关于空调开多少度的学问
虎哥2022/08/01原创 正能量研究

关于这个话题,自空调在我国普及以来就开始喧嚣,已经有二十余年历史了。

冷热感觉的个体差异很大。一个人瑟瑟发抖的环境,另一个人有可能汗流浃背。因此,本文不可能终结这种喧闹,本文的主要工作,是力求把道理讲明白。具体怎么开,读者可以通过这些道理去思考。

一、感觉

人体对气温的感觉,不仅由温度决定。

体温取决于人体产热和散热的平衡。产热主要来自身体内部,即各种代谢活动。代谢是由激素和神经调节的。散热主要通过汗液蒸发实现,空气流动引起的热传导,呼吸及辐射等,也会引起散热。人体还可以通过循环系统,调节中枢神经、内脏、肢体以及皮肤的温度分布。正常情况下,皮肤的温度低于肢体和内脏的温度,热量由内向外转移。如果这个过程停滞甚至相反,就会造成内脏和中枢的温度持续升高,直至死亡。

中枢和内脏的温度较为稳定,而肢体以及皮肤的温度有较大波动。人的温度感觉主要来自皮肤,但皮肤的温度又是波动最大的,容易受到环境和循环的影响。正常情况下,皮肤对温度的快速变化敏感,换句话说,热量流向皮肤,就感觉温暖,从皮肤流失,就感觉凉爽。这里的流向和流失,要综合体内和体外的热量来看,不能只看体外的部分。如果一个人在桑拿房呆了很久才出来,即使是寒冬,也能耐受更久的时间。这主要是因为此时内脏和肌肉高于正常体温,富余的热量,可以通过循环和传导向皮肤输送。当内脏和肌肉的温度降到低于正常温度时,循环系统会限制热量向人体表面转移,从而开始感到寒冷。

中枢和内脏温度的调节是相当底层的工作,很难被准确“感觉”,甚至常常发生错觉。本文只探讨正常状态时的感觉,这种感觉至少与四个因素有关:

1、人体的状态

当体温较高,富余热量较多的情况下,人对寒冷的感受会变得迟钝。在兴奋或运动状态感到热的温度,在静息状态,包括静坐工作时,也可能感到冷。有的人睡觉时基础代谢并不显著下降,但大多数人在睡眠状态下代谢会慢得多。如果用清醒时的体感来调节空调的温度,而又没有加盖被子,那么睡着时体温就可能过低。人体对冷的反应会给感冒以可乘之机。

人在冬天和夏天,对温度的感觉是有区别的。猜测是因为冬天采用厚衣物保暖,在皮肤外大面积加盖附属物,经过多日“训练”,使得人体“反馈控制”的“动态范围”发生了变化。对于同一个居间的温度,例如20摄氏度,适应夏天的人可以赤膊耐受,而适应冬天的人是不能赤膊耐受的。因此,人体状态对空调装置的设置策略会有较大影响。

2、空气湿度

夏天,人体的大部分散热依靠汗水的蒸发。而汗水蒸发的快慢,取决于空气湿度,即空气中溶解了多少水蒸气。空气湿度低,汗水蒸发快,人就能耐受更高的气温。历史上有人尝试过在干燥空气中的短期耐受极限,据说超过100℃。为了更准确的表示气温作用于人体的后果,通常使用湿球温度来表示。湿球温度,是给温度计裹上纱布并蘸上水,让水蒸发带走热量,经过长时间稳定后的温度读数,它非常接近汗水蒸发的效果。

一般来说,湿球温度高于24℃,出汗的散热效果就开始下降。当湿球温度高于28℃,人体就很难维持体温的平衡,如长时间运动就会中暑。如果湿球温度高于36℃,出汗就不能起到散热作用,此时即使只有基础代谢,内脏温度也会跑到40℃以上,人不能生存。桑拿房控制不当的话,湿球温度可能高于36℃,因此不能长时间停留。

工业界通常采用WBGT指数来衡量作业环境的防暑能力(类似于体感温度)。对于室内环境,WBGT指数按下式计算:

\[\text{WBGT=0}\text{.7}{{\text{t}}_{nw}}+0.3{{t}_{g}}\]

其中,tnw…湿球温度;tg…黑球温度,用于表示辐射传热。

可见湿球温度是十分关键的,即使不调节气温,而是仅仅把湿球温度,也就是空气湿度降下来,也会立即感觉凉爽。在我国新疆地区,尽管夏天温度可到40℃,但由于空气极为干燥,只要在树荫下就可以耐受。

