柜式空調(diào)出風(fēng)方式對(duì)人體舒適性影響的研究

吳歡龍 姚紫薇 張旭陽(yáng)

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)家用電器的高品質(zhì)與使用的舒適性需求日益增長(zhǎng)，空調(diào)作為溫度調(diào)節(jié)器為人們?cè)诘謸跹谉峄蚝淇諝獾那忠u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(wú)法滿(mǎn)足人們的舒適性體驗(yàn)需求。合理的出風(fēng)方式對(duì)人體舒適度的研究對(duì)用戶(hù)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(zhǎng)時(shí)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(duì)人體影響最為明顯，為了避免冷風(fēng)直吹，用戶(hù)會(huì)采取各種辦法將出風(fēng)口避開(kāi)人體，所以冷風(fēng)對(duì)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(shí)，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(guó)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(píng)價(jià)熱環(huán)境[2]，熱氣流作用于人體時(shí)，人體頭腳溫差越大，人的不滿(mǎn)意度越高。同時(shí)“熱風(fēng)從腳起”已成為主流聲音，因此熱風(fēng)對(duì)人體的舒適性問(wèn)題關(guān)鍵在于縮小熱溫差的同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注頭腳溫差問(wèn)題。

針對(duì)空調(diào)不同送風(fēng)方式對(duì)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(dòng)可以一定程度改善人體的熱舒適性，但風(fēng)速過(guò)高也會(huì)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(duì)臉部和腳部送熱風(fēng)，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)送向臉部對(duì)人體熱舒適改善更顯著。目前大多數(shù)研究學(xué)者會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或數(shù)值模擬來(lái)分析單一的送風(fēng)方式對(duì)人體的舒適性，較少將柜機(jī)冷、熱送風(fēng)對(duì)中國(guó)人實(shí)際身高下人體舒適性的影響進(jìn)行研究。基于此，本文采用CFD軟件進(jìn)行制冷溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，同時(shí)將上下出風(fēng)式柜機(jī)與傳統(tǒng)上出風(fēng)式柜機(jī)進(jìn)行熱舒適性實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。

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

（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(jìn)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(shí)，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(hù)的熱舒適性體驗(yàn)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(jī)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(dòng)的空間高度內(nèi)，送風(fēng)面積相對(duì)更均勻，但無(wú)法有效避免冷風(fēng)直吹的問(wèn)題。同時(shí)無(wú)法保持熱風(fēng)向下的聚集狀態(tài)，用戶(hù)的冷、熱舒適性均不理想。

（3）新型圓柱式柜機(jī)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(kāi)啟“無(wú)風(fēng)感”模式時(shí)，導(dǎo)風(fēng)板會(huì)閉合遮擋出風(fēng)口，出風(fēng)氣流則會(huì)通過(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)感的效果[7]。用戶(hù)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(dá)到不同高度送風(fēng)效果，但會(huì)降低效率。

1 研究方法

針對(duì)市面上各類(lèi)柜機(jī)出風(fēng)方式對(duì)人體舒適性問(wèn)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(duì)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(jī)，進(jìn)行不同人群身高下CFD制冷溫度場(chǎng)分析，以及將此款柜機(jī)與傳統(tǒng)柜機(jī)進(jìn)行熱舒適性實(shí)驗(yàn)。

1.1 中國(guó)人均身高與柜式空調(diào)高度人機(jī)關(guān)系

上下冷熱出風(fēng)式柜機(jī)，主要是機(jī)體頂端及底部同時(shí)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(jī)不需要改變單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)原有制冷量或制熱量。本文重點(diǎn)研究中國(guó)國(guó)內(nèi)柜機(jī)對(duì)國(guó)人舒適度的影響。

上下冷熱出風(fēng)式實(shí)驗(yàn)柜機(jī)高度為1858 mm，如表1、表2、表3所示為中國(guó)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(guó)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(shí)驗(yàn)中取1764 mm為人體舒適性實(shí)驗(yàn)高度值，以判斷上下冷暖出風(fēng)對(duì)人體舒適性的影響情況。

1.2 CFD仿真實(shí)驗(yàn)條件

運(yùn)用CFD仿真模型進(jìn)行固定空間冷風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和熱風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其仿真計(jì)算域按1:1等比建造實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模型，三維模型面積為39.53 m2，長(zhǎng)×寬×高為6.46 m×6.12 m×3 m，仿真空間和柜機(jī)擺放位置如圖2所示。柜機(jī)出風(fēng)方向設(shè)定為對(duì)角線固定方向（因?yàn)楣駲C(jī)空調(diào)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板為可左右擺動(dòng)，所以其他位置通過(guò)調(diào)節(jié)擋風(fēng)板都可直線吹到，故本文重點(diǎn)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(zhǎng)×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(shí)驗(yàn)樣機(jī)與工況

模擬某款柜式空調(diào)器的實(shí)際使用場(chǎng)景，此柜機(jī)為3匹變頻一級(jí)能效柜機(jī)。如圖3所示，柜機(jī)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(shí)斜向上出風(fēng)，下出風(fēng)口出風(fēng)時(shí)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(zhǎng)為0.95 m、寬為0.41 m?？照{(diào)制冷運(yùn)行時(shí)僅上出風(fēng)口出冷風(fēng)，制熱運(yùn)行時(shí)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(shí)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(jī)出風(fēng)示意圖

