CN110207349B - 一种针对人员活动区域的多射流耦合区域送风口 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对人员活动区域的多射流耦合区域送风口，包括主体，主体上设置有16个风口，风口均为空心圆柱状结构，该送风口可以实现对目标区域的均匀送风。与其它个性化风口相比，本发明所提出的送风口能够实现对动态目标区域的全覆盖送风，有效提升了送风区域可及性。同时，本装置能在送风区域提供均匀的流场，能有效避免吹风感。

Description

一种针对人员活动区域的多射流耦合区域送风口

技术领域

本发明属于通风技术领域，涉及通风设备，具体涉及一种针对人员活动 区域的多射流耦合区域送风口。

背景技术

通风系统的目的是在通风的空间中提供可接受的微环境。与全面通风相 比，个性化通风可以提高人员的舒适度，减少SBS症状，同时具有一定的节 能潜力。因此近年来诸多学者针对个性化送风展开了多方面研究，主要集中 在通风系统的热舒适、节能性以及新型风口的应用等方面。

在进行个性化送风研究时，我们通常假设人体是处于静止状态，或者送 风口的位置是固定的。很多研究都是针对人体处于静止状态，而实际上人体 在坐姿状态下是在不断运动的，当身体离开送风区域后，这时的送风是无效 的。因此对人体动态情况下的送风展开研究，实现对人体动态区域的全覆盖 送风是有必要的。同时，虽然个性化送风对于营造人体热舒适有积极的作用， 但同时也要警惕由于其风速过大可能带来的吹风感。在追求热舒适的同时， 人们同样关注通风的能耗问题。总之，个性化送风能够提升热舒适同时兼具节能的潜力，因此如何避免个性化送风吹风感的存在提升热舒适，以及进一 步提升个性化送风的节能效果，有待进一步研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种针对人员活动 区域的多射流耦合区域送风口，基于捕捉人体动态区域，解决目前个性化送 风的强吹风感以及能耗高的技术问题。

为达到上述目的，本发明实现过程如下：

一种针对人员活动区域的多射流耦合区域送风口，包括主体，主体上设 置有16个风口a，风口a均为空心圆柱状结构，该16个风口a呈四行四列 矩阵布置，该矩阵左右对称，a_ij代表第i行第j列的风口，i、j≤4且为自然 数；以风口和主体接触处形成圆的中心点为坐轴系原点o，建立xyz三维坐 标系，

a₁₁的中心轴线与y轴夹角为104°，与z轴夹角为30°；

a₁₂的中心轴线与y轴夹角为112°，与z轴夹角为2°；

a₂₁的中心轴线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为30°；

a₂₂的中心轴线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为2°；

a₃₁的中心轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；

a₃₂的中心轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°；

a₄₁的中心轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；

a₄₂的中心轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°；

a₁₁的o点与a₁₂的o点之间的距离为20mm；

a₂₁的o点与a₂₂的o点之间的距离为20mm；

a₃₁的o点与a₃₂的o点之间的距离为23.5mm；

a₄₁的o点与a₄₂的o点之间的距离为23.5mm；

a₁₁的o点与a₂₁的o点之间的距离为20mm；

a₂₁的o点与a₃₁的o点之间的距离为24.5mm；

a₃₁的o点与a₄₁的o点之间的距离为23mm；

a₁₂的o点与a₂₂的o点之间的距离为20mm；

a₂₂的o点与a₃₂的o点之间的距离为20mm；

a₃₂的o点与a₄₂的o点之间的距离为21mm；

a₁₂的o点与a₁₃的o点、a₂₂的o点与a₂₃的o点、a₃₂的o点与a₃₃的o点、 a₄₂的o点与a₄₃的o点之间的距离均为30mm；

a₁₁的风口长度为28mm，风口直径为12mm；

a₁₂的风口长度为27mm，风口直径为11mm；

a₂₁的风口长度为30mm，风口直径为12mm；

a₂₂的风口长度为29mm，风口直径为11mm；

a₃₁的风口长度为33mm，风口直径为11mm；

a₃₂的风口长度为21mm，风口直径为10mm；

a₄₁的风口长度为33mm，风口直径为11mm；

a₄₂的风口长度为21mm，风口直径为10mm。

为进一步增强送风舒适感，进一步限定a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、a₃₁和a₄₁的送 风速度均为3.0m/s，a₃₂和a₄₂的送风速度为2.5m/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于捕捉的人体坐姿状态下的动态区域，在确定送风目标区域的 基础上，提出了一种新型送风口装置，该装置可以实现对目标区域的均匀送 风，与其它个性化风口相比，本发明所提出的风口能够实现对动态目标区域 的全覆盖送风，有效提升了送风区域可及性。同时，本装置能在送风区域提 供均匀的流场(风速0.3m/s左右)，能有效避免吹风感。

