家用熱泵空調(diào)送風(fēng)方式對熱舒適性的影響

董明珠，譚建明，肖彪，李斌，趙樹男?

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

人全天有超過80%的時間都是在室內(nèi)度過［1］，舒適的室內(nèi)熱環(huán)境不僅讓人感到精神愉快，而且有利于提高工作效率［2］.目前，空調(diào)系統(tǒng)是調(diào)控室內(nèi)熱環(huán)境的主要手段.然而傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)方式單一［3］，室內(nèi)氣流組織分布不合理、溫度分布不均勻，難以滿足人們對舒適性的要求［4］.一直以來，學(xué)者們不斷探索和研究新型的空調(diào)送風(fēng)方式，努力提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性.

圍繞空調(diào)送風(fēng)方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究.Webster 等［5］研究發(fā)現(xiàn)，下送風(fēng)空調(diào)送風(fēng)量越大時，室內(nèi)工作區(qū)域的熱分層高度越小.林金煌等［6］研究得到分布式送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可改善房間氣流組織分布，同時具有節(jié)能效果.李楠等［7］分析了冷卻頂板與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適性，得到該系統(tǒng)具有較小的垂直溫差，能有效降低吹風(fēng)感.張國強等［8］則以輻射制冷-獨立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，得到該系統(tǒng)平均空氣流速較低，各工況下冷風(fēng)不滿意率均在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)的研究結(jié)果.龔光彩、劉佳［9］將空調(diào)運行與開門窗習(xí)慣結(jié)合控制管理，在同等熱舒適度下降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗.李念平等［10］將桌面風(fēng)扇與輻射空調(diào)相結(jié)合，設(shè)計了一款新型工位空調(diào)系統(tǒng)，有效拓展了夏季室內(nèi)舒適溫度的范圍.此外，也有學(xué)者研究了送風(fēng)方式對人體熱舒適性的影響.Chludzin′ska等［11］在背景溫度為18 ℃的條件下以0.35 m/s 風(fēng)速對臉部和腳踝送熱風(fēng)，發(fā)現(xiàn)送熱風(fēng)至臉部對人體熱舒適改善更有效.在16 ℃背景溫度下，李彩杰［12］以相同的風(fēng)速對人體臉部和腳部送熱風(fēng)，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)溫度在22 ℃以上可避免吹風(fēng)不適感.楊宇等［13］在低溫環(huán)境采用小腿送風(fēng)的方式局部供暖，改善了人體熱舒適性.在偏熱的環(huán)境中，談美蘭等［14］研究發(fā)現(xiàn)空氣流動可在一定程度改善人體的熱舒適性，但風(fēng)速過大也會導(dǎo)致人體不舒適.阮立揚［15］研究了偏熱環(huán)境中風(fēng)扇吹風(fēng)對人體熱舒適性的影響，發(fā)現(xiàn)增加風(fēng)速可顯著改善中等濕度環(huán)境下的熱感覺，但當(dāng)風(fēng)速超過1.3 m/s后，則會產(chǎn)生明顯的不適感.

現(xiàn)有研究大多通過實驗測試或者數(shù)值模擬，分析單一送風(fēng)方式下的室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適性，較少對比不同送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境以及人體熱感覺、熱舒適的差異.基于此，本文采用環(huán)境參數(shù)測試和問卷調(diào)查相結(jié)合的方法，對家用熱泵空調(diào)中送風(fēng)、下送風(fēng)和分布式送風(fēng)3 種不同的送風(fēng)方式進行研究，分析送風(fēng)方式對室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適性的影響.

