不同送風方式下室內熱舒適性的比較

潘李丹 亢燕銘 鐘 珂

東華大學環境與工程學院

不同送風方式下室內熱舒適性的比較

潘李丹 亢燕銘 鐘 珂

東華大學環境與工程學院

隨著人們對室內空氣品質和節能的要求日益提高，置換通風、地板送風和碰撞射流通風等送風方式也逐步得到推廣應用。本文利用實驗方法實測了傳統的混合通風與這三種送風方式下空調房間的室內溫度和氣流速度，對不同送風方式下室內溫度分布、氣流分布和熱舒適性進行分析比較。

送風方式熱舒適性熱環境碰撞射流

傳統的混合通風系統以高射流慣性力為動力，即使該系統通風效率低且耗能，仍占有大部分市場。置換通風系統通常地面送風，室內的低溫空氣受熱浮力的作用上升，形成溫度分層，工作區的熱舒適性和空氣品質良好，然而置換通風系統只適用供冷。

近年來瑞典基于碰撞射流原理發展了一種新的氣流組織形式[1]。碰撞射流作為中等動量送風系統結合了混合通風和置換通風的優點：碰撞射流系統送風動量比置換通風高，所產生的射流可使空氣在地面均勻蔓延，類似置換通風在工作區下部形成一個干凈的區域[2]。本文以夏季作為典型工況，對四種送風方式的熱舒適性進行了研究。

1 實驗設置

實驗在全比例模型人工氣候室內進行。該氣候室位于實驗室房間內，長3.6m×寬3.0m×高2.6m，相當于一個小型辦公室。氣候室內有多個雙層百葉風口，尺寸均為0.24m×0.34m。混合通風送風口置于天花板處，冷氣流直接射入下部區域；置換通風和地板送風的送風口分別位于墻面下側和地面；碰撞射流的空氣由圓形風管送入室內，圓形管截面直徑為0.2m，風管從天花板延伸到距離地面0.6m高度處。

實驗室內裝有三盞日光燈（36W×3），一臺電腦主機模型（0.5m×0.27m×0.295m長方體內置200W燈泡），兩個人體模型（0.52m×0.42m×1.2m長方體內置100W燈泡）。風速變送器HD403TS和溫度變送器EE80-2CT6分別用于測量室內各測點的風速和空氣溫度，風速變送器測量風速范圍為0.05～5.00m/s，精度為±（0.03m/s+2%f.s.），溫度變送器測量范圍為-5～55℃，精度為±0.3℃。測試儀器安裝在測桿上，各高度的溫度可同時測得。此外風速儀9535用于測量送風口的送風溫度和風速，風速測量范圍為0～30m/s。

本實驗包括四種工況，實測了各種送風方式的溫度和風速，并對受試者進行熱舒適性的主觀調查。實驗條件如表1所示。

表1 實驗條件

參加實驗的3名受試者全為在讀學生，其中1名男生2名女生。受試者的基本情況如表2所示，參照其他類似實驗，要求受試者身體健康，參加實驗前具有良好的睡眠以及飲食，且不應喝過含酒精的飲料。

表2 受試者基本情況

受試者進入氣候室之前按實驗要求整理服裝，由實驗人員向受試者介紹實驗內容以及實驗過程中所要注意的事項。受試者進入氣候室后按事先安排好的位置坐下，在實驗過程中受試者可以閱讀書報、操作手機或輕聲交談，但不能交流實驗過程中對熱環境的評價。受試者在氣候室內先靜坐30 min后開始正式實驗，從開始接受第一份問卷開始每隔5分鐘填寫一份問卷，調查歷時30 min，每人需要填寫7份問卷。實驗室布置圖如圖1所示。

圖1 實驗室布置圖

實驗中的受試者的服裝為夏季標準著裝，上身穿夏季薄質長袖或短袖衫，下身穿長褲。受試者問卷內容包括：受試者的個人資料、熱感覺投票。熱感覺投票TSV采用7個等級的衡量標準。投票標尺見表3。

