空調送風口高度對室內熱舒適性影響分析

李曉川

中機意園工程科技股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

空調目前被大范圍使用，人們對于室內熱舒適性的需要標準，也在持續提升。以長時間待在室內的人員角度而言，適宜的氣流速度、溫度環境，有利于優化其熱舒適性。

1 室內熱舒適性的影響因素

1.1 空氣溫度

其屬于主要條件，關系到人體借助對流與輻射，實現顯熱交換的效果，相較于其他條件來說，人體感知溫度的靈敏度較高。而人體對于所處環境的冷熱感受，是極為敏感的。

1.2 輻射溫度

其均值是受到環境表面溫度的影響。現實生產生活條件下，空氣溫度與輻射溫度均值大多是有差別的，機體經常會在發生局部受熱的同時，其他部分受冷。因而，探究輻射溫度的平均值和分析空氣溫度偏差、不對稱的散熱及受熱在人體生理及反應體會上的影響相比，確認允許限值是極為關鍵的[1]。

1.3 氣流速度

室內熱環境下，氣體流動可以使人體接觸到新鮮空氣，并提高人體散熱的速度，產生降溫的感覺，讓人體快速處于熱舒適的狀態中。但如果氣流速度過快，容易形成吹風感，所以要注重流速的控制。

1.4 環境濕度

該室內條件同樣會對人體熱舒適性有某些影響，具體反映在蒸發熱損失上。在相對濕度處于40%～70%之間，人體能夠保持較為穩定的蒸發狀態，此時氣體流速較為重要。假設空氣靜止，會導致接觸皮膚的空氣，水蒸氣分壓力偏高，影響人體正常的蒸發散熱，引起不適感。在高溫條件下，相對濕度如果超過70%，同樣會產生不適感，嚴重程度會在濕度提高的同時加重。結合既有研究顯示，相對濕度處于70%～80%之間，和不足70%的環境相比，會引起人體更加強烈的不舒適感。而且相對濕度過大，會導致建筑受潮，甚至形成凝結水。反之，相對濕度在30%以下，也會產生不適感，并使人體容易患上呼吸道疾病。這是因為濕度會對汗液分泌有影響，關系到皮膚表層濕度，這也是判斷人體熱舒適性的關鍵條件之一。在皮膚濕度處于25%，和衣服的摩擦感會增強，如果超過25%，舒適感會大打折扣。這種現象是因為相對濕度偏低的狀態下，熱感覺是熱舒適性評價指標，如果是高濕度，熱感覺無法準確衡量熱舒適性[2]。除上述影響因素外，還應當考慮PMV（見表1），其是根據人體熱平衡偏離情況的熱負荷進行評價。在熱負荷增大中，人體的熱舒適感越差。

表1 PMV熱感覺標尺

2 空調送風口高度對室內熱舒適性的影響探析

以送風口高度為例，分析其對于冬季室內熱舒適性的影響。下文所述的模擬試驗，送風方式為上送上回，借助調整機組頻率，控制實際風速。同時，利用改變門口開度，調整室內的熱負荷。空間外墻溫度值是10℃、屋頂溫度是20℃，送風口速度是3m/s，溫度是26℃。

2.1 室內溫度

2.1.1 數值模擬。氣流整體趨勢一致，送風口高度在4.5m的情況下，高溫氣體會在送風傾角的影響下，來到室內下部區域。在送風射流速度放緩與熱浮力的影響中，高溫氣體逐漸升高至屋面周圍。空氣幕形成于人員活動區域（室內2m以下），所謂的空氣幕就是空氣射出一段距離后，形成多股平行且非等溫的射流，令室內接近中央的區域溫度略高。在送風口高度達到6.5m，高溫氣流逐漸下降，但因為流速降低與浮升力影響，沒能下降到活動區域，最終提高至屋面周圍，空氣幕則形成于室內上方。此時，人員活動區域的溫度條件分布均勻，而室內整體溫度和送風口高度在4.5m時相比偏低，差值在1.5℃左右。在送風口為8.5m高，基本規律一致，空氣幕形成于非活動區域，并且略超過送風口高度在6.5m的情況。

