CN104315690A - 一种用于坐姿的个性化节能送风装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于坐姿的个性化节能送风装置，包括壳体，壳体的进风端口连接送风管，所述壳体的出风端口由下至上依次安装有第一风口、第二风口、第三风口和第四风口，壳体内部由下至上被三块隔板依次分为第一风道、第二风道、第三风道和第四风道；第一风口与第一风道连接，第二风口与第二风道连接，第三风口与第三风道连接，第四风口与第四风道连接。壳体的进风端各风道截面积之比等于与各风道对应的各风口的面积之比。该风口的送风孔口大小、角度及风量是根据人体不同部位的位置和对应投影面域进行确定的，通过不同的风口，能够达到针对人体不同身体部位进行定点定向送风，从而满足了人体各部位的舒适性要求，同时使送风达到最大效率。

Description

一种用于坐姿的个性化节能送风装置

技术领域

本发明属于暖通空调领域，具体涉及一种送风装置，特别是一种用于坐姿的个性化节能送风装置。

背景技术

长期以来,人们主要采用混合通风或置换通风等方式来控制室内环境参数。对于混合通风系统,其产生的新风在到达人员呼吸区之前通常已经在房间内受到污染。同时,为了保证人员的热舒适而使全房间的空气温度降低，在非人体活动区域，会造成无谓的冷量耗费。相对而言,置换通风环境下，房间内的空气分层使得靠近地面区域的空气较洁净,温度也较低。然而，由于人体下半部对空气流动比较敏感，置换通风环境下人们易产生冷吹风感，且当污染源集中在房间下部时，这种送风甚至会恶化空气品质。

由以上，目前人们研究了个性化送风装置，将风口布置在工作台周围，采用风口对着人员身体整体直吹的形式进行送风。该装置在满足使用者自由调节需求的同时也改善了局部热环境，并且提高了人们吸入空气的质量,因此，个性化送风装置成为当前送风末端装置中的新宠。现阶段的个性化送风技术多种多样，以下是几个典型例子：

1、个性化送风调节方法(中国专利申请，申请号：200610200546.7)，该方法中，当空调的使用者对自己周围空调环境的舒适性不满意时，可通过调节或转动空调末端送风装置上的机构，减少吹向自己的空调送风量，改变微环境参数从而满足自己的舒适要求，末端装置送出的总风量保持不变，从而保证了室内空气的新鲜程度。

2、变风量型个性化送风装置(中国专利申请，申请号：200510011652.6)，该装置包括引风入口、变风量风机、直立可弯曲的送风管段和末端风口，它们依次连接为一个整体，该装置整体安装在空调对象的工作位置。针对不同个体对送风的偏好不一而设计的新型送风装置，同时解决传统混合通风能耗大，置换通风容易产生局部不舒适感等问题。

3、个性化送风末端装置(中国专利申请，申请号：201020552031.5)，该专装置通过新风风量调节阀、回风风量调节阀、手动调节旋钮或电动执行器、风量调节阀拉杆组成。实现了按照使用者的舒适要求设置调节各自房间的送风温度这一目的。

上述个性化送风技术已经取得了一定的成果，但是在具体实施时却普遍存在以下几个问题：(1)上述个性化风口若要满足送风需求，通常需要距使用人员有一定距离，此种情况下，送风覆盖面域较大，在非人员身体的空间仍旧存在大量的能耗浪费；(2)上述技术均满足了人体整体区域送风需求，但没有实现人体不同位置的舒适性的兼顾，送风整体舒适性差。

发明内容

针对上述现有的个性化送风技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种个性化节能送风装置。

本发明采用如下技术方案：

一种用于坐姿的个性化节能送风装置，包括壳体，壳体的进风端口连接送风管，所述壳体的出风端口由下至上依次安装有第一风口、第二风口、第三风口和第四风口，壳体内部由下至上被三块隔板依次分为第一风道、第二风道、第三风道和第四风道；第一风口与第一风道连接，第二风口与第二风道连接，第三风口与第三风道连接，第四风口与第四风道连接。壳体的进风端各风道截面积之比等于与各风道对应的各风口的面积之比。