表3 熱感覺投票標尺

2 實驗結果和分析

本文通過溫度、速度和熱舒適性三個參數分析了各種送風方式的通風特性，并從人體熱舒適理論出發探究不同送風方式的人體熱感覺。

2.1 溫度分布

圖2為不同送風方式各測點的溫度梯度。由圖中可以看出，各種送風方式各測點的溫度隨高度基本呈上升趨勢，這是室內熱源作用的結果，空氣受熱浮力的影響上升使得上部區域氣溫較高。混合通風0.1～1.7m高度范圍內所觀察到的垂直方向溫度沒有明顯變化，表明混合通風空氣混合度高溫度分布均勻；置換通風0.1～1.1m高度處的溫度變化幅度相當大，溫度梯度大，而1.1m以上的溫度相對均勻，出現明顯的分層現象。這是因為置換通風送風速度很小，送入室內的冷空氣利用自身的重力向四周緩慢平鋪，在近地面處形成空氣湖，上升的氣流產生紊流區。地板送風各測點的溫度梯度較相似，溫度變化范圍在19～23℃，室內溫度較低。由于碰撞射流送風口的位置距離測點2較近，該測點0.1～1.1m高度處的溫度梯度相較其他測點特別大。中動量出流的氣流與地面發生碰撞后在近地面處擴散到一定距離后向上回流，氣流與室內空氣混合，使得近風口處的下部區域溫度梯度較大。

圖2 各種工況各測點的溫度梯度

工作區的空氣溫度分布情況決定著室內熱舒適性，較大的垂直溫差會讓人不舒服。按照ISO7730標準[3]，地面以上標高0.1m處和標高1.1m處的空氣溫度之差必須小于3℃，這是考慮坐著的情況。在考慮站立情況時，美國ASHRAE55-92標準[4]建議標高0.1m和1.7m之間的溫差不大于3℃。實驗測得置換通風0.1～1.1m高度處的最大垂直溫差為4℃左右，0.1～1.7m最大垂直溫差為4.5℃，超過標準的規定值。而其他三種送風方式的上述溫差都滿足標準的要求。T Karimipanah[5]的研究所得出的結論也表明置換通風的溫度梯度比碰撞射流大。

2.2 速度分布

圖3為不同送風方式各測點的速度梯度。從圖中可以看出，混合通風多數測點的風速在0.05m/s以上，極少數點的風速低于0.02m/s。由于送風口的位置在測點2上方，該測點2.0m到天花板之間的平均風速較高（大于0.2m/s），但衰減迅速使得工作區的平均風速維持在0.1m/s左右。實測結果表明混合通風工作區的風速較大且均勻。

圖3 各種工況各測點的速度梯度

置換通風測點1和2（熱源附近的測點）使氣流具有較大的上升速度，0.4～1.0m高度處的風速超過0.02m/s，但其他測點的氣流速度很小，大部分在0～0.02m/s之間。置換通風呈層流低紊流狀態，整個速度場表現得非常均勻穩定。

地板送風各測點風速整體趨勢一致，隨著高度的增加先下降后增大。這是因為下送風與室內空氣混摻，下部區域的風速較大，達到分層以上時，由于漩渦的存在其速度有上升趨勢。

碰撞射流風速在0.1～1.1m高度處呈遞減趨勢，只有在送風口附近地面處的風速達到1.0m/s以上。1.1m以上的風速基本在0.05m/s以下，均勻波動小。碰撞射流送風速度高于其他送風方式，但近地面處的速度衰減非常迅速，導致下部區域的速度梯度大。

實驗表明混合通風的風速較大，而下區送風方式在近地面處的風速高，引起不同程度的吹風感，但如果室內人員避開送風口各種送風方式的舒適性都可滿足要求。H B Awbi[6]等人的研究也證實了混合通風高速的冷空氣送風會產生吹風感從而影響熱舒適性，碰撞射流的通風性能優于其他送風方式，在大負荷情況下表現出更好的氣流組織形式。2.3熱舒適調查

由于無法測量熱感覺，因此只能采用問卷的方式了解受試者對環境的熱感覺，即要求受試者按某種等級標度來描述其熱感覺。心理學的研究結果表明，一般人可以不混淆地區分感覺的量級不超過7個，因此對熱感覺的評價指標往往采用7個分級。在進行熱感覺實驗的時候，設置一些投票選擇方式來讓受試者說出自己的熱感覺，這種投票選擇的方式叫熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV），分級范圍往往為-3～+3。實驗通過主觀調查，讓受試者對頭部、上半身和下半身的熱感覺分別進行評價，其中頭部包括頭和頸，上半身包括前胸、后背和手臂，下半身包括大腿、小腿和腳。

