提升风管机制热舒适性的实验研究

李永镇 蔡明明

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

0 引言

风管机安装方式多样化，安装后可“隐藏”在房间墙体内，美观时尚。且机组配置多样，可以“一拖一”“一拖多”，是户式中央空调的一种主要系统[1]。但是由于风管机嵌入装修墙内，加上出风口位置距离地面较高，制热时热风很难吹到地面，造成卧室房间舒适性差，因此卧室用风管机制热舒适性问题亟需解决。

为了解决制热舒适性问题，有学者从出风参数、风口尺寸以及风口导风叶片数量等方面进行了研究，得出当出风风速保持在4 m/s以上，可以达到较好的制热舒适性[2]。为了保证出风口风速，适应不同的风管机安装要求和回风口过滤网灰尘等影响，可以采用恒风量控制方式[3]。

然而，风管机的制热舒适性是由多因素决定的，不仅受出风风速的影响，还应考虑出风口位置、导风板角度和电辅热等常规设计因素。本文通过在模拟实验室，对影响风管机制热舒适性的多个因素进行模拟实验及分析，得出了影响风管机制热舒适性的关键因子，并根据关键因素提出了合理的优化设计方案。

1 模拟实验室建立

1.1 房间要求

本研究依据GB/T 33658-2017《室内人体热舒适环境要求与评价方法》建设模拟环境实验室，在水平的宽度方向，以内室宽度的轴心线为中心每隔0.5 m距离布置一个测温点，宽度方向布置9排测温点；在水平的长度方向，用与水平的宽度方向同样的方式布置测温点。墙面附近的非测试区域内不布置测温点。在垂直方向，从地面至天花板按照一定间隔的距离布置测温点，本文选取距离地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m温度点进行测试，分别代表脚踝、坐姿和站姿高度。

实验应在图1所示的模拟环境实验室进行；其由外套和内套两部分组成，内套为普通用户住房，砖墙结构，外套为保温库板，温度可调；空调器模拟实验室长度为4.82 m、宽度为3.28 m、高度为2.8 m，地面使用面积为15.8 m2。

图1 模拟实验室温度点布置示意图

1.2 活动区域与温度点布置

在矩形活动区域里，用T型热电偶在活动区域水平面上均匀布置A、B、C、D、E、F、G、H、I等N个（N≥9）温度点，在环境实验室每点对应的垂直线上均匀布置3个温度点（离地面0.1 m、1.2 m、1.7 m），依次为A（1-3）、B（1-3）、C（1-3）、D（1-3）、E（1-3）、F（1-3）、G（1-3）、H（1-3）、I（1-3）。如图1所示，图1仅示意热电偶水平和垂直方向布置结构。

1.3 室内安装位置要求

风管机空调器室内机装吊于距离地面2.3 m位置上（空调器下沿距离地面高度）。室内外连接管长为5 m[4]。

1.4 制热舒适性实验工况要求

室外工况：干球温度-5℃、相对湿度60%；

初始室内工况：干球温度0℃、相对湿度50%。

工况允许温度偏差不得超过GB/T 7725-2004《房间空气调节器》允许的偏差（干球温度±0.3℃，湿球温度±0.2℃，相对湿度±5%）。

2 风管机制热舒适性模拟实验

风管机主要由进风口、换热器、风轮风道和出风口组成，为了提升空调器美观和制冷/制热舒适性，风管机还增加有出风面板、电辅热和回风面板等辅助部件。本文选取了对制热舒适性有较大影响的因素进行分析，包括出风口位置、电辅热、风机转速（控制风量大小）和耦合出风角度及风量。

2.1 原方案与方案一：不同出风口位置模拟实验

风管机的出风口安装方式是灵活的，通过外加风管，可以把出风口设置在底部，也可以设置在侧面。由于市面上侧面出风方案较多，本文将侧面出风方案定义为原方案，底部出风方案定义为方案一。设置在侧面时，出风口的出风风向是平行于地面出风；设置在底部时，风管机向下出风，即吹向地面。本文选用一款热泵型变频风管机，其名义制冷量为3500 W，额定制热量为4200 W。在房间初始温度相同的情况下，用该风管机对侧面出风和底部出风时的房间温度分布进行了测试，实验结果分别如表1和表2所示。表中“距地面0.1 m平均温度”表示房间内距离地面0.1 m高度水平面上所有温度点的平均值，故此房间共有3个水平面：0.1 m、1.2 m和1.7 m，“房间总体平均温度”则指房间内所有温度点的平均值。

