三种不同出风口形式的柜式空调的热舒适性实验分析

周兴法 卢云 黄国俊

上海三菱电机·上菱空调机电器有限公司 上海 200135

0 引言

空调的热舒适性是很多用户选择空调时的一个重要参考因素，也是国内外各个空调厂家差异化发展以及各个学者研究的重要热点，各自采用实验分析和模拟计算等工具进行了多种研究和尝试，各自提出了不同的技术手段，力争使房间的空气能够达到更好的舒适性指标[1]。在导风板方面的研究上，有关于导风板的最佳角度[2-4]、层数[5-6]，以及通过在导风板上追加小孔实现无风感[7-8]的研究；在出风风速的大小[3,9]以及出风的动态特性[10-12]方面也有相关的研究论文发表；关于制热时的出风温度的大小和均匀度[13-18]方面也有许多研究者提出改善方案。

其中，出风口的形式对热舒适性的影响也是研究的热点之一。陈剑波等[19]通过仿真计算和实验研究提出了上出风壁挂式空调机，制冷时可使人的主要活动区域温度场和速度场都比较均匀，可解决强吹风感和过冷等问题；陈学彬[20]等研究了利用贯流风叶的纵向出风口式的圆形柜机，发现在普通模式下吹风感指数高达27.9%，而且具有左右出风不均匀的现象；张辉等[21]提出了分布式送风，即在上出风式柜式空调的底部追加出风口，力求解决暖风不达足部的问题。以上关于不同出风口形式的柜式空调的热舒适性分析均是针对单一产品，而未进行横向的对比分析，因此本文通过实验对比分析了市场上销售较多的上出风、上下出风以及纵向出风三种形式的柜式空调对热舒适性的影响，为以后产品的设计和选购提供一定的参考。

1 空调热舒适性影响因素

空调热舒适性是一种非常主观的感受，每个人的感觉都是不一样的。影响热舒适性的因素可以分为2大类，即环境因素和个人因素：环境因素包括空气温度、相对湿度、相对风速以及环境的平均辐射温度；个人因素包括人的活动水平以及着装状态。

分析这些因素对人体的影响的主要项目有温度波动、温度均匀度、垂直温差导致不满意度（Percentage Dissatisfied, PD）、风感指数（Draught Rate, DR）、预计平均热感觉指数以及相应的预计不满意率（Predicted Mean Vote-Predicted Percentage Dissatisfied,PMV-PPD）等。这些项目评价时房间内的空气一般是处于稳定的状态，即在家用空调使用场合，用户已经开启空调相当长的时间了；但是用户对房间空气的热舒适性感觉，对刚开机后房间温度未稳定的那一段时间仍是比较在意的。因为家庭用户在开启空调前，房间内空气的状态很可能是使用户感觉到非常不适的，特别热或冷，需要迅速改变当前的空气状态。因此空调刚开启一段时间内的热舒适性也应该考虑。

2 实验研究

2.1 被测试机组介绍

本文测试的机组为市场上购买的3种不同出风口形式的柜式空调，分别为A型出风口（上出风口式），B型出风口（上下出风口式）以及C型出风口（纵向出风口式），示意图见图1；出风口尺寸、回风口形式、制冷制热能力、室内机噪声以及循环风量等参数见表1。

表1 被测试机组信息

图1 3种不同出风口形式的柜式空调示意图

2.2 热舒适性实验室介绍

图2是舒适性实验室以及被测试机组和测试仪的放置位置示意图。本次热舒适性实验室使用内环境室的长、宽、高为7.9 m、4.1 m、3.0 m，房间面积为32 m2，取样空气温度的热电偶共计1458个（分布在162条垂线上），其上下以及水平之间的平均间距约为0.4 m；辐射球温度计和风速仪各2个，分别放置在距离地面1.2 m，房间短边中间，房间长边距离房间左侧2.45 m和5.45 m处，分别测试房间的平均辐射温度和代表点风速；被测试机组放置在墙角，正面面向对面墙角。

图2 舒适性实验室以及被测试机组和测试仪的放置位置示意图

另外，在内环境室的顶部墙壁周围设置孔板，在内环境室的底部墙壁附近设置回风口，采用引风机将外环境室的空气通过顶部孔板引入到内环境室，将内环境室的空气通过回风口引入到外环境室，实现内环境的热负荷的投入以及压力平衡；同时可以根据投入热负荷要求的不同，调整引风机的转速来实现控制。

2.3 热舒适性的主要评价方法和指标

本文主要以标准T/CAB CSISA 0030-2020《人工热环境舒适性测评方法》[22]为依据开展实验测试分析，分别测试被测试机组在制冷和制热时人体主要活动区域1.7 m以下空间（实际计算用的空气温度测试点数为972），在开机后的前2个小时内的降温/升温阶段变化特点以及在开机后规定时间内温度稳定阶段状态（第3个小时内）下的温度波动、房间温度均匀度、足部温度均匀度、垂直温差以及平均温度等，关于其计算方法见公式（1）～（10）；另外，因实验室条件限制，风速仪不足，因此不具备分析吹风感指数和PMV等指标的条件，故在本文分析中省略。

