劉漢 陳志偉 李建建 翟振坤

國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心 廣東珠海 519070

0 引言

舒適的室內(nèi)環(huán)境有利于人體生理及心理上的健康[1]，而空調(diào)可對室內(nèi)溫度及風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此針對空調(diào)舒適性性能的研究越來越受到人們的關(guān)注。

LEE Kang-Guk[2]研究對比了韓式地板輻射換熱系統(tǒng)與對流換熱系統(tǒng)熱舒適性效果，結(jié)果表明，對流換熱具有更小的房間內(nèi)垂直溫差。

ZHAO Hui-zhong等人[3]研究了大空間內(nèi)噴嘴角度對溫度分層現(xiàn)象的影響，其成果表明處于天井處的噴嘴角度越小時，室內(nèi)溫度分層現(xiàn)象越嚴(yán)重。

DING Yan[4]研究了天花板輻射制冷與新風(fēng)系統(tǒng)的組合對室內(nèi)舒適性的影響，其結(jié)果表明室內(nèi)出風(fēng)口的分布對房間內(nèi)溫度與濕度有直接的影響，混合系統(tǒng)具有最佳組合形式。

HUANG Chen[5]對大空間側(cè)壁制冷系統(tǒng)的熱舒適性進(jìn)行了研究，其成果顯示，出風(fēng)口位置較低時，必須有較高風(fēng)速才能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度均衡，否則房間內(nèi)溫度分層嚴(yán)重，人體舒適性較差。

在對人體熱舒適性評價研究中，Pang Liping[6]建立了修正后的PMV模型和自適應(yīng)模型，以評估飛機(jī)內(nèi)熱舒適性，滿足飛機(jī)乘客的更高要求。

XIE Hui[7]利用問卷調(diào)查的形式評估體育館的熱舒適性，從而確定空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理。

綜合以上研究，出風(fēng)口的分布直接影響著空調(diào)氣流的輸出，當(dāng)空調(diào)氣流導(dǎo)向天花板或地板時，室內(nèi)熱量主要通過自然對流進(jìn)行傳遞，房間整體的溫度分層現(xiàn)象將更均勻，人體舒適性更好。因此，出風(fēng)口位置的合理化設(shè)計(jì)是提升空調(diào)舒適性性能的關(guān)鍵技術(shù)。

在較小面積的房間，通常在頂部安裝壁掛式的空調(diào)，以避免影響人體活動空間及阻礙視野。由于人體活動區(qū)域?yàn)榉块g下方，因此常規(guī)壁掛式空調(diào)通常只有下出風(fēng)口，其直接對人體活動區(qū)域進(jìn)行送風(fēng)，從而達(dá)到快速溫降的效果。下出風(fēng)口空調(diào)雖然在溫控方面表現(xiàn)優(yōu)異，但人體熱舒適性不僅包含溫度，還包含氣流流速，而下出風(fēng)口空調(diào)的過冷氣流易直吹人體，產(chǎn)生令人體不適的吹風(fēng)感。因此十分有必要對壁掛式空調(diào)出風(fēng)口位置設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以優(yōu)化其室內(nèi)制冷舒適性。

本文壁掛機(jī)采用上出風(fēng)口設(shè)計(jì)，并根據(jù)仿真及實(shí)驗(yàn)分析，研究了上風(fēng)口高度與氣流吹出角度對室內(nèi)溫度場及風(fēng)速場的影響，并探索出合理的上風(fēng)口設(shè)計(jì)原則。

1 上出風(fēng)口空調(diào)模型

1.1 物理模型

以用戶房間長為5.2 m，寬為3.5 m，高度為2.8 m為例，如圖1所示。壁掛式空調(diào)通常安裝在房間高度2.3 m處。上出風(fēng)口壁掛機(jī)與下出風(fēng)口壁掛機(jī)物理模型如圖2、圖3所示。

圖1 房間物理模型

圖2 上出風(fēng)口壁掛機(jī)物理模型

圖3 下出風(fēng)口壁掛機(jī)物理模型

1.2 數(shù)值仿真

如果低溫射流的主干流風(fēng)速位于人體活動區(qū)域，則易產(chǎn)生較強(qiáng)的吹風(fēng)感；如果低溫射流主干流位于人體區(qū)域上方，由于冷空氣密度較大，冷量自然下沉，從而可實(shí)現(xiàn)淋浴式制冷送風(fēng)，獲得良好的制冷舒適性和吹風(fēng)感效果。因此在人體頭部上方區(qū)域（房間距離地面1.7 m高度至天花板區(qū)域）的主干流風(fēng)速較大時，可獲得良好的熱舒適性和吹風(fēng)感效果。

