吳歡龍 姚紫薇 張旭陽

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對家用電器的高品質(zhì)與使用的舒適性需求日益增長，空調(diào)作為溫度調(diào)節(jié)器為人們在抵擋炎熱或寒冷空氣的侵襲上發(fā)揮了巨大的作用，然而傳統(tǒng)空調(diào)的出風(fēng)方式已無法滿足人們的舒適性體驗需求。合理的出風(fēng)方式對人體舒適度的研究對用戶與企業(yè)意義重大。

人體系統(tǒng)自身是具備溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的[1]，但調(diào)節(jié)范圍有限，長時間直吹身體易失去溫度平衡，老人、嬰幼兒、病人群體最怕風(fēng)口直吹。冷氣流的直吹對人體影響最為明顯，為了避免冷風(fēng)直吹，用戶會采取各種辦法將出風(fēng)口避開人體，所以冷風(fēng)對人體的舒適度除了均勻控溫外，主要考慮冷風(fēng)不直接吹人。人體四肢溫度通常低于軀干溫度，尤其在天氣寒冷時，血管收縮導(dǎo)致血液回流能力減弱，手腳的神經(jīng)末梢更容易循環(huán)不暢。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)中以相關(guān)指標(biāo)描述和評價熱環(huán)境[2]，熱氣流作用于人體時，人體頭腳溫差越大，人的不滿意度越高。同時“熱風(fēng)從腳起”已成為主流聲音，因此熱風(fēng)對人體的舒適性問題關(guān)鍵在于縮小熱溫差的同時重點關(guān)注頭腳溫差問題。

針對空調(diào)不同送風(fēng)方式對人體舒適度的影響，談美蘭等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境中，空氣流動可以一定程度改善人體的熱舒適性，但風(fēng)速過高也會導(dǎo)致人體不舒適。楊宇等[4]在低溫環(huán)境下采用小腿送風(fēng)的方式局部供暖，可以一定程度改善人體的熱舒適性。Chludzińska等[5]在溫度為18℃的條件下以0.35 m/s的風(fēng)速對臉部和腳部送熱風(fēng)，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)送向臉部對人體熱舒適改善更顯著。目前大多數(shù)研究學(xué)者會通過實驗測試或數(shù)值模擬來分析單一的送風(fēng)方式對人體的舒適性，較少將柜機冷、熱送風(fēng)對中國人實際身高下人體舒適性的影響進行研究?；诖?，本文采用CFD軟件進行制冷溫度場的模擬計算，同時將上下出風(fēng)式柜機與傳統(tǒng)上出風(fēng)式柜機進行熱舒適性實驗對比分析。

柜式空調(diào)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其送風(fēng)方案主要分為如下三類：

（1）傳統(tǒng)方形柜式空調(diào)：冷、熱風(fēng)上部出風(fēng)，導(dǎo)風(fēng)葉片送風(fēng)。傳統(tǒng)方形柜式空調(diào)下部進風(fēng)，上部出風(fēng)[6]，如圖1所示。導(dǎo)風(fēng)板方向可調(diào)節(jié)，以避免冷風(fēng)直吹。但上部出熱風(fēng)時，熱氣難以下沉，導(dǎo)致空間內(nèi)熱度不均勻，易出現(xiàn)上熱下冷的情況，用戶的熱舒適性體驗不佳。

圖1 傳統(tǒng)方形柜式空調(diào)送風(fēng)方式

（2）新型圓柱式柜機1：冷、熱風(fēng)縱向出風(fēng)，導(dǎo)風(fēng)葉片送風(fēng)。其出風(fēng)口為縱向集中出風(fēng)式，多具備冷或熱出風(fēng)模式。在人體活動的空間高度內(nèi)，送風(fēng)面積相對更均勻，但無法有效避免冷風(fēng)直吹的問題。同時無法保持熱風(fēng)向下的聚集狀態(tài)，用戶的冷、熱舒適性均不理想。

（3）新型圓柱式柜機2：冷、熱風(fēng)縱向出風(fēng)，導(dǎo)風(fēng)葉片上中下三段式送風(fēng)，部分導(dǎo)風(fēng)葉片帶有微孔。開啟“無風(fēng)感”模式時，導(dǎo)風(fēng)板會閉合遮擋出風(fēng)口，出風(fēng)氣流則會通過導(dǎo)風(fēng)板上的微孔流出，將集中的氣流改變?yōu)闅饨z，從而實現(xiàn)無風(fēng)感的效果[7]。用戶可以選擇其中一段集中送風(fēng)，其他段以微孔方式出風(fēng)達到不同高度送風(fēng)效果，但會降低效率。