本发明的装置，对比其他同类风口，保证送风可及性的情况下，能耗显 著降低，能够节能88.2％；在能耗相当时，送风可及性提升48％。

附图说明

图1为本发明风口三维图。

图2(a)为本发明风口侧视图，(b)为风口角度示意图。

图3为本发明风口主视图。

图4为全尺寸试验人体16个测点布置示意图。

图5为全尺寸实验验证结果。

图6为不同个性化风口速度云图对比。

图7为不同风口的靶向值和能耗对比。

图中：1为对称轴，2为风口，3为主体。

具体实施方式

实施例1：

相比于静态送风，本发明的个性化送风口，适用于人体处于坐姿时，身 体在一定范围内不断运动的动态条件下送风，如图1-3所示，本实施例提出 一种新型个性化送风口，该装置由主体3上的16个风口2组成，左右各8 个风口绕对称轴1对称，风口结构以及风口与风口之间的位置关系如图1-3 所示，其中，坐标轴的定义如下：以风口和主体接触处形成圆的中心点为坐 轴系原点o，建立xyz三维坐标系，其中，xy为水平二维坐标系，z为高度， z即为风口高度，是风口凸出主体的长度，风口直径为风口出风口位置处的 直径，风口与风口之间的距离，指的是风口和主体接触处形成圆的中心点之 间的距离。

多射流耦合，就是不同的射流汇合在一块，一旦发生汇合，就会变成复 杂的湍流。目前理论研究还停留在两股射流，本发明是多股射流耦合，形成 很复杂的湍流，风口角度是一个很重要的参数，与流场的形状直接相关，小 风口之间的距离较近，射流会很快发生叠加，互相干扰形成复杂的湍流运动， 本实施例中，对称轴左侧的8个风口，a₁₁(对应图中风口a)的中心轴线与 y轴夹角为104°，与z轴夹角为30°；a₁₂(对应图中风口b)的中心轴线 与y轴夹角为112°，与z轴夹角为2°；a₂₁(对应图中风口d)的中心轴 线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为30°；a₂₂(对应图中风口c)的中心 轴线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为2°；a₃₁(对应图中风口e)的中心 轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；a₃₂(对应图中风口f)的中心 轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°；a₄₁(对应图中风口h)的中心 轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；a₄₂(对应图中风口g)的中 心轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°；对称轴右侧的8个风口，与 左侧对称，此处不再赘述。

在自由射流中风口的出流断面积直接影响射流的轴心速度，当出口风速 相同时，一般风口面积越大射流主体段的轴心速度衰减越慢，另外也会影响 射流的叠加。因此在出口风速相同的条件下，不同的风口面积吹出的风速落 到人身体上的是不同的，本实施例中，如附图2和3，风口直径ad＝12mm， bc＝eh＝11mm，fg＝10mm。

同时，为了使人获得最佳的舒适感，避免产生吹风感，本实施例给出了 风口送风速度，ad＝bc＝eh＝3.0m/s，fg＝2.5m/s。

效果验证：

(1)全尺寸实验

对16个风口进行了全尺寸实验，实验系统包括离心风机、调速器、软 连接、3D打印风口等组成。为了实现每个风口均匀出风，在风机与风口之间 设置静压箱。风机与静压箱之间由柔性管连接，风口通过橡胶管与静压箱相 连。风机的风量由调速器控制。

根据真实的人体模型比例，在距离风口0.6m处的断面，选择了具有代 表性的16个测点，如图4。在测量断面处，每个点都记录4分钟的测量数据， 然后求测点的平均值作为该点的测量值，同时计算标准误差。本实验采用 Swema03风速仪测试风速。测量时，将Swema03风速仪固定在距离风口0.6m 支架上，每次改变测点时使用水平仪和测量校对板进行校准，实验过程中通 过风机调速器使风量达到指定工况，待风机运行稳定后，用Swema03风速仪进行工况测量并记录，该仪器的测量范围为0.05-3.0m/s，测量精度为±3％， 分辨率为0.01m/s。

速度测量点的标准误差如下：

式中，σ为标准误差；N为测试点；x_i是测试速度，m/s；x是测试速度 平均值，m/s。测试的标准误差如图5所示。

研究发现不论是流场外还是流场内，各点速度模拟值和实验值吻合都较 好，且证明了该个性化靶向风口具有高效良好的送风效果。

(2)同类风口对比研究

为了进一步验证个性化靶向送风的效果，将该装置与已有不同的个性化 风口00[33][17]在流场均匀度、速度靶向值和流场有效性三个方面进行了对 比。在进行数值计算时，每个风口的出风速度相等，风量取自相应文献。计 算完成后分别获取距风口0.6m处的流场的速度值。

