柜式空调出风方式对人体舒适性影响的研究

吴欢龙 姚紫薇 张旭阳

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们对家用电器的高品质与使用的舒适性需求日益增长，空调作为温度调节器为人们在抵挡炎热或寒冷空气的侵袭上发挥了巨大的作用，然而传统空调的出风方式已无法满足人们的舒适性体验需求。合理的出风方式对人体舒适度的研究对用户与企业意义重大。

人体系统自身是具备温度自适应调节功能的[1]，但调节范围有限，长时间直吹身体易失去温度平衡，老人、婴幼儿、病人群体最怕风口直吹。冷气流的直吹对人体影响最为明显，为了避免冷风直吹，用户会采取各种办法将出风口避开人体，所以冷风对人体的舒适度除了均匀控温外，主要考虑冷风不直接吹人。人体四肢温度通常低于躯干温度，尤其在天气寒冷时，血管收缩导致血液回流能力减弱，手脚的神经末梢更容易循环不畅。国际标准化组织在ISO 7730标准中以相关指标描述和评价热环境[2]，热气流作用于人体时，人体头脚温差越大，人的不满意度越高。同时“热风从脚起”已成为主流声音，因此热风对人体的舒适性问题关键在于缩小热温差的同时重点关注头脚温差问题。

针对空调不同送风方式对人体舒适度的影响，谈美兰等[3]研究发现，在高温环境中，空气流动可以一定程度改善人体的热舒适性，但风速过高也会导致人体不舒适。杨宇等[4]在低温环境下采用小腿送风的方式局部供暖，可以一定程度改善人体的热舒适性。Chludzińska等[5]在温度为18℃的条件下以0.35 m/s的风速对脸部和脚部送热风，发现热风送向脸部对人体热舒适改善更显著。目前大多数研究学者会通过实验测试或数值模拟来分析单一的送风方式对人体的舒适性，较少将柜机冷、热送风对中国人实际身高下人体舒适性的影响进行研究。基于此，本文采用CFD软件进行制冷温度场的模拟计算，同时将上下出风式柜机与传统上出风式柜机进行热舒适性实验对比分析。

柜式空调经过几十年的发展，其送风方案主要分为如下三类：

（1）传统方形柜式空调：冷、热风上部出风，导风叶片送风。传统方形柜式空调下部进风，上部出风[6]，如图1所示。导风板方向可调节，以避免冷风直吹。但上部出热风时，热气难以下沉，导致空间内热度不均匀，易出现上热下冷的情况，用户的热舒适性体验不佳。

图1 传统方形柜式空调送风方式

（2）新型圆柱式柜机1：冷、热风纵向出风，导风叶片送风。其出风口为纵向集中出风式，多具备冷或热出风模式。在人体活动的空间高度内，送风面积相对更均匀，但无法有效避免冷风直吹的问题。同时无法保持热风向下的聚集状态，用户的冷、热舒适性均不理想。

（3）新型圆柱式柜机2：冷、热风纵向出风，导风叶片上中下三段式送风，部分导风叶片带有微孔。开启“无风感”模式时，导风板会闭合遮挡出风口，出风气流则会通过导风板上的微孔流出，将集中的气流改变为气丝，从而实现无风感的效果[7]。用户可以选择其中一段集中送风，其他段以微孔方式出风达到不同高度送风效果，但会降低效率。

1 研究方法

针对市面上各类柜机出风方式对人体舒适性问题的考虑，下面将从冷风不直吹人，热风从脚起及固定空间内温度均衡性角度出发，对一款市面上已经量产且具备冷、热上下出风式的柜机，进行不同人群身高下CFD制冷温度场分析，以及将此款柜机与传统柜机进行热舒适性实验。

1.1 中国人均身高与柜式空调高度人机关系

上下冷热出风式柜机，主要是机体顶端及底部同时送风的新型结构形式，区别于多段式导风板送风结构形式，该柜机不需要改变单位时间内空调原有制冷量或制热量。本文重点研究中国国内柜机对国人舒适度的影响。

上下冷热出风式实验柜机高度为1858 mm，如表1、表2、表3所示为中国人均身高[8]（成年人与老年人取人体身高尺寸的第90百分位，未成年人取平均身高值），包含未成年男性、未成年女性、成年男性、成年女性、老年人男性、老年人女性。

表1 未成年人平均身高

表2 成年人平均身高

表3 老年人平均身高

中国90%的成年人与老年人人均身高等于或低于1764 mm，由于未成年人身高均值均低于1764 mm，因此在实验中取1764 mm为人体舒适性实验高度值，以判断上下冷暖出风对人体舒适性的影响情况。

