柜式空調出風方式對人體舒適性影響的研究

吳歡龍 姚紫薇 張旭陽

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們對家用電器的高品質與使用的舒適性需求日益增長，空調作為溫度調節器為人們在抵擋炎熱或寒冷空氣的侵襲上發揮了巨大的作用，然而傳統空調的出風方式已無法滿足人們的舒適性體驗需求。合理的出風方式對人體舒適度的研究對用戶與企業意義重大。

人體系統自身是具備溫度自適應調節功能的[1]，但調節范圍有限，長時間直吹身體易失去溫度平衡，老人、嬰幼兒、病人群體最怕風口直吹。冷氣流的直吹對人體影響最為明顯，為了避免冷風直吹，用戶會采取各種辦法將出風口避開人體，所以冷風對人體的舒適度除了均勻控溫外，主要考慮冷風不直接吹人。人體四肢溫度通常低于軀干溫度，尤其在天氣寒冷時，血管收縮導致血液回流能力減弱，手腳的神經末梢更容易循環不暢。國際標準化組織在ISO 7730標準中以相關指標描述和評價熱環境[2]，熱氣流作用于人體時，人體頭腳溫差越大，人的不滿意度越高。同時“熱風從腳起”已成為主流聲音，因此熱風對人體的舒適性問題關鍵在于縮小熱溫差的同時重點關注頭腳溫差問題。

針對空調不同送風方式對人體舒適度的影響，談美蘭等[3]研究發現，在高溫環境中，空氣流動可以一定程度改善人體的熱舒適性，但風速過高也會導致人體不舒適。楊宇等[4]在低溫環境下采用小腿送風的方式局部供暖，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的風速對臉部和腳部送熱風，發現熱風送向臉部對人體熱舒適改善更顯著。目前大多數研究學者會通過實驗測試或數值模擬來分析單一的送風方式對人體的舒適性，較少將柜機冷、熱送風對中國人實際身高下人體舒適性的影響進行研究?；诖?，本文采用CFD軟件進行制冷溫度場的模擬計算，同時將上下出風式柜機與傳統上出風式柜機進行熱舒適性實驗對比分析。

柜式空調經過幾十年的發展，其送風方案主要分為如下三類：

（1）傳統方形柜式空調：冷、熱風上部出風，導風葉片送風。傳統方形柜式空調下部進風，上部出風[6]，如圖1所示。導風板方向可調節，以避免冷風直吹。但上部出熱風時，熱氣難以下沉，導致空間內熱度不均勻，易出現上熱下冷的情況，用戶的熱舒適性體驗不佳。

圖1 傳統方形柜式空調送風方式

（2）新型圓柱式柜機1：冷、熱風縱向出風，導風葉片送風。其出風口為縱向集中出風式，多具備冷或熱出風模式。在人體活動的空間高度內，送風面積相對更均勻，但無法有效避免冷風直吹的問題。同時無法保持熱風向下的聚集狀態，用戶的冷、熱舒適性均不理想。

（3）新型圓柱式柜機2：冷、熱風縱向出風，導風葉片上中下三段式送風，部分導風葉片帶有微孔。開啟“無風感”模式時，導風板會閉合遮擋出風口，出風氣流則會通過導風板上的微孔流出，將集中的氣流改變為氣絲，從而實現無風感的效果[7]。用戶可以選擇其中一段集中送風，其他段以微孔方式出風達到不同高度送風效果，但會降低效率。

1 研究方法

針對市面上各類柜機出風方式對人體舒適性問題的考慮，下面將從冷風不直吹人，熱風從腳起及固定空間內溫度均衡性角度出發，對一款市面上已經量產且具備冷、熱上下出風式的柜機，進行不同人群身高下CFD制冷溫度場分析，以及將此款柜機與傳統柜機進行熱舒適性實驗。

1.1 中國人均身高與柜式空調高度人機關系

上下冷熱出風式柜機，主要是機體頂端及底部同時送風的新型結構形式，區別于多段式導風板送風結構形式，該柜機不需要改變單位時間內空調原有制冷量或制熱量。本文重點研究中國國內柜機對國人舒適度的影響。

上下冷熱出風式實驗柜機高度為1858 mm，如表1、表2、表3所示為中國人均身高[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，因此在實驗中取1764 mm為人體舒適性實驗高度值，以判斷上下冷暖出風對人體舒適性的影響情況。