为了接下来的讨论方便,还需要了解露点的概念。露点也用于表示空气的含水量。冷却空气,使其水气饱和的温度即为露点,可以理解为开始结露的温度。夏天从冰箱里拿出东西,表面会出现露水,是因为物体的温度低于露点。湿球温度通常介于露点和气温之间,露点一定时,气温越高,湿球温度越高。由于湿球温度受风速和辐射的影响,不够准确,在要求较高时可测定露点。根据露点和气温,可以计算准确的湿球温度。

3、空气流动

吹风能够改善炎热体验,也能增强寒冷体验。吹风可以通过热交换而直接带走或传递热量,与电脑里面的风扇散热原理类似。对人体而言,除了直接的带走热量,还能够加速汗液的蒸发。

气象上的湿球温度,严格说来应当使用通风式湿球温度表来测量,此处的通风,一般要求1.5m/s以上的风速。实际上,6m/s以上的风速时的读数更准确。如果不通风,蒸发的水气会包裹在湿球周围阻碍进一步蒸发,测得的湿球温度偏高。同样的道理,夏天吹风有利于汗液蒸发,带走更多热量,使皮肤表面尽可能接近湿球温度。

以前没有空调时,整夜吹电风扇依然能够睡个好觉。我觉得风速太大,还做了一个调压器,让电扇产生“徐徐微风”,风速不到1m/s,效果是很好的。现在有空调了,室内是否有空气流动,会明显的影响冷热感受。

4、红外辐射

除了上述三点,热辐射也有一些影响。对于“西晒”的房间来说,由于阳光加热大面积墙体,使房间内存在较强的远红外辐射。但到了夜间,墙体逐渐冷却,辐射的效果会减弱。因此,前半夜合适的空调温度,到了后半夜就可能偏凉。一个理想的“绿色房屋”,应当是夏天允许热量向房间外流动,尽可能反射外墙接受的阳光;冬天只允许热量向房间内流动,尽可能反射房间内的辐射。除了在外墙种爬山虎,世界上目前还没有这样智能的材料。折衷的办法是做好内外墙保温,既不往外,也不往内。由于覆盖层热容量较小,通过空调装置很容易把室内墙体调节到合理的温度。

二、空调的特点

只看“降温”的话,家用、商用、营业空调(以下简称人用空调或舒适空调)和给数据中心、冷库用的工业空调是有区别的。用专业的话讲,家用空调主要靠吸收潜热做功,而工业空调主要吸收显热。所谓潜热,可以理解为空气中水蒸汽潜藏的热量。

1、空调起了什么作用

通俗而言,人用空调的主要作用是让水凝结,同时搬走热,因此必须排水。现在也有一些窗式空调或一体机不用排水,那是因为它把水喷雾到了散热器上,被热风吹走了。

为什么人用空调可以吸收潜热呢?其实大家都有这样的经验:空调制冷时吹出来的风,远低于设定的温度。通常出风口的温度低至10℃左右,在大多数地方,该温度远远低于露点,空气中的水就会在蒸发器,即内机中凝结。如果一个地方原本露点就不足10℃,恐怕也没必要装空调。

空气中的水被搬走,意味着空气湿度大幅下降,此时人体出汗散热的效果就会明显加强,因此立即感到凉爽。吹出的冷风也能一定程度上使温度下降,但只要不是太极端的情况,对于体感来说其实是不重要的。

随着空气中的水被搬走,如果没有水蒸气补充进来,最终露点会降到接近蒸发器的温度。但只要房间中有人,人的出汗和呼吸会为空气补充新的水蒸气,这些水蒸气又被空调源源不断地搬走。这个过程就相当于空调从人体不断搬走热量。如果人用空调只降温,不搬水,那么随着温度降低,空气湿度会越来越高,体感温度的下降不明显,反而由干热变成闷热。

与人用空调不同,工业空调的作用首先是显著降低空气温度,其次才是使湿度维持在合理范围。因为机器设备不会出汗,它的散热效果几乎只取决于空气温度。过多的抽走空气中的水,并不能改善机器设备的感受,相反,不但可能由于过于干燥而影响设备的工作,还会因为搬水(吸收潜热)而多费电,在经济上是不划算的。