1.2 CFD仿真实验条件

运用CFD仿真模型进行固定空间冷风实验模拟和热风实验模拟，其仿真计算域按1:1等比建造实验室环境模型，三维模型面积为39.53 m2，长×宽×高为6.46 m×6.12 m×3 m，仿真空间和柜机摆放位置如图2所示。柜机出风方向设定为对角线固定方向（因为柜机空调出风口导风板为可左右摆动，所以其他位置通过调节挡风板都可直线吹到，故本文重点研究出风口直线距离上的舒适度），截取核心直线出风面积为21 m2，长×高为7 m×3 m。

图2 CFD仿真空间模型示意图（俯视图）

1.3 仿真实验样机与工况

模拟某款柜式空调器的实际使用场景，此柜机为3匹变频一级能效柜机。如图3所示，柜机上出风口下沿距地高度为1.75 m，下出风口下沿距地高度为0.05 m，上出风口出风时斜向上出风，下出风口出风时水平出风。回风口设置在空调的背侧，回风口下沿距地高度为0.56 m，回风口长为0.95 m、宽为0.41 m。空调制冷运行时仅上出风口出冷风，制热运行时设定两种状态：状态一为上出风口和下出风口同时出热风，状态二为仅上出风口出热风。

图3 仿真空间高度标记与柜机出风示意图

在制冷舒适性实验中，额定电压220 V，空间内初始温度设置为32℃，空调风量1100 m3/h，冷风出风温度为16℃，导风板调到默认出风位置。模拟空调制冷运行状态，分别取第5分钟、第20分钟、第30分钟、第60分钟仿真结果，并通过风速轨迹判断其是否直吹人体从而影响人体舒适度。

在制热舒适性实验中，额定电压220 V，空间内初始温度设置为2℃，室外温度-5℃。热风出风温度为48℃，导风板调到默认出风位置，辅助电加热处于默认状态，取第60分钟测试结果作为判断数据。为对比上下两种出风方式的优劣性，按照两种制热出风状态进行实验。

1.4 CFD计算模型

本文使用FLOEFD软件进行流体仿真，采用airpak流体分析软件建立模型，按在软件中使用统计方法求解，采用非稳态控制方程来模拟空气流动，如下：

质量连续方程：

动量守恒方程：

式中：ρ-空气的密度，单位为kg/m³；P-空气静压，单位为Pa；ρgi-在i方向上的体积力，单位为N/m³；Fi-由热源引起的源项；μ-运动粘度，单位为Pa•s。

空间差分格式采用MARS二阶进度计算，密度项可采用CD方法，求解器采用AMG算法；使用非稳态模型，雷诺时均方程-RANS方程。

连续方程：

动量方程：

式中：ui表示略去平均符号的雷诺平均速度分量，单位为M/s；ρ为密度，单位为kg/m3；p为压强，单位为Pa；u'i为脉冲速度，单位为M/s；σij为应力张量分量，单位为Pa。

使用Simcenter FLOEFD基于FavreAveraged Navier-Stokes模型。在边界条件上，柜机做上下两出风口，两出风口根据实验要求在计算中给定送风速度、送风温度及一定的紊流度。模拟室内空间的六个内壁均按绝热恒温边界条件给定，温度为26℃。离散方法采用有限体积法对偏微分方程进行离散求解。收敛标准的确定：能量方程的残差小于10-6，其余方程的残差小于10-3。

采用软件自动网格划分，仿真计算模型网格总数共878355个，划分类型为正六面体，模型和网格划分如图4所示。

图4 CFD仿真模型和网格划分示意图

2 结果与分析

2.1 制冷舒适性分析

运用CFD仿真模型进行固定空间冷风模拟。作制冷仿真空间温度云图，其中绿色为舒适区22℃～26℃（夏天室内舒适温度区间）。如图5至图8所示为模拟实验室环境中，截取第5分钟、第20分钟、第30分钟、第60分钟的仿真对角线视图。观察冷气流流动方式和方向，冷气受重量和流体推动方向移动，在5分钟时，冷气已快速充满空间。因为冷气下降和空调工况运作，当在20分钟时，空间温度已开始接近舒适温度。在30分钟时，空间温度达到舒适温度，在之后空间温度维持舒适温度不变。

图5 CFD制冷温度场（5分钟实验值）

图8 CFD制冷温度场（60分钟实验值）

垂直温差影响温度舒适性，当柜机达到稳定的运行状态时（30分钟），空间上部的冷空气受重力影响向下运动至下部区域。如图7所示，此时空间温度基本维持在24℃～25℃，用户无论是坐姿（距离地面1.1 m～0.1 m）、站姿（距离地面1.7 m～0.1 m），垂直温差都维持在1℃内。根据ISO 7730-2005[9]标准提出的垂直温差上限值应不大于3℃，满足标准规定。

