不同送风方式下室内热舒适性的比较

潘李丹 亢燕铭 钟 珂

东华大学环境与工程学院

不同送风方式下室内热舒适性的比较

潘李丹 亢燕铭 钟 珂

东华大学环境与工程学院

随着人们对室内空气品质和节能的要求日益提高，置换通风、地板送风和碰撞射流通风等送风方式也逐步得到推广应用。本文利用实验方法实测了传统的混合通风与这三种送风方式下空调房间的室内温度和气流速度，对不同送风方式下室内温度分布、气流分布和热舒适性进行分析比较。

送风方式热舒适性热环境碰撞射流

传统的混合通风系统以高射流惯性力为动力，即使该系统通风效率低且耗能，仍占有大部分市场。置换通风系统通常地面送风，室内的低温空气受热浮力的作用上升，形成温度分层，工作区的热舒适性和空气品质良好，然而置换通风系统只适用供冷。

近年来瑞典基于碰撞射流原理发展了一种新的气流组织形式[1]。碰撞射流作为中等动量送风系统结合了混合通风和置换通风的优点：碰撞射流系统送风动量比置换通风高，所产生的射流可使空气在地面均匀蔓延，类似置换通风在工作区下部形成一个干净的区域[2]。本文以夏季作为典型工况，对四种送风方式的热舒适性进行了研究。

1 实验设置

实验在全比例模型人工气候室内进行。该气候室位于实验室房间内，长3.6m×宽3.0m×高2.6m，相当于一个小型办公室。气候室内有多个双层百叶风口，尺寸均为0.24m×0.34m。混合通风送风口置于天花板处，冷气流直接射入下部区域；置换通风和地板送风的送风口分别位于墙面下侧和地面；碰撞射流的空气由圆形风管送入室内，圆形管截面直径为0.2m，风管从天花板延伸到距离地面0.6m高度处。

实验室内装有三盏日光灯（36W×3），一台电脑主机模型（0.5m×0.27m×0.295m长方体内置200W灯泡），两个人体模型（0.52m×0.42m×1.2m长方体内置100W灯泡）。风速变送器HD403TS和温度变送器EE80-2CT6分别用于测量室内各测点的风速和空气温度，风速变送器测量风速范围为0.05～5.00m/s，精度为±（0.03m/s+2%f.s.），温度变送器测量范围为-5～55℃，精度为±0.3℃。测试仪器安装在测杆上，各高度的温度可同时测得。此外风速仪9535用于测量送风口的送风温度和风速，风速测量范围为0～30m/s。

本实验包括四种工况，实测了各种送风方式的温度和风速，并对受试者进行热舒适性的主观调查。实验条件如表1所示。

表1 实验条件

参加实验的3名受试者全为在读学生，其中1名男生2名女生。受试者的基本情况如表2所示，参照其他类似实验，要求受试者身体健康，参加实验前具有良好的睡眠以及饮食，且不应喝过含酒精的饮料。

表2 受试者基本情况

受试者进入气候室之前按实验要求整理服装，由实验人员向受试者介绍实验内容以及实验过程中所要注意的事项。受试者进入气候室后按事先安排好的位置坐下，在实验过程中受试者可以阅读书报、操作手机或轻声交谈，但不能交流实验过程中对热环境的评价。受试者在气候室内先静坐30 min后开始正式实验，从开始接受第一份问卷开始每隔5分钟填写一份问卷，调查历时30 min，每人需要填写7份问卷。实验室布置图如图1所示。

图1 实验室布置图

实验中的受试者的服装为夏季标准着装，上身穿夏季薄质长袖或短袖衫，下身穿长裤。受试者问卷内容包括：受试者的个人资料、热感觉投票。热感觉投票TSV采用7个等级的衡量标准。投票标尺见表3。