1.2 CFD仿真實驗條件

運用CFD仿真模型進行固定空間冷風實驗模擬和熱風實驗模擬，其仿真計算域按1:1等比建造實驗室環境模型，三維模型面積為39.53 m2，長×寬×高為6.46 m×6.12 m×3 m，仿真空間和柜機擺放位置如圖2所示。柜機出風方向設定為對角線固定方向（因為柜機空調出風口導風板為可左右擺動，所以其他位置通過調節擋風板都可直線吹到，故本文重點研究出風口直線距離上的舒適度），截取核心直線出風面積為21 m2，長×高為7 m×3 m。

圖2 CFD仿真空間模型示意圖（俯視圖）

1.3 仿真實驗樣機與工況

模擬某款柜式空調器的實際使用場景，此柜機為3匹變頻一級能效柜機。如圖3所示，柜機上出風口下沿距地高度為1.75 m，下出風口下沿距地高度為0.05 m，上出風口出風時斜向上出風，下出風口出風時水平出風?；仫L口設置在空調的背側，回風口下沿距地高度為0.56 m，回風口長為0.95 m、寬為0.41 m?？照{制冷運行時僅上出風口出冷風，制熱運行時設定兩種狀態：狀態一為上出風口和下出風口同時出熱風，狀態二為僅上出風口出熱風。

圖3 仿真空間高度標記與柜機出風示意圖

在制冷舒適性實驗中，額定電壓220 V，空間內初始溫度設置為32℃，空調風量1100 m3/h，冷風出風溫度為16℃，導風板調到默認出風位置。模擬空調制冷運行狀態，分別取第5分鐘、第20分鐘、第30分鐘、第60分鐘仿真結果，并通過風速軌跡判斷其是否直吹人體從而影響人體舒適度。

在制熱舒適性實驗中，額定電壓220 V，空間內初始溫度設置為2℃，室外溫度-5℃。熱風出風溫度為48℃，導風板調到默認出風位置，輔助電加熱處于默認狀態，取第60分鐘測試結果作為判斷數據。為對比上下兩種出風方式的優劣性，按照兩種制熱出風狀態進行實驗。

1.4 CFD計算模型

本文使用FLOEFD軟件進行流體仿真，采用airpak流體分析軟件建立模型，按在軟件中使用統計方法求解，采用非穩態控制方程來模擬空氣流動，如下：

質量連續方程：

動量守恒方程：

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；μ-運動粘度，單位為Pa?s。

空間差分格式采用MARS二階進度計算，密度項可采用CD方法，求解器采用AMG算法；使用非穩態模型，雷諾時均方程-RANS方程。

連續方程：

動量方程：

式中：ui表示略去平均符號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，單位為Pa；u'i為脈沖速度，單位為M/s；σij為應力張量分量，單位為Pa。

使用Simcenter FLOEFD基于FavreAveraged Navier-Stokes模型。在邊界條件上，柜機做上下兩出風口，兩出風口根據實驗要求在計算中給定送風速度、送風溫度及一定的紊流度。模擬室內空間的六個內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偏微分方程進行離散求解。收斂標準的確定：能量方程的殘差小于10-6，其余方程的殘差小于10-3。

采用軟件自動網格劃分，仿真計算模型網格總數共878355個，劃分類型為正六面體，模型和網格劃分如圖4所示。

圖4 CFD仿真模型和網格劃分示意圖

2 結果與分析

2.1 制冷舒適性分析

運用CFD仿真模型進行固定空間冷風模擬。作制冷仿真空間溫度云圖，其中綠色為舒適區22℃～26℃（夏天室內舒適溫度區間）。如圖5至圖8所示為模擬實驗室環境中，截取第5分鐘、第20分鐘、第30分鐘、第60分鐘的仿真對角線視圖。觀察冷氣流流動方式和方向，冷氣受重量和流體推動方向移動，在5分鐘時，冷氣已快速充滿空間。因為冷氣下降和空調工況運作，當在20分鐘時，空間溫度已開始接近舒適溫度。在30分鐘時，空間溫度達到舒適溫度，在之后空間溫度維持舒適溫度不變。