表1 侧面出风温度表

表2 底部出风温度表

通过表1与表2的数据可以看出，在温度的绝对值上，除了在距地面1.7 m处的位置，其余高度位置处的温度均是底面出风优于侧面出风；在温度分层的均匀性上，底部出风要明显优于侧面出风。造成以上现象的原因是，热空气质量较轻，自然状态下会上升，若不强加干预出风方向，热量热空气将集中在较高位置，这会导致地面上人员活动区域温度较低[5]，房间活动人员的热舒适性差。

2.2 方案二：侧出风开电辅热模拟实验

为了探究电辅热方式对侧出风方式下房间温度分布的改善，本研究在侧面出风空调器上增加功率为1000 W的电辅热，测试数据如表3所示。

表3 侧面出风-开电辅热温度表

通过与表1所示的侧面出风数据对比，增加1000 W的电辅热后，顶部温度上升明显，但对底部温度的改善甚微，整体房间平均温度在60 min时仅增加0.9℃。由此可见，增加电辅热对改善制热舒适性非常有限，且增加电辅热大大降低了空调整体的制热能效，不宜采取。

2.3 方案三：侧出风增大风量模拟实验

为了探究风管机出风量对侧出风方式下房间温度分布的改善，本研究通过增加出风量来改善制热的送风距离，目的是增加房间空气的扰动，增强热量交换。具体实验方式是开启空调器的超强风功能，使得风量增加大约15%，测试得出数据如表4所示。

表4 侧面出风-增大风量温度表

通过与表1所示的侧面出风数据对比，增大15%的风量后，顶部温度和底部温度有微弱提升，整体房间平均温度在60 min时增加0.7℃。该结果说明，虽然增大风量可以增强整体房间空气的热量交换，但对改善顶层温度和底层温度的温差并不理想。

2.4 方案四：耦合出风角度及风量模拟实验

为了探究不同出风角度对侧出风方式在房间温度分布的改善，本研究对侧出风方式进行了耦合出风角度及风量测试。

经过多组角度和风量组合测试，最终发现在出风角度≤30°（导风板与垂直面的夹角，导风板向下导风）、出风风速≥4.2 m/s时可以获得最好的效果。在该方式下，在开机10～60 min内，距地面0.1 m与1.7 m的平均温度相差始终保持在2℃内，房间温度分布均匀性高，地面温度提高了1～2℃，可以获得较好的制热舒适性，测试数据如表5所示。

表5 侧面出风-耦合出风角度及风量温度表

3 测试数据比较分析

为了横向比较上述各种方案的效果，绘制各方案的温度曲线图如图2所示，可以直观地看出每个方案距离地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m的温度层随时间的变化情况：1.7 m层温度越高的方案，0.1 m层反而较差，热量分布分化严重，这是因为空调器的热风在房间空气流体内，热量自然向上漂浮，随着热风吹出的距离越远，风速越小，直至降为0 m/s，底部空气如果没有热风直接吹到，只有较小的空气自然对流换热，温度上升缓慢。通过方案三可以看出，增大风量增大了房间内空气对流和换热，同时也增加了热风送风距离，对整体房间温度的提升与增加1000 W电辅热方案时几乎相当，对底部层温度的提升也有一定的效果，但不显著。

图2 各方案温度曲线图

方案一和方案四空调出风口风向距离地面相对其他方案较近，方案四通过调整送风角度和送风方向使得热风更易送达地面，这使得热风在从空调出风口达到地面这段距离的热量损失相较于方案一较少。当热风达到地面，风速减弱，热空气自然上升，使得房间1.7 m和0.1 m的温度分层最小，热舒适性较好。由此分析可得，送风方向和送风速度是提升底部温度的关键参数。

4 结论

本研究在模拟实验室中，通过改变风管机出风口方向、增加电辅热、增大风量和耦合出风角度与风量，阐明了影响风管机制热舒适性的关键影响因素，得到了风管机制热舒适性提升的最佳改进方案。相关重要结论总结如下：

（1）底部出风方式，出风口距离地面最近，可以将热风送到地面，提升底部温度，可以获得较好的制热舒适性；

（2）增大风量不能减小房间温度分层温差，可等量提升底部和顶部温度；

（3）增加电辅热对整体房间温度提升不明显，且会大幅降低空调机组能效；

（4）耦合出风角度与风量方案是风管机制热舒适性改善的重要方案，该方案可以根据控制送风角度来控制出风口与地面距离，出风角度控制在30°内。而风量根据该距离调整出风风速，出风风速控制在4.2 m/s以上，确保热风能够送达地面。该方案可应用于出风口设置在侧面的机型，而且可在一定范围内调整送风范围，进一步满足用户多样性使用。

通过本文的实测数值，对风管机制热舒适性的提升方式有了重要的模拟数据支撑和理论分析，减少风管机制热设计问题，为用户提供更舒适的风管机产品。