空調(diào)送風(fēng)口高度對室內(nèi)熱舒適性影響分析

李曉川

中機意園工程科技股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

空調(diào)目前被大范圍使用，人們對于室內(nèi)熱舒適性的需要標準，也在持續(xù)提升。以長時間待在室內(nèi)的人員角度而言，適宜的氣流速度、溫度環(huán)境，有利于優(yōu)化其熱舒適性。

1 室內(nèi)熱舒適性的影響因素

1.1 空氣溫度

其屬于主要條件，關(guān)系到人體借助對流與輻射，實現(xiàn)顯熱交換的效果，相較于其他條件來說，人體感知溫度的靈敏度較高。而人體對于所處環(huán)境的冷熱感受，是極為敏感的。

1.2 輻射溫度

其均值是受到環(huán)境表面溫度的影響?，F(xiàn)實生產(chǎn)生活條件下，空氣溫度與輻射溫度均值大多是有差別的，機體經(jīng)常會在發(fā)生局部受熱的同時，其他部分受冷。因而，探究輻射溫度的平均值和分析空氣溫度偏差、不對稱的散熱及受熱在人體生理及反應(yīng)體會上的影響相比，確認允許限值是極為關(guān)鍵的[1]。

1.3 氣流速度

室內(nèi)熱環(huán)境下，氣體流動可以使人體接觸到新鮮空氣，并提高人體散熱的速度，產(chǎn)生降溫的感覺，讓人體快速處于熱舒適的狀態(tài)中。但如果氣流速度過快，容易形成吹風(fēng)感，所以要注重流速的控制。

1.4 環(huán)境濕度

該室內(nèi)條件同樣會對人體熱舒適性有某些影響，具體反映在蒸發(fā)熱損失上。在相對濕度處于40%～70%之間，人體能夠保持較為穩(wěn)定的蒸發(fā)狀態(tài)，此時氣體流速較為重要。假設(shè)空氣靜止，會導(dǎo)致接觸皮膚的空氣，水蒸氣分壓力偏高，影響人體正常的蒸發(fā)散熱，引起不適感。在高溫條件下，相對濕度如果超過70%，同樣會產(chǎn)生不適感，嚴重程度會在濕度提高的同時加重。結(jié)合既有研究顯示，相對濕度處于70%～80%之間，和不足70%的環(huán)境相比，會引起人體更加強烈的不舒適感。而且相對濕度過大，會導(dǎo)致建筑受潮，甚至形成凝結(jié)水。反之，相對濕度在30%以下，也會產(chǎn)生不適感，并使人體容易患上呼吸道疾病。這是因為濕度會對汗液分泌有影響，關(guān)系到皮膚表層濕度，這也是判斷人體熱舒適性的關(guān)鍵條件之一。在皮膚濕度處于25%，和衣服的摩擦感會增強，如果超過25%，舒適感會大打折扣。這種現(xiàn)象是因為相對濕度偏低的狀態(tài)下，熱感覺是熱舒適性評價指標，如果是高濕度，熱感覺無法準確衡量熱舒適性[2]。除上述影響因素外，還應(yīng)當(dāng)考慮PMV（見表1），其是根據(jù)人體熱平衡偏離情況的熱負荷進行評價。在熱負荷增大中，人體的熱舒適感越差。

表1 PMV熱感覺標尺

2 空調(diào)送風(fēng)口高度對室內(nèi)熱舒適性的影響探析

以送風(fēng)口高度為例，分析其對于冬季室內(nèi)熱舒適性的影響。下文所述的模擬試驗，送風(fēng)方式為上送上回，借助調(diào)整機組頻率，控制實際風(fēng)速。同時，利用改變門口開度，調(diào)整室內(nèi)的熱負荷?？臻g外墻溫度值是10℃、屋頂溫度是20℃，送風(fēng)口速度是3m/s，溫度是26℃。

2.1 室內(nèi)溫度

2.1.1 數(shù)值模擬。氣流整體趨勢一致，送風(fēng)口高度在4.5m的情況下，高溫氣體會在送風(fēng)傾角的影響下，來到室內(nèi)下部區(qū)域。在送風(fēng)射流速度放緩與熱浮力的影響中，高溫氣體逐漸升高至屋面周圍?？諝饽恍纬捎谌藛T活動區(qū)域（室內(nèi)2m以下），所謂的空氣幕就是空氣射出一段距離后，形成多股平行且非等溫的射流，令室內(nèi)接近中央的區(qū)域溫度略高。在送風(fēng)口高度達到6.5m，高溫氣流逐漸下降，但因為流速降低與浮升力影響，沒能下降到活動區(qū)域，最終提高至屋面周圍，空氣幕則形成于室內(nèi)上方。此時，人員活動區(qū)域的溫度條件分布均勻，而室內(nèi)整體溫度和送風(fēng)口高度在4.5m時相比偏低，差值在1.5℃左右。在送風(fēng)口為8.5m高，基本規(guī)律一致，空氣幕形成于非活動區(qū)域，并且略超過送風(fēng)口高度在6.5m的情況。

