提升風管機制熱舒適性的實驗研究

李永鎮 蔡明明

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

風管機安裝方式多樣化，安裝后可“隱藏”在房間墻體內，美觀時尚。且機組配置多樣，可以“一拖一”“一拖多”，是戶式中央空調的一種主要系統[1]。但是由于風管機嵌入裝修墻內，加上出風口位置距離地面較高，制熱時熱風很難吹到地面，造成臥室房間舒適性差，因此臥室用風管機制熱舒適性問題亟需解決。

為了解決制熱舒適性問題，有學者從出風參數、風口尺寸以及風口導風葉片數量等方面進行了研究，得出當出風風速保持在4 m/s以上，可以達到較好的制熱舒適性[2]。為了保證出風口風速，適應不同的風管機安裝要求和回風口過濾網灰塵等影響，可以采用恒風量控制方式[3]。

然而，風管機的制熱舒適性是由多因素決定的，不僅受出風風速的影響，還應考慮出風口位置、導風板角度和電輔熱等常規設計因素。本文通過在模擬實驗室，對影響風管機制熱舒適性的多個因素進行模擬實驗及分析，得出了影響風管機制熱舒適性的關鍵因子，并根據關鍵因素提出了合理的優化設計方案。

1 模擬實驗室建立

1.1 房間要求

本研究依據GB/T 33658-2017《室內人體熱舒適環境要求與評價方法》建設模擬環境實驗室，在水平的寬度方向，以內室寬度的軸心線為中心每隔0.5 m距離布置一個測溫點，寬度方向布置9排測溫點；在水平的長度方向，用與水平的寬度方向同樣的方式布置測溫點。墻面附近的非測試區域內不布置測溫點。在垂直方向，從地面至天花板按照一定間隔的距離布置測溫點，本文選取距離地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m溫度點進行測試，分別代表腳踝、坐姿和站姿高度。

實驗應在圖1所示的模擬環境實驗室進行；其由外套和內套兩部分組成，內套為普通用戶住房，磚墻結構，外套為保溫庫板，溫度可調；空調器模擬實驗室長度為4.82 m、寬度為3.28 m、高度為2.8 m，地面使用面積為15.8 m2。

圖1 模擬實驗室溫度點布置示意圖

1.2 活動區域與溫度點布置

在矩形活動區域里，用T型熱電偶在活動區域水平面上均勻布置A、B、C、D、E、F、G、H、I等N個（N≥9）溫度點，在環境實驗室每點對應的垂直線上均勻布置3個溫度點（離地面0.1 m、1.2 m、1.7 m），依次為A（1-3）、B（1-3）、C（1-3）、D（1-3）、E（1-3）、F（1-3）、G（1-3）、H（1-3）、I（1-3）。如圖1所示，圖1僅示意熱電偶水平和垂直方向布置結構。

1.3 室內安裝位置要求

風管機空調器室內機裝吊于距離地面2.3 m位置上（空調器下沿距離地面高度）。室內外連接管長為5 m[4]。

1.4 制熱舒適性實驗工況要求

室外工況：干球溫度-5℃、相對濕度60%；

初始室內工況：干球溫度0℃、相對濕度50%。

工況允許溫度偏差不得超過GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》允許的偏差（干球溫度±0.3℃，濕球溫度±0.2℃，相對濕度±5%）。

2 風管機制熱舒適性模擬實驗

風管機主要由進風口、換熱器、風輪風道和出風口組成，為了提升空調器美觀和制冷/制熱舒適性，風管機還增加有出風面板、電輔熱和回風面板等輔助部件。本文選取了對制熱舒適性有較大影響的因素進行分析，包括出風口位置、電輔熱、風機轉速（控制風量大?。┖婉詈铣鲲L角度及風量。

2.1 原方案與方案一：不同出風口位置模擬實驗

風管機的出風口安裝方式是靈活的，通過外加風管，可以把出風口設置在底部，也可以設置在側面。由于市面上側面出風方案較多，本文將側面出風方案定義為原方案，底部出風方案定義為方案一。設置在側面時，出風口的出風風向是平行于地面出風；設置在底部時，風管機向下出風，即吹向地面。本文選用一款熱泵型變頻風管機，其名義制冷量為3500 W，額定制熱量為4200 W。在房間初始溫度相同的情況下，用該風管機對側面出風和底部出風時的房間溫度分布進行了測試，實驗結果分別如表1和表2所示。表中“距地面0.1 m平均溫度”表示房間內距離地面0.1 m高度水平面上所有溫度點的平均值，故此房間共有3個水平面：0.1 m、1.2 m和1.7 m，“房間總體平均溫度”則指房間內所有溫度點的平均值。

