三種不同出風口形式的柜式空調的熱舒適性實驗分析

周興法 盧云 黃國俊

上海三菱電機·上菱空調機電器有限公司 上海 200135

0 引言

空調的熱舒適性是很多用戶選擇空調時的一個重要參考因素，也是國內外各個空調廠家差異化發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[5-6]，以及通過在導風板上追加小孔實現無風感[7-8]的研究；在出風風速的大小[3,9]以及出風的動態特性[10-12]方面也有相關的研究論文發表；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機，制冷時可使人的主要活動區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，發現在普通模式下吹風感指數高達27.9%，而且具有左右出風不均勻的現象；張輝等[21]提出了分布式送風，即在上出風式柜式空調的底部追加出風口，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的熱舒適性分析均是針對單一產品，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對熱舒適性的影響，為以后產品的設計和選購提供一定的參考。

1 空調熱舒適性影響因素

空調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，即環境因素和個人因素：環境因素包括空氣溫度、相對濕度、相對風速以及環境的平均輻射溫度；個人因素包括人的活動水平以及著裝狀態。

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（Draught Rate, DR）、預計平均熱感覺指數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的空氣一般是處于穩定的狀態，即在家用空調使用場合，用戶已經開啟空調相當長的時間了；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前，房間內空氣的狀態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。因此空調剛開啟一段時間內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，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、室內機噪聲以及循環風量等參數見表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環境室的長、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，正面面向對面墻角。

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

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《人工熱環境舒適性測評方法》[22]為依據開展實驗測試分析，分別測試被測試機組在制冷和制熱時人體主要活動區域1.7 m以下空間（實際計算用的空氣溫度測試點數為972），在開機后的前2個小時內的降溫/升溫階段變化特點以及在開機后規定時間內溫度穩定階段狀態（第3個小時內）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，因實驗室條件限制，風速儀不足，因此不具備分析吹風感指數和PMV等指標的條件，故在本文分析中省略。

溫度波動Tf是指規定時間段內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-在規定時間內記錄測點溫度數據的次數；

ti,j-在第i時刻第j測點的溫度，℃；

ta,j-在規定時間內第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-計算空間內溫度測點總數。

溫度均勻度是指在指定時刻或時間段內，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內溫度測點總數；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。

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為在規定時間內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定時間內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-室內垂直測量線的總數。

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、外環境室的初始溫度條件見表2，待溫度穩定后，開啟數據采集軟件，關閉門窗，按照表3的方式開啟空調，同時外環境室的溫度條件繼續按照表2維持；內環境室投入的熱負荷根據實驗機組能力的不同按照表2進行控制。

表2 內外環境室初始溫度、外環境室維持溫度以及內環境室投入熱負荷條件

表3 測試空調設置

2.5 制冷實驗結果分析

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

表4 制冷穩定時舒適性評價重要參數

圖4是制冷制熱時展示的各個截面位置的結果云圖的圖示說明：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人在坐姿狀態下多數人的頭部所在平面。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定階段的平均風速

結合圖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域內無冷風正面直吹；穩定時平均溫度是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最佳。

上下出風口式的B型機組在機組運行穩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），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域的高度位置內，且穩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，表現較好。

根據Toftum J[23]等通過受試者實際調查的方式得出的結論，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最優。

2.6 制熱實驗結果分析

圖6是制熱時機組近端和遠端代表點在穩定階段的平均風速，表5是制熱穩定時舒適性評價的重要參數，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。

結合圖6、圖7和表5可以看出，A型機組這種傳統式的柜式空調的出風口，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，穩定時平均溫度與設定溫度相差（0.6℃）小；除足部溫度均勻度（1.4℃）表現較C型機組（1.2℃）稍差外，其他表現都最優秀，總體來說傳統上出風口式的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 制熱穩定時舒適性評價重要參數

圖6 制熱時機組近端和遠端在穩定階段的平均風速

B型出風口機組由于具有上下出風的結構，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，造成房間內機組遠端過冷；在運行期間，足部溫度均勻度的數值一直最高，表現最差（見圖8），穩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，三者中表現最差；因此在房間內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內尤為明顯，房間3/4的區域都是處于冷的區域。

圖8 運行前180 min內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域的高度位置內，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，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內房間的幾乎全部區域的足部溫度都很低；其穩定時平穩溫度比設定溫度高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℃）仍表現差。

3 結論

以標準T/CAB CSISA 0030-2020為依據，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，分別在制冷、制熱穩定時的溫度波動、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，可得出以下結論：

（1）上出風口式柜式空調在制冷、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，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，出風口的位置高度在人體主要活動區域的位置高度內，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好，但因溫度低，垂直溫差大，實際體感差。