1 研究方法

針對市面上各類柜機出風(fēng)方式對人體舒適性問題的考慮，下面將從冷風(fēng)不直吹人，熱風(fēng)從腳起及固定空間內(nèi)溫度均衡性角度出發(fā)，對一款市面上已經(jīng)量產(chǎn)且具備冷、熱上下出風(fēng)式的柜機，進行不同人群身高下CFD制冷溫度場分析，以及將此款柜機與傳統(tǒng)柜機進行熱舒適性實驗。

1.1 中國人均身高與柜式空調(diào)高度人機關(guān)系

上下冷熱出風(fēng)式柜機，主要是機體頂端及底部同時送風(fēng)的新型結(jié)構(gòu)形式，區(qū)別于多段式導(dǎo)風(fēng)板送風(fēng)結(jié)構(gòu)形式，該柜機不需要改變單位時間內(nèi)空調(diào)原有制冷量或制熱量。本文重點研究中國國內(nèi)柜機對國人舒適度的影響。

上下冷熱出風(fēng)式實驗柜機高度為1858 mm，如表1、表2、表3所示為中國人均身高[8]（成年人與老年人取人體身高尺寸的第90百分位，未成年人取平均身高值），包含未成年男性、未成年女性、成年男性、成年女性、老年人男性、老年人女性。

表1 未成年人平均身高

表2 成年人平均身高

表3 老年人平均身高

中國90%的成年人與老年人人均身高等于或低于1764 mm，由于未成年人身高均值均低于1764 mm，因此在實驗中取1764 mm為人體舒適性實驗高度值，以判斷上下冷暖出風(fēng)對人體舒適性的影響情況。

1.2 CFD仿真實驗條件

運用CFD仿真模型進行固定空間冷風(fēng)實驗?zāi)M和熱風(fēng)實驗?zāi)M，其仿真計算域按1:1等比建造實驗室環(huán)境模型，三維模型面積為39.53 m2，長×寬×高為6.46 m×6.12 m×3 m，仿真空間和柜機擺放位置如圖2所示。柜機出風(fēng)方向設(shè)定為對角線固定方向（因為柜機空調(diào)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板為可左右擺動，所以其他位置通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板都可直線吹到，故本文重點研究出風(fēng)口直線距離上的舒適度），截取核心直線出風(fēng)面積為21 m2，長×高為7 m×3 m。

圖2 CFD仿真空間模型示意圖（俯視圖）

1.3 仿真實驗樣機與工況

模擬某款柜式空調(diào)器的實際使用場景，此柜機為3匹變頻一級能效柜機。如圖3所示，柜機上出風(fēng)口下沿距地高度為1.75 m，下出風(fēng)口下沿距地高度為0.05 m，上出風(fēng)口出風(fēng)時斜向上出風(fēng)，下出風(fēng)口出風(fēng)時水平出風(fēng)?；仫L(fēng)口設(shè)置在空調(diào)的背側(cè)，回風(fēng)口下沿距地高度為0.56 m，回風(fēng)口長為0.95 m、寬為0.41 m。空調(diào)制冷運行時僅上出風(fēng)口出冷風(fēng)，制熱運行時設(shè)定兩種狀態(tài)：狀態(tài)一為上出風(fēng)口和下出風(fēng)口同時出熱風(fēng)，狀態(tài)二為僅上出風(fēng)口出熱風(fēng)。

圖3 仿真空間高度標(biāo)記與柜機出風(fēng)示意圖

在制冷舒適性實驗中，額定電壓220 V，空間內(nèi)初始溫度設(shè)置為32℃，空調(diào)風(fēng)量1100 m3/h，冷風(fēng)出風(fēng)溫度為16℃，導(dǎo)風(fēng)板調(diào)到默認(rèn)出風(fēng)位置。模擬空調(diào)制冷運行狀態(tài)，分別取第5分鐘、第20分鐘、第30分鐘、第60分鐘仿真結(jié)果，并通過風(fēng)速軌跡判斷其是否直吹人體從而影響人體舒適度。

在制熱舒適性實驗中，額定電壓220 V，空間內(nèi)初始溫度設(shè)置為2℃，室外溫度-5℃。熱風(fēng)出風(fēng)溫度為48℃，導(dǎo)風(fēng)板調(diào)到默認(rèn)出風(fēng)位置，輔助電加熱處于默認(rèn)狀態(tài)，取第60分鐘測試結(jié)果作為判斷數(shù)據(jù)。為對比上下兩種出風(fēng)方式的優(yōu)劣性，按照兩種制熱出風(fēng)狀態(tài)進行實驗。

