家用熱泵空調送風方式對熱舒適性的影響

董明珠，譚建明，肖彪，李斌，趙樹男?

（1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，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%的時間都是在室內度過［1］，舒適的室內熱環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，空調系統是調控室內熱環境的主要手段.然而傳統空調系統的送風方式單一［3］，室內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，學者們不斷探索和研究新型的空調送風方式，努力提高室內環境的熱舒適性.

圍繞空調送風方式對室內熱環境的影響，國內外學者開展了相關研究.Webster 等［5］研究發現，下送風空調送風量越大時，室內工作區域的熱分層高度越小.林金煌等［6］研究得到分布式送風空調系統可改善房間氣流組織分布，同時具有節能效果.李楠等［7］分析了冷卻頂板與置換通風復合空調系統的熱舒適性，得到該系統具有較小的垂直溫差，能有效降低吹風感.張國強等［8］則以輻射制冷-獨立新風空調系統為研究對象，得到該系統平均空氣流速較低，各工況下冷風不滿意率均在標準限值內的研究結果.龔光彩、劉佳［9］將空調運行與開門窗習慣結合控制管理，在同等熱舒適度下降低了空調系統的能耗.李念平等［10］將桌面風扇與輻射空調相結合，設計了一款新型工位空調系統，有效拓展了夏季室內舒適溫度的范圍.此外，也有學者研究了送風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 風速對臉部和腳踝送熱風，發現送熱風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］以相同的風速對人體臉部和腳部送熱風，發現送風溫度在22 ℃以上可避免吹風不適感.楊宇等［13］在低溫環境采用小腿送風的方式局部供暖，改善了人體熱舒適性.在偏熱的環境中，談美蘭等［14］研究發現空氣流動可在一定程度改善人體的熱舒適性，但風速過大也會導致人體不舒適.阮立揚［15］研究了偏熱環境中風扇吹風對人體熱舒適性的影響，發現增加風速可顯著改善中等濕度環境下的熱感覺，但當風速超過1.3 m/s后，則會產生明顯的不適感.

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

1 研究方法

1.1 實驗條件

實驗在人工環境實驗室內進行，實驗室分為外室與內室：外室配有工況機調節空氣溫濕度，模擬外界環境；內室依據南京地區居民樓設計，模擬實際用戶住所，房間尺寸為6.4 m×6.2 m×3.0 m.內室的長、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.樣機、室內溫度測點及受試者位置如圖1 所示.實驗主要測量的參數為：室內溫度、室內風速以及出風溫度，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、下送風和分布式送風的家用熱泵空調進行測試，三者均3 匹機，變頻一級能效.中送風空調出風口為長條形，出風口下沿距離地面0.50 m，制熱時水平送風；下送風空調出風口為方形，出風口下沿距離地面0.05 m，制熱時水平送風；分布式送風空調具備上下兩個風口，上風口下沿距離地面1.70 m，下風口下沿距離地面0.05 m，制熱時上風口斜向下送風，下風口水平送風，三臺樣機的風口位置如圖2所示.

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

基于用戶使用習慣設定空調目標溫度.前30 min，空調目標溫度設定30 ℃；后30 min，將其設定為27 ℃，分別考量升溫過程和室內環境達到熱穩定狀態后送風方式對室內熱環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，控制風機轉速使三者風量相同，同時調節系統參數保證出風溫度偏差在±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荷不變.

表2 實驗工況Tab.2 Test conditions

1.3 實驗流程與調查問卷

實驗開始前，受試者先在環境溫度為26 ℃的空調房停留5 min，以便身體狀態恢復至穩定，并填寫個人信息；然后穿軍大衣進入環境溫度為-5 ℃的外環待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填寫一次至實驗結束.每次實驗持續進行1 h.

問卷調查內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.調查中使用的標度見表3.采用風速儀測量并記錄受試者局部位置附近風速.

表3 調查問卷投票標度Tab.3 Questionnaire voting scale

2 結果與分析

2.1 室內熱環境分析

實驗的前30 min，設定溫度為30 ℃，測點溫度快速上升，室內環境處于動態溫升階段；實驗的后30 min，設定溫度降低到27 ℃，溫升速率變慢；實驗的最后10 min，室內平均溫度接近設定溫度，且隨時間變化波動較小，室內環境達到熱穩定狀態.對實驗前30 min 和最后10 min 的環境參數進行分析，研究不同送風形式下動態和穩態的室內熱環境.

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，其結果如圖3 所示.中送風出風口底端距離地面0.50 m，熱風直吹人體軀干和頭部，其周圍空氣溫度上升快；熱風上浮使得空間下層熱風少，足部空氣溫度上升慢.下送風出風口貼近地面，熱風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.分布式送風上風口斜向下送風，熱風直吹人體頭部和軀干，其周圍空氣溫度上升快；下風口水平送風，足部空氣溫度上升也較快.

圖3 不同送風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，中送風可快速提升人體頭部和軀干的空氣溫度；下送風可快速提升人體足部的空氣溫度；分布式送風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：室內環境達到熱穩定狀態后，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，垂直溫差上限值應不大于3 ℃.室內熱環境穩定后，不同送風方式下，各個水平面的平均溫度如圖4 所示.由圖可知：中送風垂直溫差接近6 ℃；下送風垂直溫差接近0 ℃；分布式送風垂直溫差在2 ℃左右.下送風與分布式送風的垂直溫差均在3 ℃以下，滿足標準規定.