表3 热感觉投票标尺

2 实验结果和分析

本文通过温度、速度和热舒适性三个参数分析了各种送风方式的通风特性，并从人体热舒适理论出发探究不同送风方式的人体热感觉。

2.1 温度分布

图2为不同送风方式各测点的温度梯度。由图中可以看出，各种送风方式各测点的温度随高度基本呈上升趋势，这是室内热源作用的结果，空气受热浮力的影响上升使得上部区域气温较高。混合通风0.1～1.7m高度范围内所观察到的垂直方向温度没有明显变化，表明混合通风空气混合度高温度分布均匀；置换通风0.1～1.1m高度处的温度变化幅度相当大，温度梯度大，而1.1m以上的温度相对均匀，出现明显的分层现象。这是因为置换通风送风速度很小，送入室内的冷空气利用自身的重力向四周缓慢平铺，在近地面处形成空气湖，上升的气流产生紊流区。地板送风各测点的温度梯度较相似，温度变化范围在19～23℃，室内温度较低。由于碰撞射流送风口的位置距离测点2较近，该测点0.1～1.1m高度处的温度梯度相较其他测点特别大。中动量出流的气流与地面发生碰撞后在近地面处扩散到一定距离后向上回流，气流与室内空气混合，使得近风口处的下部区域温度梯度较大。

图2 各种工况各测点的温度梯度

工作区的空气温度分布情况决定着室内热舒适性，较大的垂直温差会让人不舒服。按照ISO7730标准[3]，地面以上标高0.1m处和标高1.1m处的空气温度之差必须小于3℃，这是考虑坐着的情况。在考虑站立情况时，美国ASHRAE55-92标准[4]建议标高0.1m和1.7m之间的温差不大于3℃。实验测得置换通风0.1～1.1m高度处的最大垂直温差为4℃左右，0.1～1.7m最大垂直温差为4.5℃，超过标准的规定值。而其他三种送风方式的上述温差都满足标准的要求。T Karimipanah[5]的研究所得出的结论也表明置换通风的温度梯度比碰撞射流大。

2.2 速度分布

图3为不同送风方式各测点的速度梯度。从图中可以看出，混合通风多数测点的风速在0.05m/s以上，极少数点的风速低于0.02m/s。由于送风口的位置在测点2上方，该测点2.0m到天花板之间的平均风速较高（大于0.2m/s），但衰减迅速使得工作区的平均风速维持在0.1m/s左右。实测结果表明混合通风工作区的风速较大且均匀。

图3 各种工况各测点的速度梯度

置换通风测点1和2（热源附近的测点）使气流具有较大的上升速度，0.4～1.0m高度处的风速超过0.02m/s，但其他测点的气流速度很小，大部分在0～0.02m/s之间。置换通风呈层流低紊流状态，整个速度场表现得非常均匀稳定。

地板送风各测点风速整体趋势一致，随着高度的增加先下降后增大。这是因为下送风与室内空气混掺，下部区域的风速较大，达到分层以上时，由于漩涡的存在其速度有上升趋势。

碰撞射流风速在0.1～1.1m高度处呈递减趋势，只有在送风口附近地面处的风速达到1.0m/s以上。1.1m以上的风速基本在0.05m/s以下，均匀波动小。碰撞射流送风速度高于其他送风方式，但近地面处的速度衰减非常迅速，导致下部区域的速度梯度大。

实验表明混合通风的风速较大，而下区送风方式在近地面处的风速高，引起不同程度的吹风感，但如果室内人员避开送风口各种送风方式的舒适性都可满足要求。H B Awbi[6]等人的研究也证实了混合通风高速的冷空气送风会产生吹风感从而影响热舒适性，碰撞射流的通风性能优于其他送风方式，在大负荷情况下表现出更好的气流组织形式。2.3热舒适调查

由于无法测量热感觉，因此只能采用问卷的方式了解受试者对环境的热感觉，即要求受试者按某种等级标度来描述其热感觉。心理学的研究结果表明，一般人可以不混淆地区分感觉的量级不超过7个，因此对热感觉的评价指标往往采用7个分级。在进行热感觉实验的时候，设置一些投票选择方式来让受试者说出自己的热感觉，这种投票选择的方式叫热感觉投票（Thermal Sensation Vote，TSV），分级范围往往为-3～+3。实验通过主观调查，让受试者对头部、上半身和下半身的热感觉分别进行评价，其中头部包括头和颈，上半身包括前胸、后背和手臂，下半身包括大腿、小腿和脚。