2.1.2 采樣點溫度值結(jié)果。空調(diào)送風(fēng)口的高度位置變化，會引起室內(nèi)溫度起伏。受到熱浮力的影響，送風(fēng)口處于不同高度時，室內(nèi)上方溫度略高。而上下溫差（其中空間凈高是900mm），在送風(fēng)口位于8.5m的情況下，溫差接近7℃；空調(diào)送風(fēng)口高度為4.5m，溫差在1℃以內(nèi)，由此提升至空氣幕下，產(chǎn)生兩處隔斷層，令室內(nèi)不足2m與超過5m的區(qū)域，溫度分布均勻。并且2m之下的區(qū)域，在送風(fēng)口高度是4.5m時，溫度值達到最大。而形成分界線的主要原因是熱浮力的影響，送風(fēng)口處于不同高度上，空間內(nèi)上部溫度普遍高于下部分度。超過5m的區(qū)域，會在送風(fēng)口達到8.5m時，達到最高溫。其余部分的溫度則是和送風(fēng)口高度的同步變化。

2.2 氣流速度

2.2.1 數(shù)值模擬。在大面積室內(nèi)中，空調(diào)30°傾角輸出的氣體射流，會影響到周邊較多的空氣，卷吸氣流基本都從空間上部氣流而來，產(chǎn)生較大的渦流，同時，空間下部也產(chǎn)生規(guī)格相對偏小的渦流。該種現(xiàn)象主要是因為送風(fēng)射流沿程一直卷吸室內(nèi)下部空氣，并順著墻壁下降導(dǎo)致。另外，受到初始動量與浮升力的雙重影響，上升熱氣流會直至屋面，和其內(nèi)表層實現(xiàn)換熱。等到氣流冷卻后，會順著兩側(cè)壁面降低高度，受到射流卷吸的影響，進入空間下部，產(chǎn)生有規(guī)律的移動。在靠近空間側(cè)墻的位置，因為外墻冷壁面對流效果，令氣流速度加快，對流反應(yīng)也更加明顯。這導(dǎo)致熱氣流停在室內(nèi)上方，引發(fā)熱量額外消耗。此外，壁面附近的自然對流相撞下，產(chǎn)生水平方向熱風(fēng)幕，可以阻斷下方熱空氣上升，而向下的氣流則是維持溫度的關(guān)鍵力量，令活動區(qū)域溫度提高[3]。

送風(fēng)口高度處于6.5m，上方氣流渦流繼續(xù)上升，并且在送風(fēng)口位置提高中，空間內(nèi)活動區(qū)域的氣流速度較為勻稱，風(fēng)速均值在0.2m/s左右。送風(fēng)口高度在4.5m的情況下，0.2m平面與房間中心平面（空間寬度方向上的9m處），都形成高風(fēng)速狀態(tài)，均超過0.5m/s，這會令人體有吹風(fēng)感。在送風(fēng)口高度提升至8.5m，室內(nèi)中下部的風(fēng)速較為均勻，活動區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速下降，約有0.1m/s。由此總結(jié)出，在受熱浮力的作用下，在送風(fēng)口高度提升中，室內(nèi)下部空間的速度會減慢。

2.2.2 采樣點溫度值結(jié)果。空調(diào)送風(fēng)口安裝位置，在垂直方向上的各個高度風(fēng)速沒有明顯改變，大多不超過0.2m/s，并且空間下部區(qū)域的風(fēng)速相對較小，天花板附近的風(fēng)速波動比較明顯。不同室內(nèi)空間條件下，送風(fēng)口位置的影響會有差別。

其一，房間水平方向上為3m，垂直高度是0.2m及1.2m，在送風(fēng)口附近的區(qū)域，送風(fēng)口高度在4.5m時，水平0.2m與1.2m的位置，風(fēng)速出現(xiàn)變化，并且后者波動更加明顯，在0.1-0.6m/s區(qū)間中。送風(fēng)口高度上升至6.5m與8.5m，水平0.2m與1.2m的位置，風(fēng)速基本沒變，均未超過0.2m/s，而且在送風(fēng)口高度提升中，這兩處的溫度有所下降。其二，房間水平方向上6m處。送風(fēng)口在4.5m的位置，水平0.2m與1.2m位置的風(fēng)速出現(xiàn)起伏，區(qū)間在0.1-0.5m/s。送風(fēng)口在6.5m與8.5m，兩個水平高度的風(fēng)速都沒有太大變化，未超過0.2m/s。其三，房間水平方向上為9m的位置。因為和送風(fēng)口有一段距離，僅有送風(fēng)口高度是4.5m的情況下，兩個水平高度上，即0.2m和1.2m平面，接近墻體的區(qū)域風(fēng)速有所變化，浮動區(qū)間在0.3m/s以下。其余送風(fēng)口位置，兩個水平高度上風(fēng)速基本穩(wěn)定，起伏區(qū)間未達到0.15m。