圖4 不同送風方式下室內垂直溫度分布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.中送風出風口距離地面較高，熱風受浮升力影響向上運動而無法加熱靠近地面的區域，0.1 m 處平面溫度最低，垂直溫差最大.下送風出風口貼近地面，熱風貼附地面流動，0.1 m 處平面溫度最高，垂直溫差最小.分布式送風下風口水平送風，熱風貼附地面流動提升了空間下層空氣溫度；上風口斜向下導風，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，分布式送風與下送風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：室內環境達到熱穩定狀態后，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］規定，室內溫度均勻度應不大于2 ℃.室內熱環境穩定后，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.室內溫度均勻度為實驗最后10 min 瞬時溫度均勻度的平均值.不同送風方式下的室內溫度均勻度如圖7 所示，由圖可知：中送風溫度均勻度最大，為2.9 ℃；下送風溫度均勻度為2.3 ℃；分布式送風溫度均勻度最小，為1.9 ℃.

圖7 不同送風方式下溫度均勻度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，中送風垂直溫差最大接近6 ℃，而下送風和分布式送風垂直溫差小于3 ℃，溫度分布均勻性更優.在水平方向上，中送風和下送風在出風口附近熱量集中，水平溫度梯度較大，溫度分布不均；分布式送風上下出風，風量被分散避免了局部區域溫度過高，不同位置的空氣溫差不超過5 ℃，溫度分布均勻性更優.因此，分布式送風在水平和垂直方向上溫度分布均勻，溫度均勻度最小，營造的室內環境更舒適.

2.2 動態熱舒適性分析

實驗的前30 min，受試者的熱感覺和熱舒適均處于動態變化的過程.對受試者前30 min 的問卷數據進行分析，研究不同送風方式下受試者的動態熱舒適性.

2.2.1 動態整體熱感覺

熱感覺是指人體由熱環境得到的冷熱刺激所產生的主觀感覺.圖8 為不同送風方式下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，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 時分布式送風和中送風的整體熱感覺投票為0，受試者整體熱感覺適中，但下送風的整體熱感覺投票為-0.7，受試者仍感覺較冷.

圖8 動態整體熱感覺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.與下送風相比，分布式送風和中送風可以直接加熱對整體熱感覺影響較大的胸背部，因此，分布式送風和中送風可以更快地提升受試者的整體熱感覺.

2.2.2 動態整體熱舒適

熱舒適是指人對周圍熱環境所做的主觀滿意度評價.圖9 為不同送風方式下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.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，分布式送風的整體熱舒適投票更高，受試者對熱環境滿意度上升更快.

圖9 動態整體熱舒適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，分布式送風上下出風，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，軀干和頭部空氣溫度上升更快；而下送風，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，與中送風和下送風相比，分布式送風可以更快地提升受試者的整體熱舒適度.

2.3 穩態熱舒適性分析

實驗的最后10 min，受試者的熱感覺和熱舒適基本處于穩定狀態.對受試者最后10 min 的問卷數據進行分析，研究不同送風方式下受試者的穩態熱舒適性.

2.3.1 穩態局部熱感覺

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

圖10 為不同送風方式下，送風區域內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；分布式送風中間位置頭部和足部的空氣溫度在26 ℃左右.因此，中送風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；分布式送風各部位的熱感覺投票都大于1，均處于較暖的狀態，局部熱感覺差異最小.

圖10 穩態局部熱感覺Fig.10 Steady-state local thermal sensation

綜上所述，在送風區域內，分布式送風的受試者各部位感覺較暖，局部熱感覺差異最小.

2.3.2 穩態整體熱感覺

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

圖11 穩態整體熱感覺投票率Fig.11 Steady-state overall thermal sensation voting rate

由圖11 可知：3 種送風方式下，超過80%的受試者整體熱感覺投票都在“熱側”；中送風和下送風仍有一部分受試者處于“冷側”；分布式送風受試者整體熱感覺投票都處于不冷的狀態.室內熱環境達到穩定狀態后，不同送風方式下，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.與中送風和下送風相比，分布式送風溫度均勻度最小為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 穩態整體熱舒適

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 為不同送風方式下整體熱舒適投票率.

圖12 穩態整體熱舒適投票率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；分布式送風和下送風，有75%左右的受試者感覺舒適，而中送風，感到舒適的投票比例下降到60%左右.這是因為中送風垂直溫差接近6 ℃，部分受試者處于“頭熱腳冷”的狀態，局部不適影響了受試者的整體熱舒適.分布式送風和下送風垂直溫差小于3 ℃，局部不適對整體熱舒適的影響小，提升了受試者對熱環境的滿意度.因此，與中送風相比，分布式送風和下送風更能提升受試者的整體熱舒適.

2.3.4 穩態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.為獲得穩定狀態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；A0為擬合常數；LTSf、LTSb和LTSh分別為足部、軀干和頭部熱感覺投票.

擬合結果為：

其中，R2=0.96，相關性較好.擬合結果與實驗結果的絕對偏差主要處于±0.2 的范圍內，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.在送風區域內，分布式送風和下送風顯著提升了受試者足部的熱感覺.因此，與中送風相比，下送風和分布式送風的受試者對熱環境更滿意.

3 結論

本文采用客觀環境參數測試和主觀問卷調查相結合的方法，對3 種家用熱泵空調送風方式的熱舒適性進行了研究與分析，結果表明分布式送風熱舒適性的綜合效果最好，具體結論如下：

1）初始背景溫度為0 ℃時，分布式送風可快速、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）室內熱環境穩定后，相比于中送風和下送風，在分布式送風作用下，溫度均勻度最小為1.9 ℃，在該環境中處于送風區域內的受試者各部位感覺較暖，局部熱感覺差異最小，其余區域內的受試者都不覺得冷.

3）對穩態局部熱感覺與整體熱舒適的擬合結果表明，不同送風方式下，對整體熱舒適影響最大的身體部位是足部.與中送風相比，下送風與分布式送風的垂直溫差小于3 ℃，在送風區域內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境感到滿意.