2.1.2 采樣點溫度值結果。空調送風口的高度位置變化，會引起室內溫度起伏。受到熱浮力的影響，送風口處于不同高度時，室內上方溫度略高。而上下溫差（其中空間凈高是900mm），在送風口位于8.5m的情況下，溫差接近7℃；空調送風口高度為4.5m，溫差在1℃以內，由此提升至空氣幕下，產生兩處隔斷層，令室內不足2m與超過5m的區域，溫度分布均勻。并且2m之下的區域，在送風口高度是4.5m時，溫度值達到最大。而形成分界線的主要原因是熱浮力的影響，送風口處于不同高度上，空間內上部溫度普遍高于下部分度。超過5m的區域，會在送風口達到8.5m時，達到最高溫。其余部分的溫度則是和送風口高度的同步變化。

2.2 氣流速度

2.2.1 數值模擬。在大面積室內中，空調30°傾角輸出的氣體射流，會影響到周邊較多的空氣，卷吸氣流基本都從空間上部氣流而來，產生較大的渦流，同時，空間下部也產生規格相對偏小的渦流。該種現象主要是因為送風射流沿程一直卷吸室內下部空氣，并順著墻壁下降導致。另外，受到初始動量與浮升力的雙重影響，上升熱氣流會直至屋面，和其內表層實現換熱。等到氣流冷卻后，會順著兩側壁面降低高度，受到射流卷吸的影響，進入空間下部，產生有規律的移動。在靠近空間側墻的位置，因為外墻冷壁面對流效果，令氣流速度加快，對流反應也更加明顯。這導致熱氣流停在室內上方，引發熱量額外消耗。此外，壁面附近的自然對流相撞下，產生水平方向熱風幕，可以阻斷下方熱空氣上升，而向下的氣流則是維持溫度的關鍵力量，令活動區域溫度提高[3]。

送風口高度處于6.5m，上方氣流渦流繼續上升，并且在送風口位置提高中，空間內活動區域的氣流速度較為勻稱，風速均值在0.2m/s左右。送風口高度在4.5m的情況下，0.2m平面與房間中心平面（空間寬度方向上的9m處），都形成高風速狀態，均超過0.5m/s，這會令人體有吹風感。在送風口高度提升至8.5m，室內中下部的風速較為均勻，活動區域內的風速下降，約有0.1m/s。由此總結出，在受熱浮力的作用下，在送風口高度提升中，室內下部空間的速度會減慢。

2.2.2 采樣點溫度值結果。空調送風口安裝位置，在垂直方向上的各個高度風速沒有明顯改變，大多不超過0.2m/s，并且空間下部區域的風速相對較小，天花板附近的風速波動比較明顯。不同室內空間條件下，送風口位置的影響會有差別。

其一，房間水平方向上為3m，垂直高度是0.2m及1.2m，在送風口附近的區域，送風口高度在4.5m時，水平0.2m與1.2m的位置，風速出現變化，并且后者波動更加明顯，在0.1-0.6m/s區間中。送風口高度上升至6.5m與8.5m，水平0.2m與1.2m的位置，風速基本沒變，均未超過0.2m/s，而且在送風口高度提升中，這兩處的溫度有所下降。其二，房間水平方向上6m處。送風口在4.5m的位置，水平0.2m與1.2m位置的風速出現起伏，區間在0.1-0.5m/s。送風口在6.5m與8.5m，兩個水平高度的風速都沒有太大變化，未超過0.2m/s。其三，房間水平方向上為9m的位置。因為和送風口有一段距離，僅有送風口高度是4.5m的情況下，兩個水平高度上，即0.2m和1.2m平面，接近墻體的區域風速有所變化，浮動區間在0.3m/s以下。其余送風口位置，兩個水平高度上風速基本穩定，起伏區間未達到0.15m。

