空調溫度均勻性與舒適性研究

何林，賀春輝，盧浩賢，李華松，張世航，耿媛媛

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

如今，人們對空調的認知不僅局限于制冷制熱，在空調裝置對室內環境溫度改善的過程中人們更希望帶來較好的使用體驗與舒適性，空調的送風溫度與風速是影響人體感覺的兩個關鍵因素[1]。送風溫度的不同取決于空調裝置本身的性能差異與用戶使用習慣的不同，其中性能差異體現在變頻與定頻的不同，而不同使用者的人體代謝速率差異較大，不能簡單的以大風量送風或者無風感送風標準去定義舒適性送風。其中賴想球[2]等人研究了空調的自然風送風技術，通過設計空調上下導風板的智能運動規則，對導風板的運動速度、幅度和時間等參數進行關聯控制，模擬出空調舒適性自然風。最后與傳統機械送風相比，舒適性自然風顯著提高了空調的熱舒適性。袁旭東[3]研究了組合式末端的舒適性與均勻性，得出當地板表面溫度增加時，室內溫度和相對濕度的均勻性得到改善，舒適性提高，且結露風險大大降低。劉向龍[4]分析了不同服裝熱阻、空氣溫度與風速對PMV值的影響。本研究課題主要通過建立房間仿真分析模型分析不同出風溫度下的房間溫度均勻性，仿真中高出風溫度值為該室內環境下的實測出風溫度值，通過仿真模擬值降低出風溫度從而研究其出風溫度降低后的可行性，并同步模擬了高風擋下的房間不同位置風速分布，最后理論分析[5-8]了各個參量對評價指標PMV的影響程度。

1 模型建立

研究模型的選取是基于南京某公司舒適性實驗室中的一房間，房間大小為6.15 m*5.92 m*2.78 m。定義房間高度方向為Z軸，房間寬度方向為Y軸，房間長度方向為X軸，坐標原點位于內風機正下方Y軸交點處。門的尺寸大小為0.7 m*2.2 m。窗的尺寸大小為2.1 m *1.2 m。內機送風口大小0.122 m*0.885 m，回風口大小0.200 m*1.010 m。

在ISO 7730中對房間舒適性的測點有一定的要求，如圖1所示，分別定義了在腳踝處Z軸方向高度0.1 m處、腿部1.1 m處、頭部1.7 m處的溫度布點設置，以此監測這三個高度方向上的平面相關參數值。

2 參數設置

2.1 網格劃分

網格劃分采用先進的多結構網格耦合技術，在房間規則區域采用六面體結構化網格，而在房間邊角區域采用適應性較強的四面體網格。多網格耦合的劃分方法不僅得到了質量相對較好的網格，在計算過程中更增大了計算的收斂速度。如圖2所示，房間壁面局部網格示意圖中顯示得到邊界區域與壁面采用了不同的網格形式，總網格單元節點數為153萬。

2.2 網格無關性驗證

在房間舒適性分析的過程中網格單元數的不同也許會產生計算結果的差異。因此在相同的出風溫度、壁面邊界條件下分別驗證網格數為153萬、186萬、220萬網格單元時得到的房間平均溫度值（房間平均溫度值由人體活動區域垂直方向0.1 m到1.8 m范圍內溫度場范圍計算得到）。

圖3、表1中的網格無關性驗證數據顯示，網格無關性曲線基本水平，在不同網格單元數目下的平均溫度偏差值最大為4%，符合計算精度的要求。在不影響計算結果的前提下較小的網格單元數能很大程度上降低計算機的負荷并加快計算的收斂速度。最終選用計算節點數為153萬的網格參數。

3 結果分析

3.1 溫度均勻度

房間溫度均勻度是指室內環境達到熱穩定狀態后，在同一時刻，不同測點溫度的差異狀況。

圖1 二維平面及溫度布點圖

圖2 網格劃分部分剖面圖

式中T：

Ts—瞬時溫度均勻度；

ti—檢測點i的瞬時溫度，℃；

tm—所有測點的瞬時平均溫度，℃；

m—測點總數。

整個室內的溫度均勻度（）為所有測點瞬時溫度均勻度的平均值。

如圖4得到在房間高度為1.3 m處的溫度分布，用以驗證在出風溫度分別為40 ℃與36 ℃時房間溫度的均勻性，如圖4中可以觀察到在高風檔出風速度條件下35 ℃的出風在溫度截面上溫度分布更為均勻。在忽略異常波動點后40 ℃出風溫度波動在0.5 ℃以內，36 ℃出風溫度波動值在0.9 ℃以內。兩者在水平方向溫度分布差異不明顯，在溫度波動性方面可以使用36 ℃代替40 ℃出風溫度從而達到節能性目的。

