]的研究；在出風(fēng)風(fēng)速的大小[3,9]以及出風(fēng)的動(dòng)態(tài)特性[10-12]方面也有相關(guān)的研究論文發(fā)表；關(guān)于制熱時(shí)的出風(fēng)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(fēng)口的形式對熱舒適性的影響也是研究的熱點(diǎn)之一。陳劍波等[19]通過仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究提出了上出風(fēng)壁掛式空調(diào)機(jī)，制冷時(shí)可使人的主要活動(dòng)區(qū)域溫度場和速度場都比較均勻，可解決強(qiáng)吹風(fēng)感和過冷等問題；陳學(xué)彬[20]等研究了利用貫流風(fēng)葉的縱向出風(fēng)口式的圓形柜機(jī)，發(fā)現(xiàn)在普通模式下吹風(fēng)感指數(shù)高達(dá)27.9%，而且具有左右出風(fēng)不均勻的現(xiàn)象；張輝等[21]提出了分布式送風(fēng)，即在上出風(fēng)式柜式空調(diào)的底部追加出風(fēng)口，力求解決暖風(fēng)不達(dá)足部的問題。以上關(guān)于不同出風(fēng)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(jìn)行橫向的對比分析，因此本文通過實(shí)驗(yàn)對比分析了市場上銷售較多的上出風(fēng)、上下出風(fēng)以及縱向出風(fēng)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(shè)計(jì)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(gè)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(gè)人因素：環(huán)境因素包括空氣溫度、相對濕度、相對風(fēng)速以及環(huán)境的平均輻射溫度；個(gè)人因素包括人的活動(dòng)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(xiàng)目有溫度波動(dòng)、溫度均勻度、垂直溫差導(dǎo)致不滿意度（Percentage Dissatisfied, PD）、風(fēng)感指數(shù)（Draught Rate, DR）、預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)以及相應(yīng)的預(yù)計(jì)不滿意率（Predicted Mean Vote-Predicted Percentage Dissatisfied,PMV-PPD）等。這些項(xiàng)目評價(jià)時(shí)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(dāng)長的時(shí)間了；但是用戶對房間空氣的熱舒適性感覺，對剛開機(jī)后房間溫度未穩(wěn)定的那一段時(shí)間仍是比較在意的。因?yàn)榧彝ビ脩粼陂_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(dāng)前的空氣狀態(tài)。因此空調(diào)剛開啟一段時(shí)間內(nèi)的熱舒適性也應(yīng)該考慮。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 被測試機(jī)組介紹

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

表1 被測試機(jī)組信息

圖1 3種不同出風(fēng)口形式的柜式空調(diào)示意圖

2.2 熱舒適性實(shí)驗(yàn)室介紹

圖2是舒適性實(shí)驗(yàn)室以及被測試機(jī)組和測試儀的放置位置示意圖。本次熱舒適性實(shí)驗(yàn)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(jì)1458個(gè)（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(jì)和風(fēng)速儀各2個(gè)，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(diǎn)風(fēng)速；被測試機(jī)組放置在墻角，正面面向?qū)γ鎵恰?/p>

圖2 舒適性實(shí)驗(yàn)室以及被測試機(jī)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(shè)置孔板，在內(nèi)環(huán)境室的底部墻壁附近設(shè)置回風(fēng)口，采用引風(fēng)機(jī)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(fēng)口引入到外環(huán)境室，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)境的熱負(fù)荷的投入以及壓力平衡；同時(shí)可以根據(jù)投入熱負(fù)荷要求的不同，調(diào)整引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)控制。

2.3 熱舒適性的主要評價(jià)方法和指標(biāo)

本文主要以標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)測試分析，分別測試被測試機(jī)組在制冷和制熱時(shí)人體主要活動(dòng)區(qū)域1.7 m以下空間（實(shí)際計(jì)算用的空氣溫度測試點(diǎn)數(shù)為972），在開機(jī)后的前2個(gè)小時(shí)內(nèi)的降溫/升溫階段變化特點(diǎn)以及在開機(jī)后規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度穩(wěn)定階段狀態(tài)（第3個(gè)小時(shí)內(nèi)）下的溫度波動(dòng)、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(guān)于其計(jì)算方法見公式（1）～（10）；另外，因?qū)嶒?yàn)室條件限制，風(fēng)速儀不足，因此不具備分析吹風(fēng)感指數(shù)和PMV等指標(biāo)的條件，故在本文分析中省略。

溫度波動(dòng)Tf是指規(guī)定時(shí)間段內(nèi)各個(gè)測試點(diǎn)溫度波動(dòng)的平均值。

Tf,j-第j測點(diǎn)的溫度波動(dòng)，℃；

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

ti,j-在第i時(shí)刻第j測點(diǎn)的溫度，℃；

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

溫度波動(dòng)Tf的計(jì)算見公式（3）：

Mt-計(jì)算空間內(nèi)溫度測點(diǎn)總數(shù)。

溫度均勻度是指在指定時(shí)刻或時(shí)間段內(nèi)，所有測點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)方差。