2.3 熱舒適度

2.3.1 數值模擬。在熱舒適性空調房內，主要是根據人體感受加以衡量，而舒適度感受和諸多條件有關，可選的評價指標也較多。此處選擇有效溫度差（△ET）去衡量舒適感。有效溫度差能夠體現出溫度與速度，在人體感受方面的整體效果。相關表達式是：

其中，△ET是指有效溫度差，單位是K；Ti與Tn分別代表空間內某處的空氣溫度與既定室內溫度，假設內壁面溫度和空氣溫度相同，單位是K；ui是指空間內某處空氣流速，單位是m/s[4]。

在△ET處于-1.7到+1.1K以內，大部分人會有舒適感。為有效分析室內人群活動范圍的空氣溫度及速度在人體熱舒適性上的影響，此處Tn的取值是293K，并挑選常規的平面觀察方法。具體來說，在送風口的標高位置（Z）從0.2m提高至6.5m，室內整體的有效溫度差隨之提高，標高為0.2m的平面處，有效溫度差在-1.7K以上，在熱浮力的影響下，非活動區域的有效溫度差超過1.1K活動范圍增加，在2m高度以下，有效溫度差處于舒適狀態數值區間的范圍擴大。因為受熱浮力的作用，超過2m的室內部分，有效溫度差高于1.1K的區域擴大。并且氣流本身在上下平面中會有渦流，該部分的有效溫度差均高于1.1K。而在此區域內，空調送風口位置高度提升中，△ET隨之提高，可以明顯發現，在標高位置達到4.5m，氣流的下渦流△ET超過1.1K部分，轉移至室內2m高度下的區域，令人體產生不適感。在送風口高度達到8.5m，會受到熱浮力與送風口高度太大的雙重影響，室內形成有較大差別的△ET分層，而室內上方區域的△ET均高于1.1K。而兩個差別極大的區域之間，僅存在非常小的過渡段。對于此種情況，應當是由于熱氣流在射出一段長度后，匯集成若干平行但溫度不相等的射流，水平方向上產生空氣幕，除了空氣幕過渡段外，幾乎沒有△ET處于舒適數值范圍的區域，這時室內空間的不適感會有所降低。

2.3.2 分布特性。由于大部分人在△ET處于-1.7K到1.1K區間中的室內感覺舒適，因而在衡量空氣分布中，可選擇“達到舒適標準△ET的測量點占比”，也就是空氣分布特性（ADPI）加以判斷。假設室內人群分布均勻，ADPI的相關表達式為：

ADPI正好為100%，說明室內所有人員均對熱舒適性感到滿意。通常情況下，室內ADPI至少要達到80%，而在大環境中，80%的標準很難達成。為有效分析人員對于空間熱舒適性的滿意度，垂直角度上，2m以內是人員活動范圍。綜合各方面來看，由于受熱浮力的作用，非活動區域的有效溫度差，均高于1.1K；而活動區域，會在送風口位置升高的同時，△ET下降，高度達到4.5m，活動區域的ADPI約是70%，高度達到6.5m，活動區域ADPI直接升至100%，送風口高度達到8.5m，活動區域ADPI直接降至0%。由此來看，室內空間中心位置，送風口高度是6.5m，人員活動區域最為適宜。水平角度上，人體小腿與坐下時頭部位置，△ET在送風口升高中，沒有太大的改變。在送風口高度處于4.5m與6.5m時，小腿與坐下時頭部的位置，△ET始終在舒適區間，而且ADPI也可以穩定在90%以上。但送風口高度設定在8.5m，小腿與坐下時的頭部位置，△ET均未達到-1.7K，并且ADPI數值是0%。綜上所述，送風口位于4.5m與6.5m的高度時，人體小腿與坐姿頭部位置，均有較好的熱舒適性，但高度為8.5m，會產生明顯的不適感。

3 結束語

總之，室內熱舒適性是確定室內空調位置的重要考慮對象。結合上文分析結果，建議根據房間實際大小，調整送風口的高度，降低吹風感，提高溫度分布的均勻性，以此保障人體的舒適度。