1 研究方法

1.1 實驗條件

實驗在人工環(huán)境實驗室內(nèi)進行，實驗室分為外室與內(nèi)室：外室配有工況機調(diào)節(jié)空氣溫濕度，模擬外界環(huán)境；內(nèi)室依據(jù)南京地區(qū)居民樓設(shè)計，模擬實際用戶住所，房間尺寸為6.4 m×6.2 m×3.0 m.內(nèi)室的長、寬和高方向上均勻布置6×5×5 組熱電偶，用來測量室內(nèi)溫度.共邀請15 名受試者全程參與實驗，每臺樣機測試時將受試者分3組、每組5人分別進入實驗室體驗并按照前、后、左、右和中間的方位分布在房間內(nèi).樣機、室內(nèi)溫度測點及受試者位置如圖1 所示.實驗主要測量的參數(shù)為：室內(nèi)溫度、室內(nèi)風(fēng)速以及出風(fēng)溫度，所使用的儀器及其測量范圍見表1.

表1 實驗用儀器及精度Tab.1 Experimental instruments and accuracy

圖1 樣機、室內(nèi)溫度測點及受試者位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of prototype，indoor temperature measuring point and subjects location

1.2 實驗樣機與工況

選取中送風(fēng)、下送風(fēng)和分布式送風(fēng)的家用熱泵空調(diào)進行測試，三者均3 匹機，變頻一級能效.中送風(fēng)空調(diào)出風(fēng)口為長條形，出風(fēng)口下沿距離地面0.50 m，制熱時水平送風(fēng)；下送風(fēng)空調(diào)出風(fēng)口為方形，出風(fēng)口下沿距離地面0.05 m，制熱時水平送風(fēng)；分布式送風(fēng)空調(diào)具備上下兩個風(fēng)口，上風(fēng)口下沿距離地面1.70 m，下風(fēng)口下沿距離地面0.05 m，制熱時上風(fēng)口斜向下送風(fēng)，下風(fēng)口水平送風(fēng)，三臺樣機的風(fēng)口位置如圖2所示.

圖2 樣機風(fēng)口位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of tuyere position of prototype

基于用戶使用習(xí)慣設(shè)定空調(diào)目標(biāo)溫度.前30 min，空調(diào)目標(biāo)溫度設(shè)定30 ℃；后30 min，將其設(shè)定為27 ℃，分別考量升溫過程和室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后送風(fēng)方式對室內(nèi)熱環(huán)境以及熱舒適性的影響.實驗工況如表2 所示，三臺樣機均在相同的工況下測試.為保證三者制熱量相同，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速使三者風(fēng)量相同，同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)保證出風(fēng)溫度偏差在±2 ℃.實驗過程中室外溫濕度保持不變，保證每次實驗時房間的供暖負(fù)荷不變.

表2 實驗工況Tab.2 Test conditions

1.3 實驗流程與調(diào)查問卷

實驗開始前，受試者先在環(huán)境溫度為26 ℃的空調(diào)房停留5 min，以便身體狀態(tài)恢復(fù)至穩(wěn)定，并填寫個人信息；然后穿軍大衣進入環(huán)境溫度為-5 ℃的外環(huán)待15 min，模擬用戶長時間在室外停留的情形；最后進入測試房間，分坐于不同位置并開機，開始正式測試.開機后，所有受試者立即填寫問卷，之后每間隔2 min填寫一次至實驗結(jié)束.每次實驗持續(xù)進行1 h.

問卷調(diào)查內(nèi)容包括受試者局部與整體熱感覺以及整體熱舒適.其中，局部熱感覺部位為：頭部、軀干和足部.調(diào)查中使用的標(biāo)度見表3.采用風(fēng)速儀測量并記錄受試者局部位置附近風(fēng)速.

表3 調(diào)查問卷投票標(biāo)度Tab.3 Questionnaire voting scale

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境分析

實驗的前30 min，設(shè)定溫度為30 ℃，測點溫度快速上升，室內(nèi)環(huán)境處于動態(tài)溫升階段；實驗的后30 min，設(shè)定溫度降低到27 ℃，溫升速率變慢；實驗的最后10 min，室內(nèi)平均溫度接近設(shè)定溫度，且隨時間變化波動較小，室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài).對實驗前30 min 和最后10 min 的環(huán)境參數(shù)進行分析，研究不同送風(fēng)形式下動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的室內(nèi)熱環(huán)境.