进一步的，所述第一风口所在面为竖直面，第二风口、第三风口和第四风口所在面均斜向上。

进一步的，所述第三风口和第四风口的中心位置位于同一条竖直线上。

进一步的，所述第二风口的两侧距壳体的两侧有距离且距离为100mm；第一风口与第二风口的左侧对齐；第三风口和第四风口与第二风口的右侧对齐；第一风口、第二风口、第三风口和第四风口的风口高度依次为：0.1m、0.022m、0.034m和0.025m；宽度依次为：0.01m、0.22m、0.015m和0.015m；各风口对应的射流中轴线长度S均为0.8m；射流中轴线的倾角θ依次为：0°、18°、33°和45°。

进一步的，所述各风口的风口风速u₀均为2m/s。

进一步的，所述壳体的上端为曲面。

与现有的个性化送风技术相比较，本发明由多个风口组成，每个风口的送风口大小、送风角度及送风量均根据人体不同部位的位置和对应投影面域进行确定，能够达到针对人体不同身体部位进行定点定向送风，从而使对人送风达到最大效率达到更加节能，以及保证人体舒适性的目的。

附图说明

图1是本发明的用于坐姿的个性化送风装置所对应的人体分区示意图。其中，(a)表示坐姿的人体具体分区；(b)表示坐姿的人体的两个竖直轴。

图2是本发明的用于坐姿的个性化送风装置连接风管的结构示意图。

图3是本发明的用于坐姿的个性化送风装置的结构示意图。

图4是本发明的用于坐姿的个性化送风装置的正视图。

图5是本发明的用于坐姿的个性化送风装置的侧视图。

图6是本发明的各风口射流边界示意图。

图7是本发明的各风口有效射流边界示意图。

图8是本发明的人体分区与对应风口射流尺寸示意图。

图9是本发明的人体分区送风投影对比图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

本发明的主要思路是：根据本领域的人体分区理论、射流基础理论，结合人体舒适性的约束条件进行个性化送风装置的设计，即通过设计风口的大小、风口的倾斜角度、风口送风量的大小，实现送风装置的四个风口对应为坐姿下的人体的四个分区送风，完成以下几项任务：1、以组合风口的形式，使得送风区域正好满足坐姿人体的各分区，解决现有风口不节能的问题；2、对各个风口加以不同的倾斜，在较短距离内对坐姿状态的整个人体均匀送风。3、照顾人体不同分区部位的敏感程度，在满足人体所需风量的前提下，保证了人体第三、四分区的舒适性。

本发明用于对坐姿人体的侧面进行送风。

一、基本理论和设计依据

1、人体分区

根据《GB10000-88中国成年人体尺寸》中的人体尺寸对人体进行分区，根据人体不同部位的高度和宽度，自下而上以宽度接近为原则划分为同一区域，再对划分好的区域进行校核。对于划分好的分区，其高宽比不宜小于1:2，若小于，增加分区的高度。而高宽比大于3:1的分区，则需要对该分区再次划分。这样划分的目的是使得每个分区尽量接近矩形，使得为每个分区送风的对应风口较为规整，不易产生风量不均匀或浪费。

综上，本发明对坐姿的人体划分4个分区，如图1所示，自下而上分别是第一分区、第二分区、第三分区及第四分区。每个分区的高、宽度具体如表1所示。其中，第一、二分区对气流的适应性较好，第三、四分区对气流的适应性较差，对气流较为敏感。针对人体的四个分区，本发明的送风装置上设置了四个风口对应送风。

2、射流基础理论

本发明的送风装置工作时，如图2所示，气流在送风管中被分流，同时进入第一风道9、第二风道8、第三风道7和第四风道6，气流穿过各风道后分别对应进入第一风口1、第二风口2、第三风口3和第四风口4，为了使各风口的出风对应到达各个人体分区，风口宽度d₀、射流轴心速度u_m以及射流宽度D应满足亚音速等温自由射流关系式，即公式(1)、(2)和(3)：