世界上是有能够同时控制温度和湿度的空调的。但它要实现满负荷工作,有一个前提条件:不能随意控制风量。温度、湿度、风量是“不可能三角”关系。为了舒适,人用空调必须能调节风量,以便降低风噪和强风对人的刺激。一个不能随意控制风量的空调,大概就只能工业用了。因此,人用空调基本上都放弃了对湿度的控制。

家用空调通常有“抽湿”功能,这是一个相当骗人的功能:它仅仅是将风量开到了最小,以便于蒸发器保持它能达到的最低温度,让尽量多的水蒸气凝结——它必然会吹出寒风,从而使气温降低。一般而言,把家用空调的制冷风量调到最小,与除湿功能是等价的。真正的抽湿机,其实相当于把空调内外机都装在室内,因此只抽水,不降温。

将上述原理反过来就不难想到,可以通过调节空调的风量来控制湿度。调大风量,制冷量不足以使蒸发器位于最低温度,就可以较少的凝结水蒸气,较多的吸收显热。大风量下的噪音和风吹感往往较强烈,不利于睡眠。而小风量又会过于干燥,为感冒制造可乘之机。有人会想到通过降低空调的功率来使小风量下蒸发器也处于较高温度,当然是可行的,这种产品叫做变频空调。但这不就是降低制冷量吗?唯一技术上可行的解决办法是小外机挂大内机——增加蒸发器的换热面积,这种产品叫做工业空调,它的特点是贵。

空调制热是单纯的把室外的热搬运到室内,最多再用电炉丝额外提供一些热量,它符合人们的直观印象,不再赘述。

2、定频和变频

当我们设定了空调的温度,空调就会设法去接近它。定频空调的压缩机不能调节转速,它只要开始工作,就提供最大的制热量或者制冷量。因此,如果气温达到设定温度,定频空调只能关闭压缩机。待气温远离设定温度后,压缩机再次工作使温度逆转。为了避免压缩机频繁启停,终点温度和启动温度之间必然存在一个滞回区间,导致气温反复震荡。在制冷时,由于压缩机只要启动,就提供最大的制冷量,因此会明显降低空气湿度。

变频空调的情况取决于厂家如何编写控制程序。就通常的控制策略而言,当温度远离设定温度时,压缩机以最大功率工作,当温度接近设定温度时,压缩机降低功率,使温度缓慢达到设定温度,并围绕设定温度轻微波动。变频空调没有温度反复剧烈震荡的现象,因此更舒适。

很多时候是无法达到设定温度的,空调会一直工作。制冷时,虽然未能达到设定温度,但湿度在持续降低,直到在低水平保持平衡。因此,即使没有达到设定温度,也可以足够凉爽,即使室内温度保持30℃也是足够舒适的。在夏天高温地区,设定26℃可能永远也无法达到,白白搬运显热,不一定能够节能;但设定30℃,又太容易达到,但此时潜热还很多,又不够舒适。

想必大家已经注意到,不论定频空调还是变频空调,它都只控制温度,可不管湿度的死活。换句话说,根本不管你的体感温度。由于不同厂家、不同维护状况的空调,即使功率相同,换热器的特性也可能有较大差别,房屋的保温状况和通风条件也各有不同,因此,你需要根据自己的体验来调节温度和风速,本质上是你去适应空调,目前尚无法解决这些问题。

3、温度不高湿度高的时候

我们假设一种情况,气温26℃,湿度95%。这是十分闷热的天气。

如果把空调温度设为26℃,不论变频还是定频,压缩机根本不启动,只吹风,不制冷,不能凉爽。

但如果违背节能号召,把温度设定为25度,虽然吹出了冷风,但由于露点较高,开始时不会有明显的温度下降,凉爽是因为湿度降低导致的。如果房间保温不好,那么湿度会一直下降,感觉越来越冷,出现“高一度热得冒汗,低一度冷得发抖”的现象。

这个例子也说明,保温和保湿是两件不同的事情。大部分房子保温不行,但保湿还是可以的。这种房子中,由于温度一直降不到设定温度,湿度会不断下降,直至露点接近蒸发器温度(往往低于10℃)。此时如果在工作,体感会很干爽,但如果睡觉,就要当心嗓子疼了。对于需要防静电的工作,还要避免湿度过低。

