壁掛式空調出風口位置對人體熱舒適性影響研究

劉漢 陳志偉 李建建 翟振坤

國家節能環保制冷設備工程技術研究中心 廣東珠海 519070

0 引言

舒適的室內環境有利于人體生理及心理上的健康[1]，而空調可對室內溫度及風速進行調節，因此針對空調舒適性性能的研究越來越受到人們的關注。

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

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

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

HUANG Chen[5]對大空間側壁制冷系統的熱舒適性進行了研究，其成果顯示，出風口位置較低時，必須有較高風速才能實現室內溫度均衡，否則房間內溫度分層嚴重，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模型和自適應模型，以評估飛機內熱舒適性，滿足飛機乘客的更高要求。

XIE Hui[7]利用問卷調查的形式評估體育館的熱舒適性，從而確定空調設計參數是否合理。

綜合以上研究，出風口的分布直接影響著空調氣流的輸出，當空調氣流導向天花板或地板時，室內熱量主要通過自然對流進行傳遞，房間整體的溫度分層現象將更均勻，人體舒適性更好。因此，出風口位置的合理化設計是提升空調舒適性性能的關鍵技術。

在較小面積的房間，通常在頂部安裝壁掛式的空調，以避免影響人體活動空間及阻礙視野。由于人體活動區域為房間下方，因此常規壁掛式空調通常只有下出風口，其直接對人體活動區域進行送風，從而達到快速溫降的效果。下出風口空調雖然在溫控方面表現優異，但人體熱舒適性不僅包含溫度，還包含氣流流速，而下出風口空調的過冷氣流易直吹人體，產生令人體不適的吹風感。因此十分有必要對壁掛式空調出風口位置設計進行研究，以優化其室內制冷舒適性。

本文壁掛機采用上出風口設計，并根據仿真及實驗分析，研究了上風口高度與氣流吹出角度對室內溫度場及風速場的影響，并探索出合理的上風口設計原則。

1 上出風口空調模型

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。壁掛式空調通常安裝在房間高度2.3 m處。上出風口壁掛機與下出風口壁掛機物理模型如圖2、圖3所示。

圖1 房間物理模型

圖2 上出風口壁掛機物理模型

圖3 下出風口壁掛機物理模型

1.2 數值仿真

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

基于CFD軟件進行仿真計算，可監測該區域風速值，如圖4所示。分別采用不同工況進行仿真，其風速仿真均值與實驗均值誤差可控制在5%以內，如表1所示，表明仿真模型準確性較高，可實現對出風口結構對房間氣流組織影響的數值分析。

圖4 室內風速分布云圖

表1 仿真誤差值

本文以壁掛機上出風口高度H、導風角度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域風速均值分布的影響。

圖5 研究變量示意圖

基于空調超強風檔，即風機轉速為1250 r/min，對不同變量A、H值進行仿真計算，針對3500 W制冷量壁掛式空調，室內環境工況為35℃，設定風檔為超強檔（即風量為650 m3/h），出風溫度為27℃。對不同變量A、H值進行仿真計算，并監測人體頭部上方區域風速平均值，計算結果如圖6所示。

圖6 風速平均值計算結果

采用上述仿真所得的樣本數據，搭建基于RBF神經網絡的氣流組織設計平臺，并使用該平臺進行數值求解計算，其中A取值0°～70°（插值間隔5°），H取值0～200 mm（插值間隔5 mm），并將計算結果進行響應面擬合，其結果如圖7所示。可看出當A值取值11°，H值取值180 mm時，人體頭部上方區域的風速均值最大，為0.78 m/s。

圖7 最大風速值尋優

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

圖8 風速分布云圖

2 實驗驗證

選取下出風口的常規壁掛機與上出風的壁掛機進行對比測試，試驗室為磚墻結構，試驗室示意圖及溫度布點如圖9所示，測試工況見表2。

圖9 試驗室測試示意圖

表2 實驗工況

2.1 送風范圍

送風范圍可以反映出風氣流水平方向上和豎直方向上能夠到達的位置，以評估空調出風口的送風能力。為對比具有上出風口的壁掛機和僅有下出風口常規壁掛機的送風范圍，圖10、圖11顯示了不同機型在距離空調不同水平距離時，風速大于0.3 m/s的高度范圍。

圖10為內風機采用超強檔的測試結果，具有上出風口的壁掛機出風上沿在距離空調安裝位置1 m處高度達到2.8 m，送風氣流已經緊貼天花板；在水平距離4 m處出風上沿高度為2.65 m，相比于常規壁掛機出風上沿高0.35 m，出風下沿高度在距離空調安裝位置4 m處為1.35 m，相比于常規壁掛機出風下沿高0.55 m。因此不管是出風上沿還是出風下沿，具有上出風口的壁掛機送風高度要高于常規壁掛機。

圖10 超強檔下送風范圍對比

圖11為內風機采用高風檔的測試結果，與超強檔測試結果一致，因此不同風量下，具有上出風口的壁掛機送風高度均高于常規下出風壁掛機。

圖11 高風檔下送風范圍對比

2.2 室內空氣溫度分布

溫度分布云圖可直觀反映房間內空氣溫度場的分布情況，實驗中空調的中心位置位于（0，1.75，2.4）。采用表2所示工況，風檔為超強檔時，具有上出風口壁掛機與常規下出風壁掛機溫度云圖對比如表3所示。

表3 溫度分布云圖

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

35 min后，具有上出風口的壁掛機房間內溫度均值為27.5℃，無明顯溫度分層現象。常規壁掛機房間內溫度均值為26.6℃，且上下分層較為明顯，上下層有0.5℃的溫差，因此具有上出風口的壁掛機房間溫度均勻性更好。

綜上所述，具有上出風口的壁掛機溫降速率雖然稍慢于常規下出風口壁掛機，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口的壁掛機對人體的制冷舒適性影響，實驗招募受試者100名，基本信息如表4所示，受試者統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查問卷，調查內容包含熱舒適、吹風感。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 熱舒適和吹風感投票標尺

實驗持續1 h，實驗中受試者不進行劇烈活動，實驗結束后受試者進行熱舒適和吹風感投票，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 吹風感投票占比

表5 熱舒適和吹風感投票均值

從熱舒適投票均值上來看，常規下出風口壁掛機熱舒適均值低于具有上出風口的壁掛機，整體偏涼，這與實驗中房間溫度分布結果一致；從投票占比來看，兩種機型熱舒適投票均主要位于[-1,1]區間，人體的熱舒適性感覺差異不大。

從吹風感的投票均值來看，具有上出風口的壁掛機無明顯風感，而常規下出風壁掛機吹風感強烈，引起體驗者體感不適；而具有上風口的壁掛機吹風感投票主要位于（-1,0]區間，常規下出風口壁掛機主要位于（-2，-1]區間，兩者對比明顯，與送風范圍實驗結果一致，可知具有上出風口的壁掛機具有明顯優勢。

綜上所述，具有上出風口的壁掛機熱舒適與下出風口壁掛機相當，吹風感明顯優于下出風口壁掛機，人體主觀評價的接受度更高。

3 結論

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

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

（3）實驗結果表明，具有上出風口的壁掛機相比下出風壁掛機，其送風范圍更高，溫降速率略低，但溫度均勻性更好。

（4）調查問卷結果顯示，具有上出風口的壁掛機與下出風口壁掛機，制冷時人體熱舒適主觀投票結果相當，但吹風感投票明顯優于后者。