$\frac{u_x}{u_m}={[1-{\left(\frac{d}{D}\right)}^{1.5}]}^2---\left(1\right)$

$\frac{u_m}{u_0}=\frac{0.48}{\frac{\mathrm{aS}}{d_0}+0.147}---\left(2\right)$

D＝6.8aS+d₀    (3)

通过(1)、(2)和(3)得到：

$u_x={[1-{\left(\frac{d}{6.8\mathrm{aS}+d_0}\right)}^{1.5}]}^2\×\frac{0.48u_0}{\frac{\mathrm{aS}}{d_0}+0.147}---\left(4\right)$

$d={(6.8\mathrm{aS}+d_0)}^{1.5}\sqrt{1-\sqrt{\frac{u_x\×(\frac{\mathrm{aS}}{d_0}+0.147)}{0.48u_0}}}---\left(5\right)$

$d_0=\frac{d}{\sqrt[1.5]{1-\sqrt{\frac{u_x\×(\frac{\mathrm{aS}}{d_0}+0.147)}{0.48u_0}}}}-6.8\mathrm{aS}---\left(6\right)$

其中，

d——射流截面上任意点x至中轴线的距离，m；

D——射流截面上任意点x所在射流截面上的射流宽度，即射流宽度，m；

u_x——射流截面上任意点x点的速度,m/s；

u_m——射流截面上任意点x所在射流截面上轴心线的速度，即射流轴心速度，m/s；

S——风口距射流截面上任意x点所在射流截面的距离，即射流中轴线(轴心线)长度，m；

a——湍流系数；对于轴对称收缩喷管，a取0.066-0.071，湍流强度小者取小值，大者取大值，无量纲；

u₀——风口风速，m/s；

d₀——风口宽度，m。

3、基于人体舒适性的约束条件

射流截面上的风速从轴心速度逐渐衰减，射流边界的风速趋于0m/s，即处于无风状态。由于射流边界不稳定，且无风状态无法满足人体需求，故取风速从轴心线衰减至0.1m/s的射流截面为有效射流截面，如图6所示，有效射流截面即射流截面上任意一点风速不低于0.1m/s的区域。为了使人体分区都处于有效射流截面内，以保证人体舒适性要求，故本发明设计风速时遵循的第一个舒适性约束条件(7)。

u_x≥0.1m/s    (7)

根据第二版《实用供热空调设计手册》第19章第二节舒适性和舒适性方程的记载，《ISO 7730标准》针对舒适区的建议值，气流速度应小于0.25m/s，过大的风速容易产生“吹风感”，但风速也不宜过小，过小无法满足人体所需风量。

基于人体分区敏感程度的考虑，人体的第一、二分区敏感度较弱，第三、四分区较为敏感，故应当保证第三、四分区满足ISO7730舒适性标准要求。在射流截面上，射流轴心的风速最大，若轴心速度不高于0.25m/s，截面上任一点风速就不高于0.25m/s。为了使人体敏感分区气流风速都不高于0.25，故本发明设计风速时遵循的第二个舒适性约束条件(8)。

u_m≤0.25m/s    (8)

4、个性化送风装置的风口设计要求

在不同的送风距离(指风口距人体的垂直距离)下，为了满足送风需要，所设计风口的大小都不相同。故在设计风口时，应首先根据实际需求确定风口的送风距离S0，从而确定射流中轴线距离S。

由于个性化风口装置的形状宜整齐规范，且兼顾节省材料，故限定各风口中心位置位于同一条竖直线上，如图7所示。另外，本发明是组合多个风口的送风装置，在确定各个风口位置的过程中，也要兼顾各个风口的气流不被其它风口阻挡。

为了满足近距离送风，风口和人体必然存在较大的高度差，因此一些风口需要设计一定的倾斜角度来满足有较大高度差情况下的送风。本发明中，第一风口所在面为竖直面，其余各风口均向上倾斜一定角度。