2.3 熱舒適度

2.3.1 數(shù)值模擬。在熱舒適性空調(diào)房內(nèi)，主要是根據(jù)人體感受加以衡量，而舒適度感受和諸多條件有關(guān)，可選的評價指標也較多。此處選擇有效溫度差（△ET）去衡量舒適感。有效溫度差能夠體現(xiàn)出溫度與速度，在人體感受方面的整體效果。相關(guān)表達式是：

其中，△ET是指有效溫度差，單位是K；Ti與Tn分別代表空間內(nèi)某處的空氣溫度與既定室內(nèi)溫度，假設(shè)內(nèi)壁面溫度和空氣溫度相同，單位是K；ui是指空間內(nèi)某處空氣流速，單位是m/s[4]。

在△ET處于-1.7到+1.1K以內(nèi)，大部分人會有舒適感。為有效分析室內(nèi)人群活動范圍的空氣溫度及速度在人體熱舒適性上的影響，此處Tn的取值是293K，并挑選常規(guī)的平面觀察方法。具體來說，在送風(fēng)口的標高位置（Z）從0.2m提高至6.5m，室內(nèi)整體的有效溫度差隨之提高，標高為0.2m的平面處，有效溫度差在-1.7K以上，在熱浮力的影響下，非活動區(qū)域的有效溫度差超過1.1K活動范圍增加，在2m高度以下，有效溫度差處于舒適狀態(tài)數(shù)值區(qū)間的范圍擴大。因為受熱浮力的作用，超過2m的室內(nèi)部分，有效溫度差高于1.1K的區(qū)域擴大。并且氣流本身在上下平面中會有渦流，該部分的有效溫度差均高于1.1K。而在此區(qū)域內(nèi)，空調(diào)送風(fēng)口位置高度提升中，△ET隨之提高，可以明顯發(fā)現(xiàn)，在標高位置達到4.5m，氣流的下渦流△ET超過1.1K部分，轉(zhuǎn)移至室內(nèi)2m高度下的區(qū)域，令人體產(chǎn)生不適感。在送風(fēng)口高度達到8.5m，會受到熱浮力與送風(fēng)口高度太大的雙重影響，室內(nèi)形成有較大差別的△ET分層，而室內(nèi)上方區(qū)域的△ET均高于1.1K。而兩個差別極大的區(qū)域之間，僅存在非常小的過渡段。對于此種情況，應(yīng)當(dāng)是由于熱氣流在射出一段長度后，匯集成若干平行但溫度不相等的射流，水平方向上產(chǎn)生空氣幕，除了空氣幕過渡段外，幾乎沒有△ET處于舒適數(shù)值范圍的區(qū)域，這時室內(nèi)空間的不適感會有所降低。

2.3.2 分布特性。由于大部分人在△ET處于-1.7K到1.1K區(qū)間中的室內(nèi)感覺舒適，因而在衡量空氣分布中，可選擇“達到舒適標準△ET的測量點占比”，也就是空氣分布特性（ADPI）加以判斷。假設(shè)室內(nèi)人群分布均勻，ADPI的相關(guān)表達式為：

ADPI正好為100%，說明室內(nèi)所有人員均對熱舒適性感到滿意。通常情況下，室內(nèi)ADPI至少要達到80%，而在大環(huán)境中，80%的標準很難達成。為有效分析人員對于空間熱舒適性的滿意度，垂直角度上，2m以內(nèi)是人員活動范圍。綜合各方面來看，由于受熱浮力的作用，非活動區(qū)域的有效溫度差，均高于1.1K；而活動區(qū)域，會在送風(fēng)口位置升高的同時，△ET下降，高度達到4.5m，活動區(qū)域的ADPI約是70%，高度達到6.5m，活動區(qū)域ADPI直接升至100%，送風(fēng)口高度達到8.5m，活動區(qū)域ADPI直接降至0%。由此來看，室內(nèi)空間中心位置，送風(fēng)口高度是6.5m，人員活動區(qū)域最為適宜。水平角度上，人體小腿與坐下時頭部位置，△ET在送風(fēng)口升高中，沒有太大的改變。在送風(fēng)口高度處于4.5m與6.5m時，小腿與坐下時頭部的位置，△ET始終在舒適區(qū)間，而且ADPI也可以穩(wěn)定在90%以上。但送風(fēng)口高度設(shè)定在8.5m，小腿與坐下時的頭部位置，△ET均未達到-1.7K，并且ADPI數(shù)值是0%。綜上所述，送風(fēng)口位于4.5m與6.5m的高度時，人體小腿與坐姿頭部位置，均有較好的熱舒適性，但高度為8.5m，會產(chǎn)生明顯的不適感。

3 結(jié)束語

總之，室內(nèi)熱舒適性是確定室內(nèi)空調(diào)位置的重要考慮對象。結(jié)合上文分析結(jié)果，建議根據(jù)房間實際大小，調(diào)整送風(fēng)口的高度，降低吹風(fēng)感，提高溫度分布的均勻性，以此保障人體的舒適度。