基于CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，可監(jiān)測該區(qū)域風(fēng)速值，如圖4所示。分別采用不同工況進(jìn)行仿真，其風(fēng)速仿真均值與實(shí)驗(yàn)均值誤差可控制在5%以內(nèi)，如表1所示，表明仿真模型準(zhǔn)確性較高，可實(shí)現(xiàn)對出風(fēng)口結(jié)構(gòu)對房間氣流組織影響的數(shù)值分析。

圖4 室內(nèi)風(fēng)速分布云圖

表1 仿真誤差值

本文以壁掛機(jī)上出風(fēng)口高度H、導(dǎo)風(fēng)角度A為研究變量，如圖5所示，通過上述仿真模型分析研究變量對人體頭部上方區(qū)域風(fēng)速均值分布的影響。

圖5 研究變量示意圖

基于空調(diào)超強(qiáng)風(fēng)檔，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1250 r/min，對不同變量A、H值進(jìn)行仿真計(jì)算，針對3500 W制冷量壁掛式空調(diào)，室內(nèi)環(huán)境工況為35℃，設(shè)定風(fēng)檔為超強(qiáng)檔（即風(fēng)量為650 m3/h），出風(fēng)溫度為27℃。對不同變量A、H值進(jìn)行仿真計(jì)算，并監(jiān)測人體頭部上方區(qū)域風(fēng)速平均值，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 風(fēng)速平均值計(jì)算結(jié)果

采用上述仿真所得的樣本數(shù)據(jù)，搭建基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣流組織設(shè)計(jì)平臺，并使用該平臺進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，其中A取值0°～70°（插值間隔5°），H取值0～200 mm（插值間隔5 mm），并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面擬合，其結(jié)果如圖7所示?？煽闯霎?dāng)A值取值11°，H值取值180 mm時，人體頭部上方區(qū)域的風(fēng)速均值最大，為0.78 m/s。

圖7 最大風(fēng)速值尋優(yōu)

采用上述變量參數(shù)值進(jìn)行仿真計(jì)算，監(jiān)測區(qū)域風(fēng)速均值為0.79 m/s，擬合誤差為1.3%，可信度較高。房間風(fēng)速分布如圖8所示，可看出人體頭部上方區(qū)域風(fēng)速值明顯大于其他區(qū)域，即空調(diào)主干氣流主要位于該區(qū)域。分析原因可知，合理的出風(fēng)口高度位置可將空調(diào)吹出的低溫射流靠近天花板，利用附壁流效應(yīng)，抵消因密度差而產(chǎn)生的低溫射流下沉現(xiàn)象，從而提升人體頭部上方區(qū)域風(fēng)速，減小人體活動區(qū)域風(fēng)速，降低吹風(fēng)感。

圖8 風(fēng)速分布云圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取下出風(fēng)口的常規(guī)壁掛機(jī)與上出風(fēng)的壁掛機(jī)進(jìn)行對比測試，試驗(yàn)室為磚墻結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)室示意圖及溫度布點(diǎn)如圖9所示，測試工況見表2。

圖9 試驗(yàn)室測試示意圖

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2.1 送風(fēng)范圍

送風(fēng)范圍可以反映出風(fēng)氣流水平方向上和豎直方向上能夠到達(dá)的位置，以評估空調(diào)出風(fēng)口的送風(fēng)能力。為對比具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)和僅有下出風(fēng)口常規(guī)壁掛機(jī)的送風(fēng)范圍，圖10、圖11顯示了不同機(jī)型在距離空調(diào)不同水平距離時，風(fēng)速大于0.3 m/s的高度范圍。

圖10為內(nèi)風(fēng)機(jī)采用超強(qiáng)檔的測試結(jié)果，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)出風(fēng)上沿在距離空調(diào)安裝位置1 m處高度達(dá)到2.8 m，送風(fēng)氣流已經(jīng)緊貼天花板；在水平距離4 m處出風(fēng)上沿高度為2.65 m，相比于常規(guī)壁掛機(jī)出風(fēng)上沿高0.35 m，出風(fēng)下沿高度在距離空調(diào)安裝位置4 m處為1.35 m，相比于常規(guī)壁掛機(jī)出風(fēng)下沿高0.55 m。因此不管是出風(fēng)上沿還是出風(fēng)下沿，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)送風(fēng)高度要高于常規(guī)壁掛機(jī)。

圖10 超強(qiáng)檔下送風(fēng)范圍對比

圖11為內(nèi)風(fēng)機(jī)采用高風(fēng)檔的測試結(jié)果，與超強(qiáng)檔測試結(jié)果一致，因此不同風(fēng)量下，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)送風(fēng)高度均高于常規(guī)下出風(fēng)壁掛機(jī)。