2.1.1 局部空氣溫度

實驗過程中，取0.1 m、0.6 m和1.1 m的垂直高度為受試者足部、軀干和頭部的代表高度.在溫升階段，將各個受試者不同部位周圍4 個測點的平均溫度作為該部位的平均空氣溫度，其結(jié)果如圖3 所示.中送風(fēng)出風(fēng)口底端距離地面0.50 m，熱風(fēng)直吹人體軀干和頭部，其周圍空氣溫度上升快；熱風(fēng)上浮使得空間下層熱風(fēng)少，足部空氣溫度上升慢.下送風(fēng)出風(fēng)口貼近地面，熱風(fēng)與空間下層空氣充分混和后再上浮到空間上層，足部空氣溫度上升快，軀干和頭部的空氣溫度上升較慢.分布式送風(fēng)上風(fēng)口斜向下送風(fēng)，熱風(fēng)直吹人體頭部和軀干，其周圍空氣溫度上升快；下風(fēng)口水平送風(fēng)，足部空氣溫度上升也較快.

圖3 不同送風(fēng)方式下各部位平均空氣溫度Fig.3 Average air temperature of each part under different air supply modes

綜上所述，中送風(fēng)可快速提升人體頭部和軀干的空氣溫度；下送風(fēng)可快速提升人體足部的空氣溫度；分布式送風(fēng)可快速提升人體各部位的空氣溫度.

2.1.2 垂直溫差

垂直溫差是影響人體熱舒適的重要因素之一，其定義為：室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，人員頭腳位置垂直方向上存在的空氣溫差，即坐姿時，距地面1.1 m 與0.1 m 處平均溫度的差值.ISO 7730—2005［16］提到，垂直溫差上限值應(yīng)不大于3 ℃.室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，不同送風(fēng)方式下，各個水平面的平均溫度如圖4 所示.由圖可知：中送風(fēng)垂直溫差接近6 ℃；下送風(fēng)垂直溫差接近0 ℃；分布式送風(fēng)垂直溫差在2 ℃左右.下送風(fēng)與分布式送風(fēng)的垂直溫差均在3 ℃以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

圖4 不同送風(fēng)方式下室內(nèi)垂直溫度分布Fig.4 Indoor vertical temperature distribution under different air supply modes

0.1 m 和1.1 m 水平面溫度分布云圖分別如圖5和圖6 所示.中送風(fēng)出風(fēng)口距離地面較高，熱風(fēng)受浮升力影響向上運動而無法加熱靠近地面的區(qū)域，0.1 m 處平面溫度最低，垂直溫差最大.下送風(fēng)出風(fēng)口貼近地面，熱風(fēng)貼附地面流動，0.1 m 處平面溫度最高，垂直溫差最小.分布式送風(fēng)下風(fēng)口水平送風(fēng)，熱風(fēng)貼附地面流動提升了空間下層空氣溫度；上風(fēng)口斜向下導(dǎo)風(fēng)，提升了空間中上層的空氣溫度，垂直溫差較小.

圖5 不同送風(fēng)方式下0.1 m水平面溫度云圖Fig.5 Temperature contour of 0.1 m horizontal plane under different air supply modes

圖6 不同送風(fēng)方式下1.1 m水平面溫度云圖Fig.6 Temperature contour of 1.1 m horizontal plane under different air supply modes

綜上所述，分布式送風(fēng)與下送風(fēng)能夠提升空間下層空氣溫度，降低垂直溫差.