1.4 CFD計算模型

本文使用FLOEFD軟件進行流體仿真，采用airpak流體分析軟件建立模型，按在軟件中使用統(tǒng)計方法求解，采用非穩(wěn)態(tài)控制方程來模擬空氣流動，如下：

質(zhì)量連續(xù)方程：

動量守恒方程：

式中：ρ-空氣的密度，單位為kg/m3；P-空氣靜壓，單位為Pa；ρgi-在i方向上的體積力，單位為N/m3；Fi-由熱源引起的源項；μ-運動粘度，單位為Pa?s。

空間差分格式采用MARS二階進度計算，密度項可采用CD方法，求解器采用AMG算法；使用非穩(wěn)態(tài)模型，雷諾時均方程-RANS方程。

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：ui表示略去平均符號的雷諾平均速度分量，單位為M/s；ρ為密度，單位為kg/m3；p為壓強，單位為Pa；u'i為脈沖速度，單位為M/s；σij為應(yīng)力張量分量，單位為Pa。

使用Simcenter FLOEFD基于FavreAveraged Navier-Stokes模型。在邊界條件上，柜機做上下兩出風(fēng)口，兩出風(fēng)口根據(jù)實驗要求在計算中給定送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度及一定的紊流度。模擬室內(nèi)空間的六個內(nèi)壁均按絕熱恒溫邊界條件給定，溫度為26℃。離散方法采用有限體積法對偏微分方程進行離散求解。收斂標(biāo)準(zhǔn)的確定：能量方程的殘差小于10-6，其余方程的殘差小于10-3。

采用軟件自動網(wǎng)格劃分，仿真計算模型網(wǎng)格總數(shù)共878355個，劃分類型為正六面體，模型和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 CFD仿真模型和網(wǎng)格劃分示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 制冷舒適性分析

運用CFD仿真模型進行固定空間冷風(fēng)模擬。作制冷仿真空間溫度云圖，其中綠色為舒適區(qū)22℃～26℃（夏天室內(nèi)舒適溫度區(qū)間）。如圖5至圖8所示為模擬實驗室環(huán)境中，截取第5分鐘、第20分鐘、第30分鐘、第60分鐘的仿真對角線視圖。觀察冷氣流流動方式和方向，冷氣受重量和流體推動方向移動，在5分鐘時，冷氣已快速充滿空間。因為冷氣下降和空調(diào)工況運作，當(dāng)在20分鐘時，空間溫度已開始接近舒適溫度。在30分鐘時，空間溫度達到舒適溫度，在之后空間溫度維持舒適溫度不變。

圖5 CFD制冷溫度場（5分鐘實驗值）

圖8 CFD制冷溫度場（60分鐘實驗值）

垂直溫差影響溫度舒適性，當(dāng)柜機達到穩(wěn)定的運行狀態(tài)時（30分鐘），空間上部的冷空氣受重力影響向下運動至下部區(qū)域。如圖7所示，此時空間溫度基本維持在24℃～25℃，用戶無論是坐姿（距離地面1.1 m～0.1 m）、站姿（距離地面1.7 m～0.1 m），垂直溫差都維持在1℃內(nèi)。根據(jù)ISO 7730-2005[9]標(biāo)準(zhǔn)提出的垂直溫差上限值應(yīng)不大于3℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖6 CFD制冷溫度場（20分鐘實驗值）

圖7 CFD制冷溫度場（30分鐘實驗值）

圖9是通過測量風(fēng)速進行描點的軌跡曲線圖，上下沿曲線對應(yīng)點則是風(fēng)的軌跡與覆蓋范圍，將實驗身高值按站立高度進行評估。可以看到冷風(fēng)直吹軌跡均高于實驗身高值1.764 m，故該實驗機不會出現(xiàn)對人體冷風(fēng)直吹的舒適性問題（圖9淺藍色區(qū)域為實驗最高身高活動范圍）。在冷風(fēng)制冷條件下，斜向上的出風(fēng)方式既不會直吹到人，又可以在較短時間內(nèi)（20分鐘）讓空間溫度快速到達舒適溫度。

圖9 冷風(fēng)風(fēng)速描點軌跡曲線圖

為研究室內(nèi)各個位置的舒適度，對制冷溫度均勻度進行研究。圖10是在制冷時間到達30分鐘時，模擬用戶坐姿、站姿，分別在距離地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的溫度云圖，各云圖溫度主要集中在24.5℃～26℃，溫差1.5℃。GB/T 33658-2017[10]規(guī)定，室內(nèi)溫度均勻度應(yīng)不大于2℃。故在制冷環(huán)境下，上出風(fēng)口出冷風(fēng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 制冷模式不同高度水平面的溫度云圖

