壁挂式空调出风口位置对人体热舒适性影响研究

刘汉 陈志伟 李建建 翟振坤

国家节能环保制冷设备工程技术研究中心 广东珠海 519070

0 引言

舒适的室内环境有利于人体生理及心理上的健康[1]，而空调可对室内温度及风速进行调节，因此针对空调舒适性性能的研究越来越受到人们的关注。

LEE Kang-Guk[2]研究对比了韩式地板辐射换热系统与对流换热系统热舒适性效果，结果表明，对流换热具有更小的房间内垂直温差。

ZHAO Hui-zhong等人[3]研究了大空间内喷嘴角度对温度分层现象的影响，其成果表明处于天井处的喷嘴角度越小时，室内温度分层现象越严重。

DING Yan[4]研究了天花板辐射制冷与新风系统的组合对室内舒适性的影响，其结果表明室内出风口的分布对房间内温度与湿度有直接的影响，混合系统具有最佳组合形式。

HUANG Chen[5]对大空间侧壁制冷系统的热舒适性进行了研究，其成果显示，出风口位置较低时，必须有较高风速才能实现室内温度均衡，否则房间内温度分层严重，人体舒适性较差。

在对人体热舒适性评价研究中，Pang Liping[6]建立了修正后的PMV模型和自适应模型，以评估飞机内热舒适性，满足飞机乘客的更高要求。

XIE Hui[7]利用问卷调查的形式评估体育馆的热舒适性，从而确定空调设计参数是否合理。

综合以上研究，出风口的分布直接影响着空调气流的输出，当空调气流导向天花板或地板时，室内热量主要通过自然对流进行传递，房间整体的温度分层现象将更均匀，人体舒适性更好。因此，出风口位置的合理化设计是提升空调舒适性性能的关键技术。

在较小面积的房间，通常在顶部安装壁挂式的空调，以避免影响人体活动空间及阻碍视野。由于人体活动区域为房间下方，因此常规壁挂式空调通常只有下出风口，其直接对人体活动区域进行送风，从而达到快速温降的效果。下出风口空调虽然在温控方面表现优异，但人体热舒适性不仅包含温度，还包含气流流速，而下出风口空调的过冷气流易直吹人体，产生令人体不适的吹风感。因此十分有必要对壁挂式空调出风口位置设计进行研究，以优化其室内制冷舒适性。

本文壁挂机采用上出风口设计，并根据仿真及实验分析，研究了上风口高度与气流吹出角度对室内温度场及风速场的影响，并探索出合理的上风口设计原则。

1 上出风口空调模型

1.1 物理模型

以用户房间长为5.2 m，宽为3.5 m，高度为2.8 m为例，如图1所示。壁挂式空调通常安装在房间高度2.3 m处。上出风口壁挂机与下出风口壁挂机物理模型如图2、图3所示。

图1 房间物理模型

图2 上出风口壁挂机物理模型

图3 下出风口壁挂机物理模型

1.2 数值仿真

如果低温射流的主干流风速位于人体活动区域，则易产生较强的吹风感；如果低温射流主干流位于人体区域上方，由于冷空气密度较大，冷量自然下沉，从而可实现淋浴式制冷送风，获得良好的制冷舒适性和吹风感效果。因此在人体头部上方区域（房间距离地面1.7 m高度至天花板区域）的主干流风速较大时，可获得良好的热舒适性和吹风感效果。

基于CFD软件进行仿真计算，可监测该区域风速值，如图4所示。分别采用不同工况进行仿真，其风速仿真均值与实验均值误差可控制在5%以内，如表1所示，表明仿真模型准确性较高，可实现对出风口结构对房间气流组织影响的数值分析。

图4 室内风速分布云图

表1 仿真误差值

本文以壁挂机上出风口高度H、导风角度A为研究变量，如图5所示，通过上述仿真模型分析研究变量对人体头部上方区域风速均值分布的影响。

图5 研究变量示意图

基于空调超强风档，即风机转速为1250 r/min，对不同变量A、H值进行仿真计算，针对3500 W制冷量壁挂式空调，室内环境工况为35℃，设定风档为超强档（即风量为650 m3/h），出风温度为27℃。对不同变量A、H值进行仿真计算，并监测人体头部上方区域风速平均值，计算结果如图6所示。

图6 风速平均值计算结果

采用上述仿真所得的样本数据，搭建基于RBF神经网络的气流组织设计平台，并使用该平台进行数值求解计算，其中A取值0°～70°（插值间隔5°），H取值0～200 mm（插值间隔5 mm），并将计算结果进行响应面拟合，其结果如图7所示。可看出当A值取值11°，H值取值180 mm时，人体头部上方区域的风速均值最大，为0.78 m/s。

图7 最大风速值寻优

采用上述变量参数值进行仿真计算，监测区域风速均值为0.79 m/s，拟合误差为1.3%，可信度较高。房间风速分布如图8所示，可看出人体头部上方区域风速值明显大于其他区域，即空调主干气流主要位于该区域。分析原因可知，合理的出风口高度位置可将空调吹出的低温射流靠近天花板，利用附壁流效应，抵消因密度差而产生的低温射流下沉现象，从而提升人体头部上方区域风速，减小人体活动区域风速，降低吹风感。