Ts,i-在第i時(shí)刻第j測點(diǎn)的瞬時(shí)溫度均勻度，℃；

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

tb—在第i時(shí)刻所有測點(diǎn)的瞬時(shí)平均溫度，℃；計(jì)算方法見公式（5）：

溫度均勻度Ts為在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測點(diǎn)的瞬時(shí)溫度均勻度的平均值，方法計(jì)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(shí)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(shí)刻的頭部測點(diǎn)（距離地面1.2 m）溫度，℃；

tfoot,i,k-第k條垂直線上第i時(shí)刻的足部測點(diǎn)（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(dǎo)致的不滿意百分率PDk的計(jì)算見公式（9）：

當(dāng)Δta,v,k≥8℃時(shí)，按照Δta,v,k=8℃計(jì)算。

則垂直空氣溫差導(dǎo)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(shí)驗(yàn)方法和設(shè)定條件

在實(shí)驗(yàn)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(guān)閉門窗，按照表3的方式開啟空調(diào)，同時(shí)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(fù)荷根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)組能力的不同按照表2進(jìn)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(fù)荷條件

表3 測試空調(diào)設(shè)置

2.5 制冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3是機(jī)組近端和遠(yuǎn)端的代表點(diǎn)在穩(wěn)定階段的平均風(fēng)速，表4是制冷穩(wěn)定時(shí)舒適性評價(jià)的重要參數(shù)。

表4 制冷穩(wěn)定時(shí)舒適性評價(jià)重要參數(shù)

圖4是制冷制熱時(shí)展示的各個(gè)截面位置的結(jié)果云圖的圖示說明：①對角線面是指機(jī)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(jī)組在制冷模式下運(yùn)行20 min、40 min、60 min、120 min、160 min、180 min時(shí)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(fēng)式A型出風(fēng)口機(jī)組時(shí)，房間內(nèi)機(jī)組近端和遠(yuǎn)端的風(fēng)速都相對較大，因此其平均風(fēng)速也相對高；而測試B型和C型出風(fēng)口機(jī)組時(shí)房間機(jī)組近端的風(fēng)速明顯比遠(yuǎn)端要大。

圖3 制冷時(shí)機(jī)組近端和遠(yuǎn)端在穩(wěn)定階段的平均風(fēng)速

結(jié)合圖3、圖5和表4可知，上出風(fēng)口式A型機(jī)組雖然代表點(diǎn)的測試相對風(fēng)速較大，但冷風(fēng)是從頂部落下，在測試的各時(shí)間段都很好的實(shí)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(dòng)區(qū)域內(nèi)無冷風(fēng)正面直吹；穩(wěn)定時(shí)平均溫度是25.3℃，與設(shè)定溫度相差0.7℃，在三者中比B型機(jī)組稍差，比C型機(jī)組稍好；溫度波動(dòng)（0.2℃）、溫度均勻度（0.3℃）以及垂直溫差導(dǎo)致不滿意率（0.3%）在三個(gè)機(jī)組中均表現(xiàn)最佳。

上下出風(fēng)口式的B型機(jī)組在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)平均溫度與設(shè)定溫度相等，控制較好（圖5 b）180 min時(shí)機(jī)組因達(dá)到設(shè)定溫度而處于停機(jī)狀態(tài)），同時(shí)平均風(fēng)速也最小，但機(jī)組近端風(fēng)速大，且該機(jī)組下出風(fēng)不可關(guān)閉，導(dǎo)致機(jī)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(fēng)感較強(qiáng)，因此機(jī)組近端不宜赤腳或平躺活動(dòng)，同時(shí)機(jī)組遠(yuǎn)端風(fēng)速偏小，因此無法形成強(qiáng)對流，空氣溫度偏高，溫度均勻性差，垂直溫差大；其對應(yīng)的垂直溫差導(dǎo)致的不滿意率為0.6%，是A型機(jī)組的2倍，溫度均勻度是0.5℃，是A型出風(fēng)口的1.7倍；另外，其溫度波動(dòng)（0.4℃）也相對大，是A型出風(fēng)口的2倍。

圖5 制冷時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的指定平面的測試溫度場云圖

對于縱向出風(fēng)口式的C型機(jī)組，同樣是機(jī)組近端的風(fēng)速明顯比機(jī)組遠(yuǎn)端的風(fēng)速大，且機(jī)組近端的風(fēng)速是三個(gè)機(jī)組中最大的；由于其出風(fēng)口的高度位置在人體主要活動(dòng)區(qū)域的高度位置內(nèi)，且穩(wěn)定時(shí)平均溫度低于設(shè)定溫度1.2℃，因此在人體的主要活動(dòng)區(qū)域一直都有較強(qiáng)的冷風(fēng)正面吹出，且出風(fēng)溫度較低，特別容易下沉，導(dǎo)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(fēng)口的1.7倍，同時(shí)可能由于控制不良的原因，溫度波動(dòng)（0.9℃）大，是A型出風(fēng)口的4.5倍；但其垂直溫差導(dǎo)致不滿意率與A型機(jī)組相同，表現(xiàn)較好。