表1 側面出風溫度表

表2 底部出風溫度表

通過表1與表2的數據可以看出，在溫度的絕對值上，除了在距地面1.7 m處的位置，其余高度位置處的溫度均是底面出風優于側面出風；在溫度分層的均勻性上，底部出風要明顯優于側面出風。造成以上現象的原因是，熱空氣質量較輕，自然狀態下會上升，若不強加干預出風方向，熱量熱空氣將集中在較高位置，這會導致地面上人員活動區域溫度較低[5]，房間活動人員的熱舒適性差。

2.2 方案二：側出風開電輔熱模擬實驗

為了探究電輔熱方式對側出風方式下房間溫度分布的改善，本研究在側面出風空調器上增加功率為1000 W的電輔熱，測試數據如表3所示。

表3 側面出風-開電輔熱溫度表

通過與表1所示的側面出風數據對比，增加1000 W的電輔熱后，頂部溫度上升明顯，但對底部溫度的改善甚微，整體房間平均溫度在60 min時僅增加0.9℃。由此可見，增加電輔熱對改善制熱舒適性非常有限，且增加電輔熱大大降低了空調整體的制熱能效，不宜采取。

2.3 方案三：側出風增大風量模擬實驗

為了探究風管機出風量對側出風方式下房間溫度分布的改善，本研究通過增加出風量來改善制熱的送風距離，目的是增加房間空氣的擾動，增強熱量交換。具體實驗方式是開啟空調器的超強風功能，使得風量增加大約15%，測試得出數據如表4所示。

表4 側面出風-增大風量溫度表

通過與表1所示的側面出風數據對比，增大15%的風量后，頂部溫度和底部溫度有微弱提升，整體房間平均溫度在60 min時增加0.7℃。該結果說明，雖然增大風量可以增強整體房間空氣的熱量交換，但對改善頂層溫度和底層溫度的溫差并不理想。

2.4 方案四：耦合出風角度及風量模擬實驗

為了探究不同出風角度對側出風方式在房間溫度分布的改善，本研究對側出風方式進行了耦合出風角度及風量測試。

經過多組角度和風量組合測試，最終發現在出風角度≤30°（導風板與垂直面的夾角，導風板向下導風）、出風風速≥4.2 m/s時可以獲得最好的效果。在該方式下，在開機10～60 min內，距地面0.1 m與1.7 m的平均溫度相差始終保持在2℃內，房間溫度分布均勻性高，地面溫度提高了1～2℃，可以獲得較好的制熱舒適性，測試數據如表5所示。

表5 側面出風-耦合出風角度及風量溫度表

3 測試數據比較分析

為了橫向比較上述各種方案的效果，繪制各方案的溫度曲線圖如圖2所示，可以直觀地看出每個方案距離地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m的溫度層隨時間的變化情況：1.7 m層溫度越高的方案，0.1 m層反而較差，熱量分布分化嚴重，這是因為空調器的熱風在房間空氣流體內，熱量自然向上漂浮，隨著熱風吹出的距離越遠，風速越小，直至降為0 m/s，底部空氣如果沒有熱風直接吹到，只有較小的空氣自然對流換熱，溫度上升緩慢。通過方案三可以看出，增大風量增大了房間內空氣對流和換熱，同時也增加了熱風送風距離，對整體房間溫度的提升與增加1000 W電輔熱方案時幾乎相當，對底部層溫度的提升也有一定的效果，但不顯著。

圖2 各方案溫度曲線圖

方案一和方案四空調出風口風向距離地面相對其他方案較近，方案四通過調整送風角度和送風方向使得熱風更易送達地面，這使得熱風在從空調出風口達到地面這段距離的熱量損失相較于方案一較少。當熱風達到地面，風速減弱，熱空氣自然上升，使得房間1.7 m和0.1 m的溫度分層最小，熱舒適性較好。由此分析可得，送風方向和送風速度是提升底部溫度的關鍵參數。

4 結論

本研究在模擬實驗室中，通過改變風管機出風口方向、增加電輔熱、增大風量和耦合出風角度與風量，闡明了影響風管機制熱舒適性的關鍵影響因素，得到了風管機制熱舒適性提升的最佳改進方案。相關重要結論總結如下：

（1）底部出風方式，出風口距離地面最近，可以將熱風送到地面，提升底部溫度，可以獲得較好的制熱舒適性；

（2）增大風量不能減小房間溫度分層溫差，可等量提升底部和頂部溫度；

（3）增加電輔熱對整體房間溫度提升不明顯，且會大幅降低空調機組能效；

（4）耦合出風角度與風量方案是風管機制熱舒適性改善的重要方案，該方案可以根據控制送風角度來控制出風口與地面距離，出風角度控制在30°內。而風量根據該距離調整出風風速，出風風速控制在4.2 m/s以上，確保熱風能夠送達地面。該方案可應用于出風口設置在側面的機型，而且可在一定范圍內調整送風范圍，進一步滿足用戶多樣性使用。

通過本文的實測數值，對風管機制熱舒適性的提升方式有了重要的模擬數據支撐和理論分析，減少風管機制熱設計問題，為用戶提供更舒適的風管機產品。