温度波动Tf是指规定时间段内各个测试点温度波动的平均值。

Tf,j-第j测点的温度波动，℃；

Nt-在规定时间内记录测点温度数据的次数；

ti,j-在第i时刻第j测点的温度，℃；

ta,j-在规定时间内第j测点测量的平均温度，℃；计算方法见公式（2）：

温度波动Tf的计算见公式（3）：

Mt-计算空间内温度测点总数。

温度均匀度是指在指定时刻或时间段内，所有测点温度的标准方差。

Ts,i-在第i时刻第j测点的瞬时温度均匀度，℃；

Mt-计算房间温度均匀度时指房间1.7 m内温度测点总数；计算足部温度均匀度时指离地面0.1 m所在平面的温度测点总数。

tb—在第i时刻所有测点的瞬时平均温度，℃；计算方法见公式（5）：

温度均匀度Ts为在规定时间内测点的瞬时温度均匀度的平均值，方法计算见公式（6）：

垂直空气温差Δta,v是指所有垂直线方向上，头部和足部位置处在规定时间内的平均垂直空气温差的平均值。

Δta,v，k-第k条垂直线上的垂直空气温差，℃；

thead,i,k-第k条垂直线上第i时刻的头部测点（距离地面1.2 m）温度，℃；

tfoot,i,k-第k条垂直线上第i时刻的足部测点（距离地面0.1 m）温度，℃。

垂直空气温差Δta,v为：

L-室内垂直测量线的总数。

在第k条垂直线上垂直空气温差导致的不满意百分率PDk的计算见公式（9）：

当Δta,v,k≥8℃时，按照Δta,v,k=8℃计算。

则垂直空气温差导致的不满意百分率PD为所有垂直线上不满意率的平均值，见公式（10）：

2.4 实验方法和设定条件

在实验开始前，内、外环境室的初始温度条件见表2，待温度稳定后，开启数据采集软件，关闭门窗，按照表3的方式开启空调，同时外环境室的温度条件继续按照表2维持；内环境室投入的热负荷根据实验机组能力的不同按照表2进行控制。

表2 内外环境室初始温度、外环境室维持温度以及内环境室投入热负荷条件

表3 测试空调设置

2.5 制冷实验结果分析

图3是机组近端和远端的代表点在稳定阶段的平均风速，表4是制冷稳定时舒适性评价的重要参数。

表4 制冷稳定时舒适性评价重要参数

图4是制冷制热时展示的各个截面位置的结果云图的图示说明：①对角线面是指机组所在房间墙角和对面墙角所在的平面，②0.1 m面（足部）是指距地面0.1 m多数人脚踝所在平面，③1.2 m面（坐姿头部）是指距地面1.2 m人在坐姿状态下多数人的头部所在平面。图5是被测试机组在制冷模式下运行20 min、40 min、60 min、120 min、160 min、180 min时的温度场云图。

图4 结果云图截面位置示意图

从图3可以看出，测试上出风式A型出风口机组时，房间内机组近端和远端的风速都相对较大，因此其平均风速也相对高；而测试B型和C型出风口机组时房间机组近端的风速明显比远端要大。

图3 制冷时机组近端和远端在稳定阶段的平均风速

结合图3、图5和表4可知，上出风口式A型机组虽然代表点的测试相对风速较大，但冷风是从顶部落下，在测试的各时间段都很好的实现了舒适的沐浴式制冷，温度均匀性好，垂直温差小，而且在人体主要活动区域内无冷风正面直吹；稳定时平均温度是25.3℃，与设定温度相差0.7℃，在三者中比B型机组稍差，比C型机组稍好；温度波动（0.2℃）、温度均匀度（0.3℃）以及垂直温差导致不满意率（0.3%）在三个机组中均表现最佳。

上下出风口式的B型机组在机组运行稳定时平均温度与设定温度相等，控制较好（图5 b）180 min时机组因达到设定温度而处于停机状态），同时平均风速也最小，但机组近端风速大，且该机组下出风不可关闭，导致机组近端距离地面0.1 m面，即多数人的脚踝处，温度偏低，风感较强，因此机组近端不宜赤脚或平躺活动，同时机组远端风速偏小，因此无法形成强对流，空气温度偏高，温度均匀性差，垂直温差大；其对应的垂直温差导致的不满意率为0.6%，是A型机组的2倍，温度均匀度是0.5℃，是A型出风口的1.7倍；另外，其温度波动（0.4℃）也相对大，是A型出风口的2倍。

图5 制冷时不同时间点的指定平面的测试温度场云图

对于纵向出风口式的C型机组，同样是机组近端的风速明显比机组远端的风速大，且机组近端的风速是三个机组中最大的；由于其出风口的高度位置在人体主要活动区域的高度位置内，且稳定时平均温度低于设定温度1.2℃，因此在人体的主要活动区域一直都有较强的冷风正面吹出，且出风温度较低，特别容易下沉，导致足部和坐姿头部过冷，温度均匀性差，其温度均匀度（0.5℃）是A型出风口的1.7倍，同时可能由于控制不良的原因，温度波动（0.9℃）大，是A型出风口的4.5倍；但其垂直温差导致不满意率与A型机组相同，表现较好。