假如反过来,保温很好但保湿不行,就可能因为温度与湿度的变化曲线不协调,产生体感温度震荡的现象。对于保温较好却“返潮”的房子,湿度降低后,地面和墙体中的水会加快蒸发从而搬走热量,温度很快就能达到设定值,湿度却依然较高。为了避免闷热,人们往往设置更低的温度,但随着表面的水分蒸发殆尽,湿度还是会下降,此时如果不调高温度,就要受凉了。

对于这种情况,通过把湿度降至70%,而不管温度,会有较好的效果。但目前没见到哪家的空调,有指定湿度的功能。

4、当需要考虑省电时

空调费多少电,取决于设定的温度,房间的大小,保温、密封、防潮性能,以及外部环境的温湿度。每多一个不利因素,就要多费一些电。房间大=多费电,保温性能差=多费电,房间不密封(通风)=多费电,气温高或者设定温度低=多费电。在湿度很高的时候,空调吸收潜热的负荷大,就要多用电。房屋不防潮,会导致湿度居高不下,达到同样的效果需要设定更低的温度,也会多费电。

但为了健康,必须通风。就制冷而言,由于空调降低了室内温湿度,与外界会出现水气压差和温度差。即使无风环境,也会发生热交换和水气流动,这种无控的交流是谈不上能效的。如果要想既通风又省电,只能把通风“管起来”,即采用人工强制通风的办法。在通风管上进行冷热交换,用排出房间的冷气冷却进入房间的热气,能减少大约一半的温度损失。但这种方法无法进行湿交换,应将进风口设置在干燥通风处,通常高度尽可能高一些为好。

空调的效率与内外机(确切的说是蒸发器和冷凝器)的温度差有关,通常温差越大效率越低。外机应安装在阴凉通风处,采用白色外壳反射阳光。内机进风口,夏天应在热的地方,冬天应在冷的地方(参见下一小节)。不论冬夏,开大风量都有利于缩小内外机温差,提升热效率。但夏天开大风量后吸收潜热减少,吸收显热增加,在某些特定场景,比如室内水蒸气都由人贡献(典型场景是教室)时,提高的效率很可能抵消不了搬运显热引起的浪费,就应该调小风量。

夏天,把空调冷凝水浇在散热器上能稍微提升效率,但由于很难保证十年岁月里不浇进尘土及加速腐蚀,极少有厂商采用这种设计。至于大型机组,可以采用淋水冷却塔。

5、温度分布

常识告诉我们,热空气会上浮,冷空气会下沉,在不开空调的季节,不同高度的温度也有差别。只是由于墙体和上下楼层温度较均匀,这种差别很小。

开启空调以后情况发生了变化。空调出风与原有空气的温差很大,上升或下沉运动远比自然状态激烈。房间与周围环境的温差也很大,泄漏而来的冷热气团也会迅速运动。冬天热风集中在房间顶部,夏天冷气集中在房间底部,如果不加搅动,温差可超过3℃。人在这种环境中对温度的感受是不全面的,比如倾向于根据上身的感受调节体温,进一步加剧下肢的寒冷。

人用空调的温度传感器通常安装在空调进风口。因此,空调内机的形式和安装位置,会影响空调对温度的测量。由于挂机安装位置较高,测温会偏高,会导致人体活动区域的温度低于设定温度。柜机的进风口基本位于人体活动高度,测温更符合实际。

制冷时,挂机出风位于房间上部,冷空气向下沉降,这个过程中会带动原有空气循环和换热,因此挂机制冷“效果”好。但在制热时,热空气集中在房间顶部,会造成明显的上热下冷现象,测温明显偏高,空调器提前达到了设定温度,导致加热不足。即使设高温度,由于内机被热气包裹,空调效率也会受到影响。

柜机情况相反,过去采用下进上出设计,夏天吸进冷风反复降温,冬天则正好是下冷上热,因此柜机制热“效果”好。目前柜机已改为平进平出,进出风口高度都位于人体活动区域,一定程度上平衡了冬夏需求。

工业和商用空间可通过安装吊扇、底部出风口等方式加强上下循环。住宅空调没有什么好办法,首先是别长期对着人吹,其次是尽量形成绕房间纵截面的大循环,避免短路。挂机可让冷风沿墙壁向下吹,柜机可让热风沿墙壁向上吹。如果上述都做不到,才考虑冷风往上、热风往下吹。目前市售的挂机无法解决好热风的问题,柜机也解决不好冷风问题。