根據(jù)Toftum J[23]等通過受試者實(shí)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(rèn)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(shí)際用戶角度說明了B型機(jī)組和C型機(jī)組這種出風(fēng)口形式在制冷時(shí)的不舒適性，因此A型機(jī)組在整體上表現(xiàn)最優(yōu)。

2.6 制熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6是制熱時(shí)機(jī)組近端和遠(yuǎn)端代表點(diǎn)在穩(wěn)定階段的平均風(fēng)速，表5是制熱穩(wěn)定時(shí)舒適性評價(jià)的重要參數(shù)，圖7是被測試機(jī)組在制熱模式下運(yùn)行20 min、40 min、60 min、120 min、160min、180min時(shí)的溫度場云圖。

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

結(jié)合圖6、圖7和表5可以看出，A型機(jī)組這種傳統(tǒng)式的柜式空調(diào)的出風(fēng)口，其形狀接近正方形的單一出風(fēng)口可使出風(fēng)集中，因此出風(fēng)方向易于控制，暖風(fēng)可直達(dá)足部，溫度波動(dòng)（0.3℃）小，溫度均勻度（1.1℃）好，垂直溫差導(dǎo)致不滿意率（1.5%）小，穩(wěn)定時(shí)平均溫度與設(shè)定溫度相差（0.6℃）??；除足部溫度均勻度（1.4℃）表現(xiàn)較C型機(jī)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(fēng)口式的A型機(jī)組具有最好的熱舒適性。

圖7 制熱時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的指定平面的測試溫度場云圖

表5 制熱穩(wěn)定時(shí)舒適性評價(jià)重要參數(shù)

圖6 制熱時(shí)機(jī)組近端和遠(yuǎn)端在穩(wěn)定階段的平均風(fēng)速

B型出風(fēng)口機(jī)組由于具有上下出風(fēng)的結(jié)構(gòu)，在機(jī)組近端，其下出風(fēng)的暖風(fēng)可直達(dá)足部，但單個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量相對A型和C型機(jī)組來說較小，因此單股氣流所具有的動(dòng)量較小，造成熱氣上浮，難以吹遠(yuǎn)，特別是下出風(fēng)，吹到房間約中間位置就開始上浮，造成房間內(nèi)機(jī)組遠(yuǎn)端過冷；在運(yùn)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(shí)平均溫度與設(shè)定溫度相差1.4℃，足部溫度均勻度（3.2℃）和垂直溫差導(dǎo)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(dòng)時(shí)房間各個(gè)位置的體感溫度差異較大，易造成不適，特別是在開機(jī)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(yùn)行前180 min內(nèi)足部溫度瞬時(shí)均勻度隨時(shí)間變化

C型機(jī)組是縱向出風(fēng)口，且出風(fēng)口高度位置在人體主要活動(dòng)區(qū)域的高度位置內(nèi)，機(jī)組近端風(fēng)速大且過熱，出風(fēng)直接吹到人體上，易造成不適；另外，由于其垂直狹長的出風(fēng)口也導(dǎo)致了出風(fēng)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(fēng)不足，特別是開機(jī)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(shí)平穩(wěn)溫度比設(shè)定溫度高1.3℃，溫度均勻度（1.5℃）、垂直溫差導(dǎo)致的不滿意率（5.4%）分別是A型出風(fēng)口的1.4倍和3.6倍，但另外一方面，由于足部沒有熱風(fēng)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(shí)際體感差；與制冷相同，溫度波動(dòng)（0.4℃）仍表現(xiàn)差。

3 結(jié)論

以標(biāo)準(zhǔn)T/CAB CSISA 0030-2020為依據(jù)，通過熱舒適性實(shí)驗(yàn)室測試了上出風(fēng)口式、上下出風(fēng)口式、縱向出風(fēng)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(shí)的溫度波動(dòng)、溫度均勻度、垂直溫差導(dǎo)致的不滿意度、平均溫度、代表點(diǎn)風(fēng)速等，同時(shí)也比較了溫度在下降或上升階段時(shí)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(fēng)口式柜式空調(diào)在制冷、制熱時(shí)均具有相對最佳的熱舒適性；除了風(fēng)速相對大外，其余測試項(xiàng)目均表現(xiàn)出色，特別是在溫度波動(dòng)、溫度均勻度、垂直溫差等方面。

（2）上下出風(fēng)口式柜式空調(diào)，在機(jī)組的近端，制熱時(shí)其下出風(fēng)的暖風(fēng)可直達(dá)足部，但制冷時(shí)下出風(fēng)又不可避免的吹出冷風(fēng)導(dǎo)致足部過冷；由于出風(fēng)被分成兩股，單股氣流所具有的動(dòng)量較小，難以吹遠(yuǎn)，造成機(jī)組近端和遠(yuǎn)端差異大，特別是制熱時(shí)，機(jī)組遠(yuǎn)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(fēng)口式柜式空調(diào)，出風(fēng)口的位置高度在人體主要活動(dòng)區(qū)域的位置高度內(nèi)，且機(jī)組近端風(fēng)速明顯比遠(yuǎn)端風(fēng)速大，易造成過冷或過熱，溫度均勻性差；同時(shí)制熱下吹風(fēng)時(shí)熱風(fēng)仍很難達(dá)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(shí)際體感差。