在制冷舒適性實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果作為判斷數(shù)據(jù)。為對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.4 CFD計(jì)算模型

本文使用FLOEFD軟件進(jìn)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(jì)方法求解，采用非穩(wěn)態(tài)控制方程來(lái)模擬空氣流動(dòng)，如下：

質(zhì)量連續(xù)方程：

動(dòng)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(xiàng)；μ-運(yùn)動(dòng)粘度，單位為Pa?s。

空間差分格式采用MARS二階進(jìn)度計(jì)算，密度項(xiàng)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(shí)均方程-RANS方程。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：ui表示略去平均符號(hào)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(qiáng)，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(jī)做上下兩出風(fēng)口，兩出風(fēng)口根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在計(jì)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(gè)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(duì)偏微分方程進(jìn)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(dòng)網(wǎng)格劃分，仿真計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)共878355個(gè)，劃分類(lèi)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(yùn)用CFD仿真模型進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)角線視圖。觀察冷氣流流動(dòng)方式和方向，冷氣受重量和流體推動(dòng)方向移動(dòng)，在5分鐘時(shí)，冷氣已快速充滿(mǎn)空間。因?yàn)槔錃庀陆岛涂照{(diào)工況運(yùn)作，當(dāng)在20分鐘時(shí)，空間溫度已開(kāi)始接近舒適溫度。在30分鐘時(shí)，空間溫度達(dá)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(chǎng)（5分鐘實(shí)驗(yàn)值）

圖8 CFD制冷溫度場(chǎng)（60分鐘實(shí)驗(yàn)值）

垂直溫差影響溫度舒適性，當(dāng)柜機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)（30分鐘），空間上部的冷空氣受重力影響向下運(yùn)動(dòng)至下部區(qū)域。如圖7所示，此時(shí)空間溫度基本維持在24℃～25℃，用戶(hù)無(wú)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(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖6 CFD制冷溫度場(chǎng)（20分鐘實(shí)驗(yàn)值）

圖7 CFD制冷溫度場(chǎng)（30分鐘實(shí)驗(yàn)值）

圖9是通過(guò)測(cè)量風(fēng)速進(jìn)行描點(diǎn)的軌跡曲線圖，上下沿曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)則是風(fēng)的軌跡與覆蓋范圍，將實(shí)驗(yàn)身高值按站立高度進(jìn)行評(píng)估。可以看到冷風(fēng)直吹軌跡均高于實(shí)驗(yàn)身高值1.764 m，故該實(shí)驗(yàn)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)對(duì)人體冷風(fēng)直吹的舒適性問(wèn)題（圖9淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)最高身高活動(dòng)范圍）。在冷風(fēng)制冷條件下，斜向上的出風(fēng)方式既不會(huì)直吹到人，又可以在較短時(shí)間內(nèi)（20分鐘）讓空間溫度快速到達(dá)舒適溫度。

圖9 冷風(fēng)風(fēng)速描點(diǎn)軌跡曲線圖

為研究室內(nèi)各個(gè)位置的舒適度，對(duì)制冷溫度均勻度進(jìn)行研究。圖10是在制冷時(shí)間到達(dá)30分鐘時(shí)，模擬用戶(hù)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(jìn)行固定空間制熱模擬，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。為比較上下出風(fēng)與單上出風(fēng)的舒適度，進(jìn)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(shí)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?yàn)榕諝廨p于冷空氣會(huì)上升，當(dāng)模擬運(yùn)行到60分鐘時(shí)，空間溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)制熱模式下，上下出風(fēng)式柜機(jī)與上出風(fēng)式柜機(jī)的截?cái)喾块g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(guò)測(cè)量其溫度值，圖11所示的制熱模式下，上下出風(fēng)截?cái)鄨D中，可看到上下出風(fēng)式垂直溫差在0.3℃左右，溫差較??；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(jī)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(shí)間到達(dá)60分鐘時(shí)，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(shí)間到達(dá)60分鐘時(shí)，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(jī)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(duì)“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(duì)行業(yè)內(nèi)各類(lèi)柜機(jī)冷熱出風(fēng)舒適性差的問(wèn)題，通過(guò)新型上下冷熱出風(fēng)柜機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

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

（2）制熱模式時(shí)，相較傳統(tǒng)上出風(fēng)式柜機(jī)，上下出風(fēng)式柜機(jī)上出風(fēng)口和下出風(fēng)口同時(shí)出熱風(fēng)，柜機(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)吹腳，并避免熱氣流直吹人臉造成的不舒適問(wèn)題。同時(shí)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(jī)房間溫差可以控制在2℃以?xún)?nèi)，相較傳統(tǒng)柜機(jī)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(jī)可以較好地解決行業(yè)里傳統(tǒng)柜機(jī)制冷、制熱對(duì)人體造成的不舒適性問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)不直吹人，“暖風(fēng)從腳起”的效果，同時(shí)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(duì)市場(chǎng)及用戶(hù)具有較好的推廣價(jià)值。