三、如何设定空调

随着物联网技术的发展,空调的结果——体感,早已可以方便的测量并通过WIFI或蓝牙来控制。想必要么是厂家不思进取,要么遇到了什么技术上的困难(比如湿度传感器的可靠性不高),至今未看到适当的产品。

作为一种补救措施,各位可以自己做一个或多个温湿度、风速测量装置,最终与一个万能遥控器相连接——自己做一个万能遥控器更方便。然后让这个“控制网”去自动地遥控你家的空调。控制终端可以放在地上或床边,最接近你的地方。控制策略需要总结一番再定。这种方法不能直接控制压缩机,因此效果是有限的,但总比不做动态调节要好。更好的效果需要将空调的控制板也换成DIY的,或者期待厂家能有所觉悟。

至于如何人工设定,上面原理已经讲清楚了,理解之后适当实施即可。

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[修改于 1个月14天前 - 2022/08/16 17:31:51]

来自:综合交流区 / 科创茶话严肃内容:专业科普
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墨镜哈哈日记
1个月29天前
1楼

现在也有空调的气温检测是依靠遥控器的温度感应而不是室内机的,可以代表一定的体感温度,不过控制策略应该还是空调的老一套而已


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Sin
1个月29天前
2楼

所以标题和内容没有半点关系 sticker


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20!Dopaminor
1个月29天前
3楼

1要是可以检测皮肤湿度,毛孔收缩的生物电等就可以更精确的适配人体需要的温度了吧。

2在南方潮湿地区,湿度很难降下来,春季可能出现室温降到16度,湿度依然很高的情况。

3内外墙保温,但是可以加太阳能热水墙+地暖管道。

4只降湿度也许可以把空调室外机多装一个放室内,避免温度过低。

5空调温度刚好的时候,有时会造成体感温度在冷热之间反复横跳。有一种方法可以妥协:温度开低一点,多穿衣服、健身


不了解湿度影响的建议买几个20元小米湿度计,屋内外挂几个,很快就会对空气湿度有概念了,我现在主要看湿度计而不是温度计。




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虎哥作者
1个月29天前
4楼
引用20!Dopaminor发表于3楼的内容
1要是可以检测皮肤湿度,毛孔收缩的生物电等就可以更精确的适配人体需要的温度了吧。2在南方潮湿地区,湿...

房间潮湿,即使只抽湿,也会加速水的蒸发,导致温度降低。

我家在顶楼,隔热层里面积水,导致从顶部向下返潮,开空调后湿度能降到70%@30℃,已经觉得很凉了。

20220801_195610.jpg

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WernerPleischner
1个月26天前 修改于 1个月26天前
5楼

这么多年我一直以为“抽湿“是用湿度做闭环控制目标的意思 sticker

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我说要有光
1个月25天前
6楼

v2-5cfc574c5a30c5fdb732abb2d3c90e4e_r.jpg


挺重要的一张图,补一下。可以理解成只要把设定温度拉到空白的地方,湿度就会自己向左移动,直到压住青色的细曲线。

具体舒适的湿度要在使用中自己体会,每个人习惯不一样。

很可惜还没见过带这样界面的空调遥控器。

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20!Dopaminor
1个月22天前
7楼

控制湿度不知道是不是比较难,门窗缝较大的话关掉空调湿度很快就回去了

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bg2vn
1个月14天前
8楼

很多年前我也简单研究了一下这个问题,目前的解决方案:1.5P变频空调28度最大风力+空气净化器(空气循环用)+土豆新风机


(1档小风量)+加湿器+枕头附近青萍蓝牙空气表,从儿子出生开始,这样用了四年了,15平方房间夏天晚上空调稳定功耗在260瓦左右。


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hamho
27天5时前
9楼

干湿球温度指数>25就算高温作业的范围了。

二十六度主要考虑能源问题而不是这个温度设定合不合理。

正如我们的营养膳食推荐的肉奶食用量这些年下来总体一直提高一样,一些问题解决之后这个推荐温度也会下降一些。

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哌醋甲酯
18天7时前
10楼
引用20!Dopaminor发表于3楼的内容
1要是可以检测皮肤湿度,毛孔收缩的生物电等就可以更精确的适配人体需要的温度了吧。2在南方潮湿地区,湿...

太坑,智商税,小米的东西很多智商税

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lx2005
18天7时前
11楼
引用哌醋甲酯发表于10楼的内容
太坑,智商税,小米的东西很多智商税

一部分确实是这样

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刘 虎

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