2.1.3 溫度均勻度

溫度均勻度是另一個影響人體熱舒適的重要因素，其定義為：室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，在同一時刻，不同測點溫度的差異情況.溫度均勻度較大時房間溫度分布不均，不同位置的熱舒適性差異較大.GB/T 33658—2017［17］規(guī)定，室內(nèi)溫度均勻度應(yīng)不大于2 ℃.室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，按照式（1）計算出第i時刻的瞬時溫度均勻度：

式中：Ts為瞬時溫度均勻度，℃；ti為檢測點i的瞬時溫度，℃；tavg為所有檢測點的瞬時平均溫度，℃；m為溫度檢測點總數(shù).室內(nèi)溫度均勻度為實驗最后10 min 瞬時溫度均勻度的平均值.不同送風(fēng)方式下的室內(nèi)溫度均勻度如圖7 所示，由圖可知：中送風(fēng)溫度均勻度最大，為2.9 ℃；下送風(fēng)溫度均勻度為2.3 ℃；分布式送風(fēng)溫度均勻度最小，為1.9 ℃.

圖7 不同送風(fēng)方式下溫度均勻度Fig.7 Temperature evenness under different air supply forms

溫度均勻度可從垂直方向和水平方向兩個層面分析.在垂直方向上，中送風(fēng)垂直溫差最大接近6 ℃，而下送風(fēng)和分布式送風(fēng)垂直溫差小于3 ℃，溫度分布均勻性更優(yōu).在水平方向上，中送風(fēng)和下送風(fēng)在出風(fēng)口附近熱量集中，水平溫度梯度較大，溫度分布不均；分布式送風(fēng)上下出風(fēng)，風(fēng)量被分散避免了局部區(qū)域溫度過高，不同位置的空氣溫差不超過5 ℃，溫度分布均勻性更優(yōu).因此，分布式送風(fēng)在水平和垂直方向上溫度分布均勻，溫度均勻度最小，營造的室內(nèi)環(huán)境更舒適.

2.2 動態(tài)熱舒適性分析

實驗的前30 min，受試者的熱感覺和熱舒適均處于動態(tài)變化的過程.對受試者前30 min 的問卷數(shù)據(jù)進行分析，研究不同送風(fēng)方式下受試者的動態(tài)熱舒適性.

2.2.1 動態(tài)整體熱感覺

熱感覺是指人體由熱環(huán)境得到的冷熱刺激所產(chǎn)生的主觀感覺.圖8 為不同送風(fēng)方式下5 個位置整體熱感覺投票平均值的變化.0 min 時，受試者從室外進入室內(nèi)，整體熱感覺為冷，此時整體熱感覺投票在-2.5 到-2.8 之間，證明本實驗初始熱感覺的一致性較好.5 min 后，整體熱感覺開始顯著提高.24 min 時分布式送風(fēng)和中送風(fēng)的整體熱感覺投票為0，受試者整體熱感覺適中，但下送風(fēng)的整體熱感覺投票為-0.7，受試者仍感覺較冷.

圖8 動態(tài)整體熱感覺Fig.8 Dynamic-state overall thermal sensation

已有研究表明［18］，胸背部的熱感覺對整體熱感覺影響顯著.通常人體各部位的熱感覺受周圍空氣溫度的影響，由前文可知，下送風(fēng)足部空氣溫度上升快，胸背部空氣溫度上升慢熱感覺較低，受試者整體熱感覺上升較慢.與下送風(fēng)相比，分布式送風(fēng)和中送風(fēng)可以直接加熱對整體熱感覺影響較大的胸背部，因此，分布式送風(fēng)和中送風(fēng)可以更快地提升受試者的整體熱感覺.

2.2.2 動態(tài)整體熱舒適

熱舒適是指人對周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價.圖9 為不同送風(fēng)方式下5 個位置整體熱舒適投票平均值的變化.0 min 時，整體熱舒適投票在-2.5 到-2.8 之間，受試者均處于不舒適狀態(tài).5 min后，受試者的整體熱舒適投票開始顯著提高.在實驗的前20 min，分布式送風(fēng)的整體熱舒適投票更高，受試者對熱環(huán)境滿意度上升更快.

