改善學生宿舍室內熱環境的局部送風系統

劉凰君 劉洋伶 徐 皓 鄭 潔

改善學生宿舍室內熱環境的局部送風系統

劉凰君 劉洋伶 徐 皓 鄭 潔

（重慶大學 重慶 400044）

根據重慶大學學生宿舍分體式空調的運行現狀，通過問卷調查分析空調工況下的室內熱舒適情況。結果顯示：在冬夏兩季，空調送風方式對室內睡眠區域及工作區域的熱環境均存在不同程度的影響，尤其是冬季，浮力效應導致熱空氣集聚于房間上部空間，無法滿足下部工作區域的熱舒適要求。對比改善送風系統的相關技術，亦存在夏冬兩季上下部空間區域空調效果不理想，送風系統可調節性弱等不足。為解決這一問題，作者設計了一種局部空調送風系統，該系統可根據宿舍床位高度將房間分成上下兩個不同局部空間，即上部睡眠區域和下部工作區域。通過選擇不同的空調送風支路，可控制睡眠區域或工作區域的溫度，以滿足室內學生的實際熱環境需求。

學生宿舍；分體式空調；送風系統；熱環境

0 引言

學生宿舍是高校學生學習和生活的主要場所之一，其熱舒適狀況直接影響著學生的身心健康和學習效率。無論是睡眠環境或是日常生活，通風對于宿舍室內環境都存在著難以忽視的重要作用[1,2]，但全國多數地區僅靠通風難以滿足全年熱舒適需求。作為我國主要的住宅空調形式，分體式空調可以有效調節房間溫濕度，提高在室人員的舒適度[3]。隨著學生對于熱環境需求的不斷增長，全國多所高校已統一安裝了分體式空調，用以緩解此情形[4]。

季節對應著不同的室內熱環境，不同建筑環境中人的行為調節規律和對環境的熱反應也有著明顯差異[5,6]。學生宿舍在安裝分體式空調后，室內熱環境雖得到了較大改善，但空調環境下的人員熱舒適卻依舊存在不滿意情況。

1 送風系統優化需求分析

1.1 學生宿舍室內熱環境分析

重慶屬于典型的夏熱冬冷地區，夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕，學生宿舍室內熱環境質量問題比較突出。何鳴[7]于2012年對重慶大學冬夏季的學生宿舍（宿舍平面圖如圖1）室內熱環境情況進行了問卷調查，被調查者主體為研究生，發放問卷100份，有效問卷100份，男女比例3:2。從安裝分體式空調起近6年內，學校宿舍建筑結構未發生變化，只進行過內部裝飾工程，可認為室內外氣候環境自然特征沒有明顯變化，故筆者借助已有數據對熱環境舒適情況進行分析。

圖1 宿舍平面圖

空調工況下睡眠區域的熱舒適程度高低可對睡眠質量的好壞產生直接影響，統計夏季空調工況下睡眠區域熱舒適性[7]（見圖2），熱感覺為可接受及以上的人數占比達到82%，可以看出，空調開啟時睡眠區域的熱環境得到了極大改善，也反映出長期居住在夏季炎熱氣候地區的人對高溫的適應能更強，相關研究表明這種適應性在空調環境中依然存在[8]。此外，感到滿意的人數僅占總體的12%，較不滿意與不滿意的總占比為18%，可見改善睡眠區域的熱舒適性還存在極大的空間。

有學者通過研究表明冬季室內人員的行為對熱環境有較大影響[9]，多數學生會采取增加衣物、開啟取暖設備、關閉門窗以及喝熱飲等措施使自身變得更加暖和，統計冬季室內熱舒適情況[7]（見圖3），可以發現表示可接受及以上的人數占總體比例的79%。但滿意率僅為2%，較不滿意與不滿意總比達到21%，這是由于冬季空調制熱時，熱風從上部送出，在浮力作用下熱風上揚集聚于房間上部，房間下部氣溫難以達到舒適性溫度的范圍，而下部又是人員活動的主要場所，不能夠有效地獲得所需熱量，故舒適性要求無法得到滿足。當熱環境難以滿足需求時，通常會采用提高空調設定溫度的方式來提高熱舒適度，從而使得空調能效降低、能耗上升，還會造成空調器啟停頻繁，造成空調運行能耗和噪聲分貝進一步上升，不利于人員工作、學習和休息。此外，相關學者[10]通過研究也表明冬季空調設定溫度不集中，其調研樣本中一半以上的學生人數能明顯感覺到房間上下部溫差，可見空調制熱帶來的上下部溫差感非常明顯。