根据Toftum J[23]等通过受试者实际调查的方式得出的结论，对于来自人体下方的20℃和23℃的气流被认为是最不舒适的，其次是朝向人体后部和前部的气流，这从实际用户角度说明了B型机组和C型机组这种出风口形式在制冷时的不舒适性，因此A型机组在整体上表现最优。

2.6 制热实验结果分析

图6是制热时机组近端和远端代表点在稳定阶段的平均风速，表5是制热稳定时舒适性评价的重要参数，图7是被测试机组在制热模式下运行20 min、40 min、60 min、120 min、160min、180min时的温度场云图。

从图6和表5可以看出，A型出风口机组的平均风速（0.4 m/s）仍是最大的，B型出风口机组的平均风速（0.1 m/s）是最小的，与制冷不同的是，B型出风口机组的近端的风速小，机组远端的风速大。从图7的B型出风口机组的对角线面图可看出，下出风的暖气流从机组近端的风速测点下方穿过，然后又上浮，到达机组远端的风速测点，使得该点风速变大。

结合图6、图7和表5可以看出，A型机组这种传统式的柜式空调的出风口，其形状接近正方形的单一出风口可使出风集中，因此出风方向易于控制，暖风可直达足部，温度波动（0.3℃）小，温度均匀度（1.1℃）好，垂直温差导致不满意率（1.5%）小，稳定时平均温度与设定温度相差（0.6℃）小；除足部温度均匀度（1.4℃）表现较C型机组（1.2℃）稍差外，其他表现都最优秀，总体来说传统上出风口式的A型机组具有最好的热舒适性。

图7 制热时不同时间点的指定平面的测试温度场云图

表5 制热稳定时舒适性评价重要参数

图6 制热时机组近端和远端在稳定阶段的平均风速

B型出风口机组由于具有上下出风的结构，在机组近端，其下出风的暖风可直达足部，但单个出风口的风量相对A型和C型机组来说较小，因此单股气流所具有的动量较小，造成热气上浮，难以吹远，特别是下出风，吹到房间约中间位置就开始上浮，造成房间内机组远端过冷；在运行期间，足部温度均匀度的数值一直最高，表现最差（见图8），稳定时平均温度与设定温度相差1.4℃，足部温度均匀度（3.2℃）和垂直温差导致不满意率（7.8%）分别是最小值的2.7倍和5.2倍，三者中表现最差；因此在房间内走动时房间各个位置的体感温度差异较大，易造成不适，特别是在开机后的前1 h内尤为明显，房间3/4的区域都是处于冷的区域。

图8 运行前180 min内足部温度瞬时均匀度随时间变化

C型机组是纵向出风口，且出风口高度位置在人体主要活动区域的高度位置内，机组近端风速大且过热，出风直接吹到人体上，易造成不适；另外，由于其垂直狭长的出风口也导致了出风不能集中到下方，因此热气一直处于上浮的状态，0.1 m的足部面的温度一直较小，暖风不足，特别是开机后的前1 h内房间的几乎全部区域的足部温度都很低；其稳定时平稳温度比设定温度高1.3℃，温度均匀度（1.5℃）、垂直温差导致的不满意率（5.4%）分别是A型出风口的1.4倍和3.6倍，但另外一方面，由于足部没有热风反而使其足部温度均匀度（1.2℃）表现最好，但因足部温度低，垂直温差大，实际体感差；与制冷相同，温度波动（0.4℃）仍表现差。

3 结论

以标准T/CAB CSISA 0030-2020为依据，通过热舒适性实验室测试了上出风口式、上下出风口式、纵向出风口式三种市场上主流销售的家用柜式空调，分别在制冷、制热稳定时的温度波动、温度均匀度、垂直温差导致的不满意度、平均温度、代表点风速等，同时也比较了温度在下降或上升阶段时的房间温度场的差异等。通过以上分析，可得出以下结论：

（1）上出风口式柜式空调在制冷、制热时均具有相对最佳的热舒适性；除了风速相对大外，其余测试项目均表现出色，特别是在温度波动、温度均匀度、垂直温差等方面。

（2）上下出风口式柜式空调，在机组的近端，制热时其下出风的暖风可直达足部，但制冷时下出风又不可避免的吹出冷风导致足部过冷；由于出风被分成两股，单股气流所具有的动量较小，难以吹远，造成机组近端和远端差异大，特别是制热时，机组远端过冷，房间温度均匀度和足部温度均匀度差，垂直温差大。

（3）纵向出风口式柜式空调，出风口的位置高度在人体主要活动区域的位置高度内，且机组近端风速明显比远端风速大，易造成过冷或过热，温度均匀性差；同时制热下吹风时热风仍很难达到足部，因此虽然足部温度均匀度表现好，但因温度低，垂直温差大，实际体感差。