圖9 動態(tài)整體熱舒適Fig.9 Dynamic-state overall thermal comfort

Zhang 等［18］研究表明，使各部位熱感覺相近，避免局部不適可提升整體熱舒適度.在實驗的前20 min，分布式送風(fēng)上下出風(fēng)，空間上層和下層空氣同時強制對流換熱，各平面溫度均勻上升，受試者各部位熱感覺更接近，提升了整體熱舒適度；中送風(fēng)，軀干和頭部空氣溫度上升更快；而下送風(fēng)，足部空氣溫度上升更快，受試者不同部位的熱感覺存在差異，影響了整體熱舒適度.因此，與中送風(fēng)和下送風(fēng)相比，分布式送風(fēng)可以更快地提升受試者的整體熱舒適度.

2.3 穩(wěn)態(tài)熱舒適性分析

實驗的最后10 min，受試者的熱感覺和熱舒適基本處于穩(wěn)定狀態(tài).對受試者最后10 min 的問卷數(shù)據(jù)進行分析，研究不同送風(fēng)方式下受試者的穩(wěn)態(tài)熱舒適性.

2.3.1 穩(wěn)態(tài)局部熱感覺

制熱時，送風(fēng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速高，對流換熱效果好，空氣溫度明顯高于無風(fēng)區(qū)域.由圖5 可知：下送風(fēng)的前位置和左位置以及分布式送風(fēng)的中間位置處于送風(fēng)區(qū)域內(nèi)；由圖6 可知：中送風(fēng)的前位置處于送風(fēng)區(qū)域內(nèi).相關(guān)研究［11-13］指出在低溫的環(huán)境中，局部提供暖風(fēng)可有效改善人體熱感覺，因此，分析送風(fēng)區(qū)域內(nèi)受試者的熱感覺可以更好地體現(xiàn)出送風(fēng)方式對熱舒適性的影響.

圖10 為不同送風(fēng)方式下，送風(fēng)區(qū)域內(nèi)受試者局部熱感覺投票的平均值.各部位的熱感覺受周圍空氣溫度的影響，由圖5 和圖6 可知：中送風(fēng)前位置的頭部空氣溫度接近30 ℃，而足部空氣溫度在21 ℃左右；分布式送風(fēng)中間位置頭部和足部的空氣溫度在26 ℃左右.因此，中送風(fēng)頭部熱感覺投票最高，足部熱感覺投票為0 最低，局部熱感覺差異最大；分布式送風(fēng)各部位的熱感覺投票都大于1，均處于較暖的狀態(tài)，局部熱感覺差異最小.

圖10 穩(wěn)態(tài)局部熱感覺Fig.10 Steady-state local thermal sensation

綜上所述，在送風(fēng)區(qū)域內(nèi)，分布式送風(fēng)的受試者各部位感覺較暖，局部熱感覺差異最小.

2.3.2 穩(wěn)態(tài)整體熱感覺

投票值為-3、-2、-1 的整體熱感覺投票歸為“冷側(cè)”，0 為“中性”，1、2、3 歸為“熱側(cè)”，圖11 為不同送風(fēng)方式下整體熱感覺投票率.

圖11 穩(wěn)態(tài)整體熱感覺投票率Fig.11 Steady-state overall thermal sensation voting rate

由圖11 可知：3 種送風(fēng)方式下，超過80%的受試者整體熱感覺投票都在“熱側(cè)”；中送風(fēng)和下送風(fēng)仍有一部分受試者處于“冷側(cè)”；分布式送風(fēng)受試者整體熱感覺投票都處于不冷的狀態(tài).室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定狀態(tài)后，不同送風(fēng)方式下，溫度分布不同，使得不同位置受試者的整體熱感覺存在差異.與中送風(fēng)和下送風(fēng)相比，分布式送風(fēng)溫度均勻度最小為1.9 ℃，不同位置的空氣溫差不超過5 ℃，所以，在測試過程中分布式送風(fēng)不同位置受試者的整體熱感覺更為接近，所有受試者都不覺得冷.