2.2 制熱舒適性分析

進行固定空間制熱模擬，并對仿真結(jié)果進行分析。為比較上下出風(fēng)與單上出風(fēng)的舒適度，進行兩種狀態(tài)仿真：狀態(tài)一為上出風(fēng)口和下出風(fēng)口同時出熱風(fēng)，狀態(tài)二為僅上出風(fēng)口出熱風(fēng)。作制熱仿真空間溫度云圖，其中黃色為暖區(qū)23℃～25℃（冬天室內(nèi)舒適溫度區(qū)間）。

在垂直溫差上，如圖11和圖12所示，因為暖空氣輕于冷空氣會上升，當(dāng)模擬運行到60分鐘時，空間溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過制熱模式下，上下出風(fēng)式柜機與上出風(fēng)式柜機的截斷房間云圖可觀察到，上下出風(fēng)的房間云圖熱力均勻度更高，而上出風(fēng)式房間云圖熱力呈現(xiàn)上熱下冷的狀態(tài)。通過測量其溫度值，圖11所示的制熱模式下，上下出風(fēng)截斷圖中，可看到上下出風(fēng)式垂直溫差在0.3℃左右，溫差較小；而圖12所示的上出風(fēng)式垂直溫差在9.4℃左右，溫差較大。上下出風(fēng)形式的垂直溫差小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3℃；而單上出風(fēng)形式的垂直溫差大于標(biāo)準(zhǔn)值。因此在制熱模式下，上下出風(fēng)式柜機的熱舒適性更高。

在溫度均勻度上，圖13為在上下出熱風(fēng)，制熱時間到達60分鐘時，分別在距離地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的溫度云圖。距離地面0.1 m處溫度較高為27℃，有利于腳部保暖；距離地面1.1 m和1.7 m的溫度差在1℃，符合上文中的標(biāo)準(zhǔn)。圖14為在僅上出熱風(fēng)且制熱時間到達60分鐘時，分別在距離地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的溫度云圖。距離地面0.1 m處溫度較低為21℃，腳部感受不到溫暖；距離地面1.1 m處溫度分布在25℃～28℃，溫差較大；距離地面1.7 m處溫度分布在29℃，溫度較高，頭部溫感不適。故制熱模式下，上下出風(fēng)式較上出風(fēng)式柜機的空間內(nèi)溫度更均勻，且空間下部溫度更高，更符合人體對“暖風(fēng)從腳起”及熱度均衡的熱舒適性需求。

圖13 制熱狀態(tài)一下不同高度水平面溫度云圖

圖14 制熱狀態(tài)二下不同高度水平面溫度云圖

3 結(jié)論

本文針對行業(yè)內(nèi)各類柜機冷熱出風(fēng)舒適性差的問題，通過新型上下冷熱出風(fēng)柜機仿真及實驗對比，可以得出如下結(jié)論：

（1）制冷模式時，上下出風(fēng)式柜機上出風(fēng)口出冷風(fēng)，柜機冷氣流直吹軌跡范圍高于90%以上中國人平均身高值，不會出現(xiàn)冷風(fēng)直吹的情況，且由于冷空氣密度大，冷空氣會下沉，使得室內(nèi)溫度相對更均衡，符合人體制冷舒適性需求。

（2）制熱模式時，相較傳統(tǒng)上出風(fēng)式柜機，上下出風(fēng)式柜機上出風(fēng)口和下出風(fēng)口同時出熱風(fēng)，柜機可以實現(xiàn)熱風(fēng)吹腳，并避免熱氣流直吹人臉造成的不舒適問題。同時由于熱空氣密度小，熱空氣上浮，使得室內(nèi)溫度同樣更均衡，上下出風(fēng)式柜機房間溫差可以控制在2℃以內(nèi)，相較傳統(tǒng)柜機溫差9.4℃，均衡性顯著提升，符合人體制熱舒適性需求。

（3）新型上下出風(fēng)式柜機可以較好地解決行業(yè)里傳統(tǒng)柜機制冷、制熱對人體造成的不舒適性問題，在結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)冷風(fēng)不直吹人，“暖風(fēng)從腳起”的效果，同時符合冷風(fēng)下沉、熱風(fēng)上浮的物理屬性，空間溫度更均衡，人體的舒適性更高，對市場及用戶具有較好的推廣價值。