图4 各种工况热感觉投票结果

图4 为不同送风方式热感觉调查结果。从图中可以看出，不同送风方式的前10 min内的热感觉变化较大，15min之后基本趋于稳定。受试者起始热感觉范围基本在0.4～1.2之间，由于置换通风室内气温高于其他送风方式，受试者的热感觉偏大，而地板送风受试者在0时刻的热感觉范围在0～0.8之间。随着时间的推移，各种送风方式受试者热感觉都呈现下降的趋势。混合通风全身热体热感觉下降幅度都很小，稳定在0左右，可见混合通风工况人体热舒适性较好且均匀。

置换通风下半身热感觉变化幅度较大，热感觉达到基本稳定的状态后，头部和上半身热感觉大致稳定在0.4左右，下半身热感觉稳定在-0.6左右。置换通风对人体下半身有明显的降温效果，使该部位产生微凉感。

地板送风受试者下半身的热感觉变化相对剧烈，稳定在-1.3左右，使得下半身和其他部位的热感觉差异较大。表明地板送风对下半身有明显的降温效果，容易产生局部冷感。

碰撞射流受试者上半身和下半身的热感觉变化趋势极为相似，相较头部的变化幅度稍大，头部热感觉稳定在0左右，上半身和下半身大致稳定在0.4左右。可见碰撞射流的热舒适性较好。

结果表明下区送风的三种送风方式下半身的热感觉有下降的幅度，地板送风下半身的降温效果最明显，产生局部冷感。混合通风和碰撞射流稳定后的热感觉分布相对均匀，可见热舒适性较好。

3 结论

本文实测了不同送风方式下室内的温度场和速度场，并对处于不同工况环境中受试者的热感觉变化情况进行了主观调查，通过对实验结果的整理和分析，得到如下结论：

1）混合通风通常气流速度较高，相比之下碰撞射流更不可能引起吹风感，并且具有节能意义。

2）碰撞射流不是严格意义上的置换通风但可比置换通风，碰撞射流的温度和速度分布比置换通风好，主观调查结果显示人体热感觉TSV值的范围比置换通风小，热舒适性更好。

3）地板送风对人体有明显的降温效果，产生局部冷感和吹风感，热感觉值的范围比碰撞射流大得多。碰撞射流送风口可设在较为隐蔽的位置，避免吹风感且不影响美观。

[1]Karimipanah T,Awbi H B.Theoretical and experimental investigation of impinging jet ventilation and comparison with wall disp -lacement ventilation[J].Building and Environment,2002,(37): 1329-1342

[2]Karimipanah T,Sandberg M,Awbi H B.A comparative study of different air distribution systems in a classroom[J].Air distribution in rooms:ventilation for health and sustainable environment [A].In:Proceeding of the ROOMVENT 2000[C].Oxford:Elsevi -er,2000,(2):1013-1018

[3]ISO.Moderate Thermal Environments:Determination ofthe PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort(International Standard 7730)[S].Geneva,Inter -national Standards Organization,1984

[4]ASHRAE.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy(ANSI/ASHRAE Standard 55-1992)[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,1992

[5]Karimipanah T,Awbi H B.A comparison between three methods of low-level air supplies[A].In:Proc International Conference on Indoor Air Quality,Ventilation and Energy Conservation in Build -ings(IAQVEC 2001)[C].Changsha:2001,(I):311-316

[6]Y Cho,H B Awbi,T Karimipanah.A comparison between four different ventilation systems[A].In:Proceedings of Eighth International Conference on Air Distribution in Tooms(Roomvent 2002)[C].Copenhagen:2002,181-184

A Com pa ra tive Study of Indoor The rm a l Com fort unde r Diffe re nt Air Dis tribution Sys te m s

PAN Li-dan,KANG Yan-ming,ZHONG Ke
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

With the increasing demand on air quality and saving energy,the mode of displacement ventilation, underfloor ventilation and impinging jet ventilation,are gradually applied.To compare the characters of indoor temperature distribution,airflow and thermal comfort environment with four air supply modes,indoor temperature and air velocity were measured.

air distribution methods,thermal comfort,thermal environment,impinging jet

1003-0344（2014）04-013-4

2013-5-23

潘李丹（1988～），女，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院5135室（201620）；021-67792554；E-mail:panlidan@mail.dhu.cn

国家自然科学基金资助项目（40975093）