圖2 空調工況下睡眠區域熱舒適情況統計

圖3 空調工況下熱舒適情況統計

1.2 送風系統技術比較

為了改善空調實際運行效果，對于空調室內機送風系統的改進一直在進行，如表1所示。

表1 不同送風系統比較

從不同送風系統比較中可以發現，現有技術依舊存在夏冬兩季上下局部空間區域空調效果不理想，送風系統可調節性弱等不足，因此，本文提出一種基于床位的局部送風技術[15]，可有效解決該問題。

2 局部送風系統實現熱環境優化

重慶大學學生宿舍安裝分體式空調后，室內的熱舒適感有所提升，可見在南方夏熱冬冷地區非常有必要在學生宿舍安裝空調來改善室內熱環境[16]。但分體式空調在使用時，宿舍內空氣的縱向和橫向溫差都增大，且縱向溫差大于橫向，夏季縱向溫差小于冬季，而橫向溫差大于冬季[17]，睡眠區與工作區的溫度存在明顯差異。因此，提出一種局部送風系統以改善室內熱環境。

2.1 系統設計

該送風系統由上位送風箱、下位送風箱、床鋪、上位送風口、下位送風口、風管接入口、風管和三通閥組成，如圖4、5所示。床鋪應當有一定高度，下平面能夠達到2m左右，下部空間可以加以利用，如設有桌子以作學習工作區域。尺寸大小一樣的上位送風箱和下位送風箱安裝于床鋪一側，兩風箱貼合在一起并以床鋪平面對稱安裝。上位送風箱靠近床鋪一側開有上位送風口，水平送風到睡眠區域；下位送風箱開有下位送風口，送風至桌面辦公區域。上位送風箱和下位送風箱均開有風管接入口，由風管連接至三通閥，最后接到空調送風干管。

圖4 送風系統結構示意圖

1—上位送風箱；2—下位送風箱；3—床鋪；4—上位送風口；5—下位送風口；6—風管接入口

圖5 風管連接示意圖

7—風管；8—三通閥

2.2 工作過程

根據床鋪高度將房間劃分出上下兩個局部空間，同時設置有兩條空調風支路分別對這兩個局部空間進行控制，將這兩條支路由三通閥接通到空調風干管。因此，本局部送風系統可選擇只向上位送風箱送風、只向下位送風箱送風、同時向上位送風箱和下位送風箱送風或者關閉。

圖6 送風系統工作流程圖

通過增加自動控制系統，如圖6所示，在空調器設定好睡眠、工作和全空間三種模式的條件下，人員可以通過遙控器開啟系統并切換至合適的運行模式：

（1）開啟睡眠模式時，自動旋轉三通閥，沿上位送風箱的上位送風口出風的空調送風支路開啟，同時加入的自動控制系統將上位送風口的導流板轉動至水平狀態，之后導流板可在一定范圍內手動調整角度，空調風直接對睡眠區域送風；

（2）開啟工作模式時，自動旋轉三通閥，沿下位送風箱的下位送風口出風的空調風支路開啟，空調風由下位送風口送到工作區域，若是開機狀態下由睡眠模式或全空間模式轉至工作模式，自動控制系統將上位送風口的導流板轉動至豎直狀，關閉上位送風口，防止上位送風箱進入灰塵；

（3）開啟全空間模式時，自動旋轉三通閥，沿兩個空調支路均接通的方向開啟，自控上位送風口的導流板轉動至水平狀態，空調風從上位送風口送向睡眠區域，同時又從下位送風口送向工作區域。關閉模式則自動旋轉三通閥，斷開送風干管與上位送風箱以及下位送風箱的連接，同時自動控制系統將上位送風口導流板轉動關閉上位送風口。