2.3.3 穩(wěn)態(tài)整體熱舒適

投票值為-3、-2、-1 的熱舒適投票歸為不舒適，0 為沒感覺，1、2、3 歸為舒適，圖12 為不同送風(fēng)方式下整體熱舒適投票率.

圖12 穩(wěn)態(tài)整體熱舒適投票率Fig.12 Steady-state overall thermal comfort voting rate

由圖12 可知：3 種送風(fēng)方式下，都會有受試者覺得不舒適，且感覺到不舒適的投票比例相近；分布式送風(fēng)和下送風(fēng)，有75%左右的受試者感覺舒適，而中送風(fēng)，感到舒適的投票比例下降到60%左右.這是因為中送風(fēng)垂直溫差接近6 ℃，部分受試者處于“頭熱腳冷”的狀態(tài)，局部不適影響了受試者的整體熱舒適.分布式送風(fēng)和下送風(fēng)垂直溫差小于3 ℃，局部不適對整體熱舒適的影響小，提升了受試者對熱環(huán)境的滿意度.因此，與中送風(fēng)相比，分布式送風(fēng)和下送風(fēng)更能提升受試者的整體熱舒適.

2.3.4 穩(wěn)態(tài)局部熱感覺與整體熱舒適回歸模型

局部熱感覺差異大時，整體熱舒適度較差.為獲得穩(wěn)定狀態(tài)下局部熱感覺對整體熱舒適的影響，采用多元線性回歸方法進行擬合.擬合方程為：

式中：OTC 為整體熱舒適投票；Af、Ab和Ah分別為足部、軀干和頭部擬合系數(shù)；A0為擬合常數(shù)；LTSf、LTSb和LTSh分別為足部、軀干和頭部熱感覺投票.

擬合結(jié)果為：

其中，R2=0.96，相關(guān)性較好.擬合結(jié)果與實驗結(jié)果的絕對偏差主要處于±0.2 的范圍內(nèi)，該模型的擬合效果較好.

從上述模型可以看出，制熱工況下，足部的熱感覺對整體熱舒適影響顯著，頭部的熱感覺對整體熱舒適的影響最弱.在送風(fēng)區(qū)域內(nèi)，分布式送風(fēng)和下送風(fēng)顯著提升了受試者足部的熱感覺.因此，與中送風(fēng)相比，下送風(fēng)和分布式送風(fēng)的受試者對熱環(huán)境更滿意.

3 結(jié)論

本文采用客觀環(huán)境參數(shù)測試和主觀問卷調(diào)查相結(jié)合的方法，對3 種家用熱泵空調(diào)送風(fēng)方式的熱舒適性進行了研究與分析，結(jié)果表明分布式送風(fēng)熱舒適性的綜合效果最好，具體結(jié)論如下：

1）初始背景溫度為0 ℃時，分布式送風(fēng)可快速、均勻地提升人體各部位的空氣溫度，受試者的整體熱感覺以及整體熱舒適上升最快，受試者的熱舒適性可得到顯著改善.

2）室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，相比于中送風(fēng)和下送風(fēng)，在分布式送風(fēng)作用下，溫度均勻度最小為1.9 ℃，在該環(huán)境中處于送風(fēng)區(qū)域內(nèi)的受試者各部位感覺較暖，局部熱感覺差異最小，其余區(qū)域內(nèi)的受試者都不覺得冷.

3）對穩(wěn)態(tài)局部熱感覺與整體熱舒適的擬合結(jié)果表明，不同送風(fēng)方式下，對整體熱舒適影響最大的身體部位是足部.與中送風(fēng)相比，下送風(fēng)與分布式送風(fēng)的垂直溫差小于3 ℃，在送風(fēng)區(qū)域內(nèi)可較明顯地提升人體足部的熱感覺，約75%的受試者表示對熱環(huán)境感到滿意.