图8 风速分布云图

2 实验验证

选取下出风口的常规壁挂机与上出风的壁挂机进行对比测试，试验室为砖墙结构，试验室示意图及温度布点如图9所示，测试工况见表2。

图9 试验室测试示意图

表2 实验工况

2.1 送风范围

送风范围可以反映出风气流水平方向上和竖直方向上能够到达的位置，以评估空调出风口的送风能力。为对比具有上出风口的壁挂机和仅有下出风口常规壁挂机的送风范围，图10、图11显示了不同机型在距离空调不同水平距离时，风速大于0.3 m/s的高度范围。

图10为内风机采用超强档的测试结果，具有上出风口的壁挂机出风上沿在距离空调安装位置1 m处高度达到2.8 m，送风气流已经紧贴天花板；在水平距离4 m处出风上沿高度为2.65 m，相比于常规壁挂机出风上沿高0.35 m，出风下沿高度在距离空调安装位置4 m处为1.35 m，相比于常规壁挂机出风下沿高0.55 m。因此不管是出风上沿还是出风下沿，具有上出风口的壁挂机送风高度要高于常规壁挂机。

图10 超强档下送风范围对比

图11为内风机采用高风档的测试结果，与超强档测试结果一致，因此不同风量下，具有上出风口的壁挂机送风高度均高于常规下出风壁挂机。

图11 高风档下送风范围对比

2.2 室内空气温度分布

温度分布云图可直观反映房间内空气温度场的分布情况，实验中空调的中心位置位于（0，1.75，2.4）。采用表2所示工况，风档为超强档时，具有上出风口壁挂机与常规下出风壁挂机温度云图对比如表3所示。

表3 温度分布云图

具有上出风口的壁挂机20 min后房间上部温度28℃，下部温度为27.5℃左右，相比于下出风壁挂机，房间温度高1℃左右。这主要与送风范围有关，下出风壁挂机送风范围可直接覆盖房间主要区域，因此相比具有上出风口的壁挂机温降速度更快。

35 min后，具有上出风口的壁挂机房间内温度均值为27.5℃，无明显温度分层现象。常规壁挂机房间内温度均值为26.6℃，且上下分层较为明显，上下层有0.5℃的温差，因此具有上出风口的壁挂机房间温度均匀性更好。

综上所述，具有上出风口的壁挂机温降速率虽然稍慢于常规下出风口壁挂机，但可以使房间温度整体分布更均匀，消除人体的冷热感差异，热舒适性更好[8]。

2.3 人体主观评价

为了研究具有上出风口的壁挂机对人体的制冷舒适性影响，实验招募受试者100名，基本信息如表4所示，受试者统一穿着短袖衬衫和长裤。

表4 受试者基本信息

受试者填写主观感受调查问卷，调查内容包含热舒适、吹风感。热舒适主观评价分为7个评价等级，分别为热、温暖、较温暖、适中、较凉、凉、冷。吹风感主观评价分为4个等级，分别为舒适、稍不舒适、不舒适、很不舒适。

图12 热舒适和吹风感投票标尺

实验持续1 h，实验中受试者不进行剧烈活动，实验结束后受试者进行热舒适和吹风感投票，投票均值如表5所示，投票占比如图13、图14所示。

图13 热舒适投票占比

图14 吹风感投票占比

表5 热舒适和吹风感投票均值

从热舒适投票均值上来看，常规下出风口壁挂机热舒适均值低于具有上出风口的壁挂机，整体偏凉，这与实验中房间温度分布结果一致；从投票占比来看，两种机型热舒适投票均主要位于[-1,1]区间，人体的热舒适性感觉差异不大。

从吹风感的投票均值来看，具有上出风口的壁挂机无明显风感，而常规下出风壁挂机吹风感强烈，引起体验者体感不适；而具有上风口的壁挂机吹风感投票主要位于（-1,0]区间，常规下出风口壁挂机主要位于（-2，-1]区间，两者对比明显，与送风范围实验结果一致，可知具有上出风口的壁挂机具有明显优势。

综上所述，具有上出风口的壁挂机热舒适与下出风口壁挂机相当，吹风感明显优于下出风口壁挂机，人体主观评价的接受度更高。

3 结论

（1）本文建立的壁挂机房间气流组织仿真模型与实验的误差在5%以内，吻合较好。

（2）在对具有上出风口的壁挂机进行研究发现，上风口高度为180 mm，气流吹出角度为11°时，天花板至人体头部之间区域的风速更高，能够防止低温射流直吹人体。

（3）实验结果表明，具有上出风口的壁挂机相比下出风壁挂机，其送风范围更高，温降速率略低，但温度均匀性更好。

（4）调查问卷结果显示，具有上出风口的壁挂机与下出风口壁挂机，制冷时人体热舒适主观投票结果相当，但吹风感投票明显优于后者。