2.3 技術優化

2.3.1 降低吹風感干擾

相關研究表明，處于濕熱氣候區空調條件下的宿舍人員，頭部對整體熱感覺影響最大，其次是小腿和腳部[18]。故在本技術方案中，所述的上位送風口呈矩形且只設置一個，居于上位送風箱側表面的中心位置，面積應足夠大，以保證送風速度足夠小，上位送風口左右側邊距離床鋪邊線各0.5m，避開人員的頭部和腳部，防止空調風長時間直接吹拂人員的頭部和腳部可能帶來的不舒適甚至健康受到損害，避免吹風感干擾睡眠質量。上位送風口應設置有導流板，導流板呈長矩形條狀，水平等距均勻布置，導流板的寬度與其間距相等，導流板設有轉軸，可手動上下翻轉調整出風角度，夏季將送風角度適當向上做一定調整，冬季時則將送風角度向下調整，實際使用時具體調整的角度大小應視系統送風溫差以及人員熱感覺而定。開啟時導流板自動轉動至水平狀，之后才可以可手動調節，上翻轉最大角度45°，下翻轉最大角度90°，下翻90°時導流板完全豎直，能夠關閉上位送風口，空調關閉時或不啟用睡眠模式時，導流板自動下翻至此狀態。而所述的下位送風口，可設置多個，沿下位送風箱底面稍長的中軸線等距布置，兩邊的下位送風口與下位送風箱兩個側面距離為相鄰兩下位送風口的一半。下位送風口為圓形，下位送風口包含送風口內框、導流裝置和滾輪。內框與下位送風口在同一平面，共用同一軸心，導流裝置為矩形條狀，平行等距布置固定于內框上，導流裝置設有轉軸，可在垂直于風口的平面內做180°轉動，完全水平時即關閉下位送風口。內框的外緣有3個滾輪，兩兩滾輪與風口圓心連線的夾角均為120°，通過滾輪，內框以自身圓心為軸心在其平面內做360°轉動。如此，下位送風口風向的可調節范圍大，局部送風氣流組織調節也更加靈活，以滿足下部人員活動空間的熱舒適需求，又能夠調整出風方向或者關閉不需要的下位送風口以避免空調風直接吹拂人員面部帶來不舒適的感覺。

2.3.2 降低噪聲干擾

上位送風箱靠近風管接入口一側設置消聲箱，消聲箱占滿風管接入口到上位送風口側邊的箱內空間，消聲箱采用微孔板結構，阻抗式的消聲箱除了消聲功能外，還能夠利用自身的阻抗降低箱內的風壓以及空調風流速，消聲箱內的孔板結構同時又兼具整流的作用，孔板出風氣流平整。上位送風箱內設置有多個導流片，導流片左端有一段直線水平段并與消聲箱相連以接引由孔板而出的平整氣流，導流片右端有一段圓弧，圓弧段下端切線垂直于上位送風口平面，并連接一段直線段，該直線段接至上位送風口，從而改變上位送風箱內氣流流向，使得出風方向垂直于上位送風口平面，避免風管氣流呈橫向而造成上位送風口出風后側流向床鋪一側。考慮睡眠時靜音的要求，上位送風箱和下位送風箱的內表面以及圓弧狀導流片表面還應附有吸聲材料，如聚酯纖維等，從而降低噪聲干擾。

3 結語

學生宿舍室內熱環境的舒適程度直接關系著學生的生活質量與學習效率，采用上述送風系統，將房間分成上下兩個局部控制區域：上部睡眠區域與下部工作區域，可根據實際需求靈活選擇對各個區域進行熱環境控制。與現有的技術相比較，空調風風向控制靈活，房間可控制空間更大，提升了空間利用率；床鋪有一定高度，可充分利用冬季制熱工況下聚集于房間上層的熱量，避免了這部分熱量的浪費；設計加大了送風口面積，使出風速度減小，有效地減弱了氣流噪聲；送風口貼近局部控制區域，風程短，溫度損失小，風口接近人員，溫度上不易過高或者過低，冬季可適當降低送風溫度，夏季可適當調高送風溫度，從而提升空調系統效率。此外，上下位送風口將空調風有效地送達了夏季與冬季難以滿足熱舒適的空間，提升了上下層空間的舒適度。因此，該局部送風系統是一種可改善房間整體空間熱環境且節能效果明顯的設計。

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A Local Air Supply System to Improve Indoor Thermal Environment of Dormitory

Liu Huangjun Liu Yangling Xu Hao Zheng Jie

( Chongqing University, Chongqing, 400044 )

ased on the operation of split air conditioners of dormitories in Chongqing University, the indoor thermal comfort is analyzed by questionnaire. The results show that the mode of air supply has different degree effects on indoor sleeping area and working area with thermal environment in summer and winter, hot air accumulate in the upper space of the room caused by buoyancy effect especially in winter, which can not meet the comfort requirements for staffs in the lower space areas. Compared with other air supply system technologies, there are also shortcomings such as unsatisfactory air conditioning in the upper and lower space areas, adjustable of the air supply system weakly and so on. Thus, a local air-conditioning air supply system with flexible regulation, obvious effect and large control area is proposed, which divides the room into two spaces for different functions: the upper sleeping area and the lower working area, according to the height of the dormitory bed, by selecting different air-conditioned air supply branch to control the air temperature of sleeping area or working area to meet the actual thermal environment needs for staff.

student dormitory; split air conditioner; air supply system; thermal environment

TB657.2

A

1671-6612（2019）04-367-05

國家重點研發計劃項目（編號：2016YFC0700301）

劉凰君（1993.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2368824765@qq.com

鄭 潔（1960.05-），女，本科，教授，E-mail：jz187@cqu.edu.cn

2018-08-29