表1 網格數對計算溫度的影響

圖3 網格無關性曲線

3.2 風速分布

通過圖5中風速監控點得到表2中風速值，得到無導風板結構的風管式內機房間風場均勻度較好，在中央空調設計送風風速標準中（見表3）定義0.127～0.25 m/s的范圍內為舒適性風速，此風速值是建立在高風檔下（2.2 m/s）所得到的速度值，基本維持在標準中定義的舒適性范圍。然而，從用戶側使用習慣的角度出發，高風檔的使用頻率因存在噪音方面的影響故占比并不高，用戶多在低風擋與中風檔條件下使用，所以為達到舒適性送風的目的應適當提高除高風檔模式下的內風機轉速。

圖4 水平方向1.3 m溫度圖

圖5 房間溫度分布測點

表2 房間溫度分布值

4 舒適性評價PMV值影響因素

舒適性評價PMV值的主要影響因素分為兩大類，分別是環境因素和人自身因素。環境因素包括空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度、空氣相對濕度四大參數，人自身因素包括新陳代謝率、服裝熱阻兩大參數。PMV值是由其中所有參數共同作用的結果。仿真分析的過程中定義了變量空氣溫度與風速兩個參數值，但其每一個參數在PMV值的計算過程中影響大小仍不甚明了。為了更清晰的了解各個影響參數對整體PMV值的影響大小，本文利用編程計算軟件通過導入PMV計算公式并得到PMV隨各個參量的變化情況。

由圖6中各參數變化可知，空氣溫度、空氣濕度和平均輻射溫度對PMV的影響呈線性變化趨勢，而PMV隨空氣流速、服裝熱阻和代謝速率的變化呈非線性的變化。

其中，非線性變化曲線中PMV隨空氣流速變化過程中：空氣流速小于0.1 m/s時流速值對PMV的影響相對較小，曲線較為平穩；當流速大于0.1 m/s時PMV值明顯降低，且隨著風速的逐漸增大變化趨勢漸趨平緩。對比24 ℃與26 ℃不同空氣溫度下的變化曲線可知：24 ℃環溫下PMV受風速值的影響更大，曲線下降趨勢更快；對整個24 ℃和26 ℃環溫變化曲線而言，PMV受風速變化波動最為明顯的風速區間在0.1～0.3 m/s，該風速區間在中央空調送風標準里屬于可調節的滿足舒適性送風風速范圍區間。PMV值受服裝熱阻的影響隨著其值的增大其變化趨勢逐漸平緩，并且隨著服裝熱阻的增大不同風速下的PMV值趨于一致。代謝速率對PMV值的影響相對較大，在代謝速率低于60 W/m2時，PMV值隨其增大而急劇升高，在不同空氣溫度下的變化趨勢基本相同。

表3 不同風速下送風感覺

線性變化曲線中PMV隨著空氣溫度、濕度與平均輻射溫度的升高呈線性增長趨勢。其中，輻射溫度與空氣濕度對PMV的影響由于空氣流速的不同并沒有明顯差異，而服裝熱阻的不同會對空氣溫度對PMV值的影響產生差異，空氣溫度的升高，服裝熱阻對PMV值影響逐漸一致。

圖6 各參量對PMV值的影響

5 結論

1）在高風擋（2.2 m/s）的送風速度下，40 ℃出風溫度波動在0.5 ℃以內，36 ℃出風溫度波動值在0.9 ℃以內。兩者在水平方向溫度分布差異不大。在溫度波動性方面可以使用36 ℃代替40 ℃出風溫度從而達到節能性目的。

2）通過監測人體活動區域高度上（0.1～1.5 m）的風速值得到在該平面上風速最低值為0.16 m/s，最低值滿足設計送風風速標準中定義0.127～0.25 m/s的舒適性送風范圍，但從用戶使用側的角度分析：高風擋并非常開工況風擋，故內風機轉速存在提高優化空間。

3）通過編程計算軟件導入PMV計算公式計算分析空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度、空氣相對濕度、新陳代謝率、服裝熱阻各個參量對PMV評價指標的影響，為更全面分析室內環境舒適性提供理論依據參考。