一般的室内个性化风口的风速在1～3m/s，在本发明中，风口风速取2m/s，湍流系数a取0.071。

5、射流截面上任意点x至中轴线的距离d的取值

风口宽度d₀可通过公式(6)进行计算，为了满足舒适性约束条件(7)，射流截面上的任意点x必须在有效射流截面。假定射流截面上的任意点x即为人体分区的边界，只要射流截面上的点x满足人体舒适性条件(7)，则人体分区满足舒适性要求。所以对于第一分区而言，由于其正对风口，可将射流截面上的任意点x距中轴线的距离d分别取分区的高度h和宽度l，在满足舒适性条件(7)的情况下，第一分区人体就满足舒适性要求。

对于二、三、四分区而言，由于对应风口、射流中轴线存在倾角，射流截面并非竖直方向，在计算过程中，不能将站姿状态下的对应分区高、宽度直接代入射流截面上的任意点x距中轴线的距离d，具体计算方法见下文。

二、风口及风道设计

(一)风口宽度、高度以及风口中心位置设计

1、根据分区情况，可知人体第一分区的高度h和宽度l，根据实际需要确定风口距人体的送风距离S₀；由于第一风口正对第一分区，该风口的送风距离S₀即为射流的中轴线长度S，风口风速u₀取2m/s，湍流系数a取0.071。

2、本发明风口形状选择矩形风口；第一分区中，由于第一风口正对第一分区，可将射流截面任意点x距轴心线的距离d分别取第一分区高度h和宽度l，根据公式(6)得到风口的高度公式(9)和宽度公式(10)；在满足约束性条件(7)的情况下，使得风口宽度和高度尽量小以节省材料。如此可求解出第一风口的高度、宽度的最优解；

在满足舒适性约束条件(7)的前提下，风口的高度、宽度最小即为最优解，即有效射流截面刚好满足对应人体分区的大小。

3、根据已知的射流中轴线长度，通过公式(3)可得出射流宽度D，以此来确定风口对应的射流域(指气流从风口吹出后所能达到的范围)，如图6所示。

4、风口纵向排布以第二风口为参考，第二风口在水平方向上距壳体5的出风端两侧面距离均为100mm，第一风口与第二风口的左侧对齐，且距边线100mm，第三、第四风口与第二风口右侧对齐，距边线100mm；如图1(b)所示的坐姿人体的两条竖直轴线为参考，在上一风口中心竖直方向的正上方，暂定下一风口的中心位置。此暂定的风口中心位置在计算风口大小后要进行校核(校核过程详见下文)，且在满足校核的情况下，使得各风口间距尽量小以节省材料，对暂定风口中心位置进行约束。

对于倾斜风口，其射流截面与风口倾角相同。通过暂定的风口中心位置以及对应的人体分区，可确定出中轴线倾角θ、射流中轴线长度S，以及倾斜的射流截面的尺寸。如图8所示，首先，连接风口中心点以及对应分区的两个竖向边界点得到两条边界线，并做出两条线的角平分线，从分区的上边界点向该角平分线作垂线，则角平分线与边界线共同确定的平面的垂直面即为射流截面；可测的垂线长度为r。由于该图中射流域刚好覆盖住分区的情况，故该射流域应为有效射流域(即射流域内风速≥0.1m/s的区域，如图7)。此后。可测得该风口的射流中轴线长度S以及中轴线倾角θ。由于风口存在倾角，所以射流截面也存在倾角，在计算风口高度时，不能如第一风口中将分区高度h作为射流截面任意点x距轴心线的距离d，应当将2r作为射流截面任意点x距轴心线的距离d来计算风口的高度。

5、通过公式(6)、(7)，将射流截面任意点x距轴心线的距离d取为分区宽度l，根据已知的风口风速u₀,中轴线长度S，可求解出分区对应风口的宽度最优解(方法同第一风口)。

再将射流截面任意点x距轴心的距离d取为2r，根据已知的风口风速u₀、中轴线长度S，可求解出分区对应风口的高度最优解(方法同第一风口)。

根据求出的风口的高度、宽度及倾角，在之前暂定的风口位置进行作图布置、校核。校核该风口是否干扰了上一风口的射流域，如图6所示。

若校核结果表明风口大小没有干扰上一风口的射流域，则说明暂定风口位置合理。可继续缩小第二风口暂定点与第一风口的距离，重复第4、5步的计算和校核，直至满足校核的情况下两风口中心距离最小。