图6 CFD制冷温度场（20分钟实验值）

图7 CFD制冷温度场（30分钟实验值）

图9是通过测量风速进行描点的轨迹曲线图，上下沿曲线对应点则是风的轨迹与覆盖范围，将实验身高值按站立高度进行评估。可以看到冷风直吹轨迹均高于实验身高值1.764 m，故该实验机不会出现对人体冷风直吹的舒适性问题（图9浅蓝色区域为实验最高身高活动范围）。在冷风制冷条件下，斜向上的出风方式既不会直吹到人，又可以在较短时间内（20分钟）让空间温度快速到达舒适温度。

图9 冷风风速描点轨迹曲线图

为研究室内各个位置的舒适度，对制冷温度均匀度进行研究。图10是在制冷时间到达30分钟时，模拟用户坐姿、站姿，分别在距离地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的温度云图，各云图温度主要集中在24.5℃～26℃，温差1.5℃。GB/T 33658-2017[10]规定，室内温度均匀度应不大于2℃。故在制冷环境下，上出风口出冷风符合标准。

图10 制冷模式不同高度水平面的温度云图

2.2 制热舒适性分析

进行固定空间制热模拟，并对仿真结果进行分析。为比较上下出风与单上出风的舒适度，进行两种状态仿真：状态一为上出风口和下出风口同时出热风，状态二为仅上出风口出热风。作制热仿真空间温度云图，其中黄色为暖区23℃～25℃（冬天室内舒适温度区间）。

在垂直温差上，如图11和图12所示，因为暖空气轻于冷空气会上升，当模拟运行到60分钟时，空间温度达到稳定状态。通过制热模式下，上下出风式柜机与上出风式柜机的截断房间云图可观察到，上下出风的房间云图热力均匀度更高，而上出风式房间云图热力呈现上热下冷的状态。通过测量其温度值，图11所示的制热模式下，上下出风截断图中，可看到上下出风式垂直温差在0.3℃左右，温差较小；而图12所示的上出风式垂直温差在9.4℃左右，温差较大。上下出风形式的垂直温差小于标准规定的3℃；而单上出风形式的垂直温差大于标准值。因此在制热模式下，上下出风式柜机的热舒适性更高。

在温度均匀度上，图13为在上下出热风，制热时间到达60分钟时，分别在距离地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的温度云图。距离地面0.1 m处温度较高为27℃，有利于脚部保暖；距离地面1.1 m和1.7 m的温度差在1℃，符合上文中的标准。图14为在仅上出热风且制热时间到达60分钟时，分别在距离地面0.1 m、1.1 m、1.7 m的温度云图。距离地面0.1 m处温度较低为21℃，脚部感受不到温暖；距离地面1.1 m处温度分布在25℃～28℃，温差较大；距离地面1.7 m处温度分布在29℃，温度较高，头部温感不适。故制热模式下，上下出风式较上出风式柜机的空间内温度更均匀，且空间下部温度更高，更符合人体对“暖风从脚起”及热度均衡的热舒适性需求。

图13 制热状态一下不同高度水平面温度云图

图14 制热状态二下不同高度水平面温度云图

3 结论

本文针对行业内各类柜机冷热出风舒适性差的问题，通过新型上下冷热出风柜机仿真及实验对比，可以得出如下结论：

（1）制冷模式时，上下出风式柜机上出风口出冷风，柜机冷气流直吹轨迹范围高于90%以上中国人平均身高值，不会出现冷风直吹的情况，且由于冷空气密度大，冷空气会下沉，使得室内温度相对更均衡，符合人体制冷舒适性需求。

（2）制热模式时，相较传统上出风式柜机，上下出风式柜机上出风口和下出风口同时出热风，柜机可以实现热风吹脚，并避免热气流直吹人脸造成的不舒适问题。同时由于热空气密度小，热空气上浮，使得室内温度同样更均衡，上下出风式柜机房间温差可以控制在2℃以内，相较传统柜机温差9.4℃，均衡性显著提升，符合人体制热舒适性需求。

（3）新型上下出风式柜机可以较好地解决行业里传统柜机制冷、制热对人体造成的不舒适性问题，在结构上可以实现冷风不直吹人，“暖风从脚起”的效果，同时符合冷风下沉、热风上浮的物理属性，空间温度更均衡，人体的舒适性更高，对市场及用户具有较好的推广价值。