从图6中可以看到，(a)(b)(c)不能将头部完全覆盖，流场不均 匀，中心速度偏大。为了实现完全覆盖头部，在(c)的基础上，将风口面 积扩大为原来的7.7倍，得到(d)，但是仍然存在流场不均匀，中心速度 偏大等问题。图(e)为静止时靶向风口送风效果，虽然送风均匀，但仍然 在无法覆盖目标区。图(f)是本发明所研究的对象，与上面五种风口相比 可以明显的看到，流场更加均匀，流场内的最大与最小风速差控制在0.3m/s。

此外，我们比较了6种个性化送风风口的能耗。计算公式如下：

Q＝c·ρ·v·s·Δt

式中，c是空气的比热容，当t＝20℃时，c＝1.013kJ/(kg·℃)；ρ是空气 的密度，当t＝20℃时ρ＝1.013kg/m³；v是风口出风速度，m/s；s是风口 面积，m²；Δt是送风温度与室内温度的温差，℃。

速度靶向值和能耗的结果见图7。从图7中可以看到本发明风口的靶向 值最小，送风可及性最好；保证送风可及性的情况下，该靶向风口能耗显著 降低，能够节能88.2％；在能耗相当时，送风可及性提升48％。综合送风可 及性与节能性，本发明的风口优于其他风口(速度靶向值的计算办法参考发 明人之前的文献研究17)。

[6]Kaczmarczyk,J.,Melikov,A.,&Fanger,P.O.(2010).Human response topersonalized ventilation and mixing ventilation.Indoor Air,14(s8),17-29.

[13]Sun,W.,Tham,K.W.,Zhou,W.,&Gong,N.(2007).Thermal performance of apersonalized ventilation air terminal device at two different turbulenceintensities.Building&Environment,42(12),3974-3983.

[17]Gao,R.,Wang,C.,Li,A.,Yu,S.,&Deng,B.(2018).A novel targetedpersonalized ventilation system based on the shooting concept.Building&Environment,135,269-279.

[33]Li,R.,Sekhar,S.C.,&Melikov,A.K.(2010).Thermal comfort and IAQassessment of under-floor air distribution system integrated withpersonalized ventilation in hot and humid climate.Building and Environment,45(9),1906-1913.

Claims (3)

1.一种针对人员活动区域的多射流耦合区域送风口，其特征在于，包括送风口的主体，主体上设置有16个风口，均为空心圆柱状结构，所有风口呈四行四列矩阵排布，并且矩阵左右对称；

以风口和主体接触处形成圆的中心点为坐轴系原点，建立xyz三维坐标系，a_ij代表第i行第j列的风口，i、j≤4且为自然数，a₁₁的中心轴线与y轴夹角为104°，与z轴夹角为30°；a₁₂的中心轴线与y轴夹角为112°，与z轴夹角为2°；a₂₁的中心轴线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为30°；a₂₂的中心轴线与y轴夹角为90°，与z轴夹角为2°；a₃₁的中心轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；a₃₂的中心轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°；a₄₁的中心轴线与y轴夹角为68°，与z轴夹角为32°；a₄₂的中心轴线与y轴夹角为64°，与z轴夹角为6°。

2.如权利要求1所述多射流耦合区域送风口，其特征在于，a₁₁的风口高度为28mm，风口直径为12mm；a₁₂的风口高度为27mm，风口直径为11mm；a₂₁的风口高度为30mm，风口直径为12mm；a₂₂的风口高度为29mm，风口直径为11mm；a₃₁的风口高度为33mm，风口直径为11mm；a₃₂的风口高度为21mm，风口直径为10mm；a₄₁的风口高度为33mm，风口直径为11mm；a₄₂的风口高度为21mm，风口直径为10mm；

a₁₁与a₁₂的距离为20mm；a₂₁与a₂₂的距离为20mm；a₃₁与a₃₂的距离为23.5mm；a₄₁与a₄₂的距离为23.5mm；a₁₁与a₂₁的距离为20mm；a₂₁与a₃₁的距离为24.5mm；a₃₁与a₄₁的距离为23mm；a₁₂与a₂₂的距离为20mm；a₂₂与a₃₂的距离为20mm；a₃₂与a₄₂的距离为21mm；a₁₂与a₁₃的、a₂₂与a₂₃、a₃₂与a₃₃、a₄₂与a₄₃之间的距离均为30mm。

3.如权利要求2所述多射流耦合区域送风口，其特征在于，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、a₃₁和a₄₁的送风速度均为3.0m/s，a₃₂和a₄₂的送风速度为2.5m/s。

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