若校核结果表明风口干扰了上一风口的射流域，则说明暂定风口位置不合理，此时需要增大该风口暂定点与上一风口的距离，重复第4、5步的计算和校核，直至满足校核要求时为止。

通过上述步骤1-5确定了第一、第二风口大小和风口位置后，重复第3、4、5步来确定第三、第四风口的大小及风口位置，依次类推，直至所有分区对应的风口全部确定完为止。

(二)风口风量设计

在确定了各个风口大小、风口中心位置以及风口的倾斜角度后，由于各个风口风速一致，都为u₀，各风口的风量计算公式如下：

Q＝3600×A×u₀    (11)

式中，Q为风口风量，m³/h；A为风口面积，m²；u₀为风口风速，m/s。

通过计算可得出每个风口所需风量的大小，通过叠加可得风管总风量；通过总风量来选取风管的尺寸，根据《暖通空调·动力》2009版技术措施，选取的风管需满足风速在≤5m/s之间。由于送风装置有多个风口，需要在风管中加入对应的隔板，以分隔出对应不同风口的风道为各风口送风。

(三)风道分隔方法

1、通过公式(11)计算出各个风口所需风量，叠加后可得送风装置总风量，可算得各风口风量占总风量的百分比。

2、根据各风口风量占总风量的百分比，确定对应壳体的进风端各风道截面积百分比，从而划分风道。若从风管高度方向划分，宽度保持一致，则划分依据就是各风口风量百分比。

3、由于各风口的中心点在一条竖直线上，各风口依次竖直布置，对应的风道也应依次垂直布置，故隔板应水平放置。

4、将分隔好的风管按照对应次序连接风口，形成完整的风道。

本发明的送风装置工作时，风管输送的风量通过隔板进入各个风道，通过不同风口扩散至对应的人体区域，从而满足人体各部位的舒适性要求。由于本发明是基于人体分区作为有效送风区域设计的，如图6、7所示，图6是实际射流边界宽度的覆盖区域，图7是有效风速下(≥0.1m/s)射流覆盖区域。

综上分析，得到本发明的个性化节能送风装置，其结构如图2-5所示，包括壳体5，壳体5的进风端口连接送风管，送风管用于向壳体5内送风；壳体5的出风端口由下至上依次安装有第一风口1、第二风口2、第三风口3和第四风口4，壳体5内部由下至上被四个隔板依次分为第一风道9、第二风道8、第三风道7和第四风道6；第一风口1与第一风道9连接，第二风口2与第二风道8连接，第三风口3与第三风道7连接，第四风口4与第四风道6连接。

第二风口2的两侧距壳体5的两侧有距离，且距离相同，均为100mm；第一风口1与第二风口2的左侧对齐，即距壳体5左侧的距离为100mm；第三风口3和第四风口4与第二风口2的右侧对齐，即距壳体5右侧的距离为100mm；第三风口3和第四风口4的中心位置位于同一条竖直线上。

第一风口所在面为竖直面，其余各风口所在面均向上倾斜。壳体的进风端各风道截面积之比等于与各风道对应的各风口的面积之比。

如图2所示，工作时，气流通过风机送到送风管，送风管将气流送入壳体5，在隔板的分流作用下，不同风量的气流通过不同风道输送至对应风口，再吹向人体。而各个风口对应人体的不同分区，有不同的舒适性效果，在满足边界风速不小于0.1m/s的情况下，人体的第三、四分区轴心风速不大于舒适性要求的0.25m/s。

三、实施例

本发明的个性化节能送风装置能够针对人体工程学中人体分区定向送风，具有良好的节能性。为了验证本发明的送风装置的节能效果，发明人给出以下实施例并对其进行节能试验。

首先，为了发挥本发明的短距离节能送风的作用，设定第一风口距人体送风距离S₀为0.8m。故根据上文各个风口确定方法，对于第一分区来说，其射流中轴线长度S为0.8m。同时设定风口风速u₀＝2m/s，湍流系数a＝0.071，各风口对应射流中轴线长度S及射流中轴线倾角θ依次确定，第一风口的S＝S₀。射流中轴线倾角是指射流中轴线与水平方向的夹角。计算表格如下：