圖4 各種工況熱感覺投票結果

圖4 為不同送風方式熱感覺調查結果。從圖中可以看出，不同送風方式的前10 min內的熱感覺變化較大，15min之后基本趨于穩定。受試者起始熱感覺范圍基本在0.4～1.2之間，由于置換通風室內氣溫高于其他送風方式，受試者的熱感覺偏大，而地板送風受試者在0時刻的熱感覺范圍在0～0.8之間。隨著時間的推移，各種送風方式受試者熱感覺都呈現下降的趨勢。混合通風全身熱體熱感覺下降幅度都很小，穩定在0左右，可見混合通風工況人體熱舒適性較好且均勻。

置換通風下半身熱感覺變化幅度較大，熱感覺達到基本穩定的狀態后，頭部和上半身熱感覺大致穩定在0.4左右，下半身熱感覺穩定在-0.6左右。置換通風對人體下半身有明顯的降溫效果，使該部位產生微涼感。

地板送風受試者下半身的熱感覺變化相對劇烈，穩定在-1.3左右，使得下半身和其他部位的熱感覺差異較大。表明地板送風對下半身有明顯的降溫效果，容易產生局部冷感。

碰撞射流受試者上半身和下半身的熱感覺變化趨勢極為相似，相較頭部的變化幅度稍大，頭部熱感覺穩定在0左右，上半身和下半身大致穩定在0.4左右。可見碰撞射流的熱舒適性較好。

結果表明下區送風的三種送風方式下半身的熱感覺有下降的幅度，地板送風下半身的降溫效果最明顯，產生局部冷感。混合通風和碰撞射流穩定后的熱感覺分布相對均勻，可見熱舒適性較好。

3 結論

本文實測了不同送風方式下室內的溫度場和速度場，并對處于不同工況環境中受試者的熱感覺變化情況進行了主觀調查，通過對實驗結果的整理和分析，得到如下結論：

1）混合通風通常氣流速度較高，相比之下碰撞射流更不可能引起吹風感，并且具有節能意義。

2）碰撞射流不是嚴格意義上的置換通風但可比置換通風，碰撞射流的溫度和速度分布比置換通風好，主觀調查結果顯示人體熱感覺TSV值的范圍比置換通風小，熱舒適性更好。

3）地板送風對人體有明顯的降溫效果，產生局部冷感和吹風感，熱感覺值的范圍比碰撞射流大得多。碰撞射流送風口可設在較為隱蔽的位置，避免吹風感且不影響美觀。

[1]Karimipanah T,Awbi H B.Theoretical and experimental investigation of impinging jet ventilation and comparison with wall disp -lacement ventilation[J].Building and Environment,2002,(37): 1329-1342

[2]Karimipanah T,Sandberg M,Awbi H B.A comparative study of different air distribution systems in a classroom[J].Air distribution in rooms:ventilation for health and sustainable environment [A].In:Proceeding of the ROOMVENT 2000[C].Oxford:Elsevi -er,2000,(2):1013-1018

[3]ISO.Moderate Thermal Environments:Determination ofthe PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort(International Standard 7730)[S].Geneva,Inter -national Standards Organization,1984

[4]ASHRAE.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy(ANSI/ASHRAE Standard 55-1992)[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,1992

[5]Karimipanah T,Awbi H B.A comparison between three methods of low-level air supplies[A].In:Proc International Conference on Indoor Air Quality,Ventilation and Energy Conservation in Build -ings(IAQVEC 2001)[C].Changsha:2001,(I):311-316

[6]Y Cho,H B Awbi,T Karimipanah.A comparison between four different ventilation systems[A].In:Proceedings of Eighth International Conference on Air Distribution in Tooms(Roomvent 2002)[C].Copenhagen:2002,181-184

A Com pa ra tive Study of Indoor The rm a l Com fort unde r Diffe re nt Air Dis tribution Sys te m s

PAN Li-dan,KANG Yan-ming,ZHONG Ke
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

With the increasing demand on air quality and saving energy,the mode of displacement ventilation, underfloor ventilation and impinging jet ventilation,are gradually applied.To compare the characters of indoor temperature distribution,airflow and thermal comfort environment with four air supply modes,indoor temperature and air velocity were measured.

air distribution methods,thermal comfort,thermal environment,impinging jet

1003-0344（2014）04-013-4

2013-5-23

潘李丹（1988～），女，碩士研究生；上海市松江區人民北路2999號東華大學環境科學與工程學院5135室（201620）；021-67792554；E-mail:panlidan@mail.dhu.cn

國家自然科學基金資助項目（40975093）