圖11 高風(fēng)檔下送風(fēng)范圍對比

2.2 室內(nèi)空氣溫度分布

溫度分布云圖可直觀反映房間內(nèi)空氣溫度場的分布情況，實(shí)驗(yàn)中空調(diào)的中心位置位于（0，1.75，2.4）。采用表2所示工況，風(fēng)檔為超強(qiáng)檔時，具有上出風(fēng)口壁掛機(jī)與常規(guī)下出風(fēng)壁掛機(jī)溫度云圖對比如表3所示。

表3 溫度分布云圖

具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)20 min后房間上部溫度28℃，下部溫度為27.5℃左右，相比于下出風(fēng)壁掛機(jī)，房間溫度高1℃左右。這主要與送風(fēng)范圍有關(guān)，下出風(fēng)壁掛機(jī)送風(fēng)范圍可直接覆蓋房間主要區(qū)域，因此相比具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)溫降速度更快。

35 min后，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)房間內(nèi)溫度均值為27.5℃，無明顯溫度分層現(xiàn)象。常規(guī)壁掛機(jī)房間內(nèi)溫度均值為26.6℃，且上下分層較為明顯，上下層有0.5℃的溫差，因此具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)房間溫度均勻性更好。

綜上所述，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)溫降速率雖然稍慢于常規(guī)下出風(fēng)口壁掛機(jī)，但可以使房間溫度整體分布更均勻，消除人體的冷熱感差異，熱舒適性更好[8]。

2.3 人體主觀評價

為了研究具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)對人體的制冷舒適性影響，實(shí)驗(yàn)招募受試者100名，基本信息如表4所示，受試者統(tǒng)一穿著短袖襯衫和長褲。

表4 受試者基本信息

受試者填寫主觀感受調(diào)查問卷，調(diào)查內(nèi)容包含熱舒適、吹風(fēng)感。熱舒適主觀評價分為7個評價等級，分別為熱、溫暖、較溫暖、適中、較涼、涼、冷。吹風(fēng)感主觀評價分為4個等級，分別為舒適、稍不舒適、不舒適、很不舒適。

圖12 熱舒適和吹風(fēng)感投票標(biāo)尺

實(shí)驗(yàn)持續(xù)1 h，實(shí)驗(yàn)中受試者不進(jìn)行劇烈活動，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后受試者進(jìn)行熱舒適和吹風(fēng)感投票，投票均值如表5所示，投票占比如圖13、圖14所示。

圖13 熱舒適投票占比

圖14 吹風(fēng)感投票占比

表5 熱舒適和吹風(fēng)感投票均值

從熱舒適投票均值上來看，常規(guī)下出風(fēng)口壁掛機(jī)熱舒適均值低于具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)，整體偏涼，這與實(shí)驗(yàn)中房間溫度分布結(jié)果一致；從投票占比來看，兩種機(jī)型熱舒適投票均主要位于[-1,1]區(qū)間，人體的熱舒適性感覺差異不大。

從吹風(fēng)感的投票均值來看，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)無明顯風(fēng)感，而常規(guī)下出風(fēng)壁掛機(jī)吹風(fēng)感強(qiáng)烈，引起體驗(yàn)者體感不適；而具有上風(fēng)口的壁掛機(jī)吹風(fēng)感投票主要位于（-1,0]區(qū)間，常規(guī)下出風(fēng)口壁掛機(jī)主要位于（-2，-1]區(qū)間，兩者對比明顯，與送風(fēng)范圍實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，可知具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)具有明顯優(yōu)勢。

綜上所述，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)熱舒適與下出風(fēng)口壁掛機(jī)相當(dāng)，吹風(fēng)感明顯優(yōu)于下出風(fēng)口壁掛機(jī)，人體主觀評價的接受度更高。

3 結(jié)論

（1）本文建立的壁掛機(jī)房間氣流組織仿真模型與實(shí)驗(yàn)的誤差在5%以內(nèi)，吻合較好。

（2）在對具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，上風(fēng)口高度為180 mm，氣流吹出角度為11°時，天花板至人體頭部之間區(qū)域的風(fēng)速更高，能夠防止低溫射流直吹人體。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)相比下出風(fēng)壁掛機(jī)，其送風(fēng)范圍更高，溫降速率略低，但溫度均勻性更好。

（4）調(diào)查問卷結(jié)果顯示，具有上出風(fēng)口的壁掛機(jī)與下出風(fēng)口壁掛機(jī)，制冷時人體熱舒適主觀投票結(jié)果相當(dāng)，但吹風(fēng)感投票明顯優(yōu)于后者。