圖5 CFD制冷溫度場（5分鐘實驗值）

圖8 CFD制冷溫度場（60分鐘實驗值）

垂直溫差影響溫度舒適性，當柜機達到穩定的運行狀態時（30分鐘），空間上部的冷空氣受重力影響向下運動至下部區域。如圖7所示，此時空間溫度基本維持在24℃～25℃，用戶無論是坐姿（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。根據ISO 7730-2005[9]標準提出的垂直溫差上限值應不大于3℃，滿足標準規定。

圖6 CFD制冷溫度場（20分鐘實驗值）

圖7 CFD制冷溫度場（30分鐘實驗值）

圖9是通過測量風速進行描點的軌跡曲線圖，上下沿曲線對應點則是風的軌跡與覆蓋范圍，將實驗身高值按站立高度進行評估?？梢钥吹嚼滹L直吹軌跡均高于實驗身高值1.764 m，故該實驗機不會出現對人體冷風直吹的舒適性問題（圖9淺藍色區域為實驗最高身高活動范圍）。在冷風制冷條件下，斜向上的出風方式既不會直吹到人，又可以在較短時間內（20分鐘）讓空間溫度快速到達舒適溫度。

圖9 冷風風速描點軌跡曲線圖

為研究室內各個位置的舒適度，對制冷溫度均勻度進行研究。圖10是在制冷時間到達30分鐘時，模擬用戶坐姿、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]規定，室內溫度均勻度應不大于2℃。故在制冷環境下，上出風口出冷風符合標準。

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

進行固定空間制熱模擬，并對仿真結果進行分析。為比較上下出風與單上出風的舒適度，進行兩種狀態仿真：狀態一為上出風口和下出風口同時出熱風，狀態二為僅上出風口出熱風。作制熱仿真空間溫度云圖，其中黃色為暖區23℃～25℃（冬天室內舒適溫度區間）。

在垂直溫差上，如圖11和圖12所示，因為暖空氣輕于冷空氣會上升，當模擬運行到60分鐘時，空間溫度達到穩定狀態。通過制熱模式下，上下出風式柜機與上出風式柜機的截斷房間云圖可觀察到，上下出風的房間云圖熱力均勻度更高，而上出風式房間云圖熱力呈現上熱下冷的狀態。通過測量其溫度值，圖11所示的制熱模式下，上下出風截斷圖中，可看到上下出風式垂直溫差在0.3℃左右，溫差較??；而圖12所示的上出風式垂直溫差在9.4℃左右，溫差較大。上下出風形式的垂直溫差小于標準規定的3℃；而單上出風形式的垂直溫差大于標準值。因此在制熱模式下，上下出風式柜機的熱舒適性更高。

在溫度均勻度上，圖13為在上下出熱風，制熱時間到達60分鐘時，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℃，符合上文中的標準。圖14為在僅上出熱風且制熱時間到達60分鐘時，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，上下出風式較上出風式柜機的空間內溫度更均勻，且空間下部溫度更高，更符合人體對“暖風從腳起”及熱度均衡的熱舒適性需求。

圖13 制熱狀態一下不同高度水平面溫度云圖

圖14 制熱狀態二下不同高度水平面溫度云圖

3 結論

本文針對行業內各類柜機冷熱出風舒適性差的問題，通過新型上下冷熱出風柜機仿真及實驗對比，可以得出如下結論：

（1）制冷模式時，上下出風式柜機上出風口出冷風，柜機冷氣流直吹軌跡范圍高于90%以上中國人平均身高值，不會出現冷風直吹的情況，且由于冷空氣密度大，冷空氣會下沉，使得室內溫度相對更均衡，符合人體制冷舒適性需求。

（2）制熱模式時，相較傳統上出風式柜機，上下出風式柜機上出風口和下出風口同時出熱風，柜機可以實現熱風吹腳，并避免熱氣流直吹人臉造成的不舒適問題。同時由于熱空氣密度小，熱空氣上浮，使得室內溫度同樣更均衡，上下出風式柜機房間溫差可以控制在2℃以內，相較傳統柜機溫差9.4℃，均衡性顯著提升，符合人體制熱舒適性需求。

（3）新型上下出風式柜機可以較好地解決行業里傳統柜機制冷、制熱對人體造成的不舒適性問題，在結構上可以實現冷風不直吹人，“暖風從腳起”的效果，同時符合冷風下沉、熱風上浮的物理屬性，空間溫度更均衡，人體的舒適性更高，對市場及用戶具有較好的推廣價值。