表1各分区对应风口的参数

通过表1可以看出，所有射流面域内满足风速大于0.1m/s，且第3、4分区风速范围在0.1m/s～0.25m/s之间，满足人体舒适性要求。(即舒适性约束条件7、8)

根据得到的风口大小，通过计算得出每个风口所需风量Q的大小，从而得知送风管所需总风量。由于各风口是竖直布置，所以各风道设计宽度不变，高度根据不同风口的风量比例来设计，从而确定风道的布置方案，如下表所示：

表2各风道相关计算数值

对于连接送风装置的风管可以有诸多的规格和尺寸，宜选取与送风装置尺寸接近的送风管，且风速不宜过大，送风管风速≤5m/s。本实施例中选取160(高)×160(宽)(单位mm)的风管作为连接风管，对于本发明所需的总风量，送风管风速有0.55m/s，满足标准。

根据各风口风量百分比，确定其风道的设计高度，送风管总高为160mm，故第一风道为23.80×160(mm)，第二风道为115.20×160(mm),第三风道为12×160(mm)，第四风道为9×160(mm)。通过风道设计尺寸，在送风管中加入隔板，最后使各风道与对应风口连接，形成完整的风道。

如图9所示，通过计算得到的对应不同分区的风口大小，计算出不同风口的射流边界，如图9所示，通过1、2、3、4风口的射流边界域的加和，与一般个性化风口的射流边界域相比，其射流面域仅有一般风口的23％，节能达到77％。

在满足整个人体区域舒适性的情况下，本发明所需风量为：(0.1×0.01+0.022×0.22+0.034×0.015+0.025×0.015)×2×3600＝48.42m³/h，一般个性化风口(单风口)需要较大的风口，以及较大的距人体距离，才能保证有效射流宽度覆盖住整个人体区域，例如图9中右图，在这种情况下轴心速度较大，人体会十分不舒适。此类风口若要达到与本发明同样的送风效果，根据公式(1)(2)(3)计算可得，距人体距离需达到4m，风口大小为0.16×0.16，届时轴心风速达到0.47m/s，人体边界风速才能保证0.1m/s以上，所需风量为：(0.16×0.16)×2×3600＝184.32m³/h。由此可见，在达到同样效果的情况下，本发明的个性化风口风量节省了73.7％。

Claims (6)

1.一种用于坐姿的个性化节能送风装置，包括壳体，壳体的进风端口连接送风管，其特征在于，所述壳体的出风端口由下至上依次安装有第一风口、第二风口、第三风口和第四风口，壳体内部由下至上被三个隔板依次分为第一风道、第二风道、第三风道和第四风道；第一风口与第一风道连接，第二风口与第二风道连接，第三风口与第三风道连接，第四风口与第四风道连接。壳体的进风端各风道截面积之比等于与各风道对应的各风口的面积之比。

2.如权利要求1所述用于坐姿的个性化节能送风装置，其特征在于，所述第一风口所在面为竖直面，第二风口、第三风口和第四风口所在面均斜向上。

3.如权利要求1所述用于坐姿的个性化节能送风装置，其特征在于，所述第三风口和第四风口的中心位置位于同一条竖直线上。

4.如权利要求1所述用于坐姿的个性化节能送风装置，其特征在于，所述第二风口的两侧距壳体的两侧有距离且距离为100mm；第一风口1与第二风口2的左侧对齐；第三风口3和第四风口4与第二风口2的右侧对齐；第一风口、第二风口、第三风口和第四风口的风口高度依次为：0.1m、0.022m、0.034m和0.025m；宽度依次为：0.01m、0.22m、0.015m和0.015m；各风口对应的射流中轴线长度S均为0.8m；射流中轴线的倾角θ依次为：0°、18°、33°和45°。

5.如权利要求1所述的用于坐姿的个性化节能送风装置，其特征在于，所述各风口的风口风速u₀均为2m/s。

6.如权利要求1所述的用于坐姿的个性化节能送风装置，其特征在于，所述壳体的上端为曲面。