华南理工大学建筑学院  刘静怡 孟庆林 李琼

       【摘  要】在空调房间使用电扇调风可提高室内空气流动、弥补室温升高对人员热舒适的不良影响，从而允许空调设定温度提高、节约空调能耗。在空调未启动时，开窗通风也可与电扇配合调节室内空气流动。而住宅自然通风模式存在差异，为研究通风模式对夏热冬暖地区住宅建筑空调联合电扇调风策略节能效果的影响，利用DeST-H软件模拟典型城市广州的四类典型住宅。结果表明在各类通风模式下，运用电扇调风策略具有可观的节能效果，通风换气次数范围为1~10h^-1的可变通风模式的节能效果最优，1~5h^-1模式次之，关窗渗透通风模式最差。

       【关键词】建筑节能；空调联合电扇调风策略；通风模式；夏热冬暖地区；住宅建筑

       【基金项目】“十三五”国家重点研发计划:南方地区大型综合体建筑绿色设计新方法与技术协同优化(2016YFC0700200)

Abstract: The use of electric fans in air-conditioned rooms can improve indoor air movement and make up for the adverse effects of rising room temperature on people's thermal comfort. So, the temperature setpoints of air conditioner is allowed to be increased, thus saving energy consumption. When the air conditioner is not started, the introduction of ventilation by opening the window can also cooperate with the electric fan to adjust the indoor air flow. However, there are differences in the mode of natural ventilation in residences. In order to study the influence of ventilation mode on the energy saving effect of combining air conditioner with fan air adjustment strategy in residences in hot summer and warm winter zone, four typical residences in Guangzhou were simulated by DeST-H software. The results show that under all kinds of ventilation modes, the strategy of electric fan ventilation has considerable energy-saving effect. The variable ventilation mode with the range of ventilation times of 1~10h-1 has the best energy-saving effect, the 1~5h-1 mode takes the second place, and the window-closing osmotic ventilation mode is the worst.
Key words: energy saving; combining air conditioner with fan air adjustment strategy; ventilation modes; hot summer and warm winter zone; residences

0 引言

       我国夏热冬暖地区夏季炎热且漫长，以该地区的典型城市广州为例，最热月7月的月平均温度为28.81℃，日最高温度为35.60℃，温度超过26℃的小时数多达2760个小时。夏热冬暖地区的夏季空调使用时间较长、空调能耗较大，在住宅总能耗中占有相当大的比例，因此探究空调节能措施具有重要意义。《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》^[1]将夏季空调室内设计计算温度设定为26℃，而在实际情况下，居民一般将空调设定温度控制在26℃，甚至更低^[2]。

       空调设定温度对空调耗电量的影响较大，提高空调设定温度也可有效节约空调能耗^[2-4]。但随着室内温度上升，人员对热环境的满意度会下降，需要提高室内空气流动，增加人体对流散热及蒸发散热，以弥补室温升高对室内人员热舒适的不良影响^[5-6]。诸多国内外学者研究了在室内空气流动加强时，人体在非空调工况下及空调工况下的可接受的温度上限[6-10]。翟永超[9]的研究表明，在吊扇调风工况下，受试者80%的温湿度可接受上限可达30℃，80%RH。而在无风时为低湿度60%时的28℃及高湿度时80%的26℃。胡达明[10]研究了在单一空调工况与采用空调联合电扇调风工况时，人体典型活动状态下的室内适宜温度，发现采用电扇调风时，可保证同等热环境舒适度要求的温度补偿作用范围约为2℃，因此可将空调设定温度从传统的26℃提高至28℃。已有学者分析了在国内外办公建筑及国外的住宅中提高空调房间室内空气流动、提高空调设定温度的策略及其节能效果的有效性，并建议推广这一策略^{[5、7、10-11]}。室内空气可通过开窗、开电扇等方式加强流动。诸多研究发现，在过渡季和夏季人们会积极选择开窗通风来调节室内温度^[8、12]， 但开窗行为也会受到室外环境的不确定性限制，如高层建筑较高楼层存在室外颗粒物浓度较大、风速过高等情况^[13]。而电扇的使用限制较少，可优先选用电扇作为提高空调房间室内空气流动的手段，即空调联合电扇调风策略（以下简称电扇调风策略），在空调未启动时，开窗行为也可与电扇配合调节室内空气流动。电扇并不直接冷却空气 ^[14]，仅加强原有空间空气流动、影响人体皮肤的散热过程，在保证人员热舒适的前提下提高空调设定温度，从而节约空调能耗。而自然通风可引入室外低温空气，导致房间室温的变化。但住宅自然通风模式存在差异性，不同的通风模式也将对空调能耗产生影响^[15-16]。 

       综上，在制冷需求巨大的夏热冬暖地区的住宅中，电扇调风策略存在巨大节能潜力，自然通风模式也将影响电扇调风策略的节能效果，但缺乏针对该地区住宅建筑的应用研究。因此，本研究利用DeST-H软件模拟夏热冬暖地区典型城市广州的典型住宅类型，分析不同通风模式对该地区住宅建筑电扇调风策略节能效果的影响，以期提出可行的应用指导。

1 研究方法

       综合文献[17]对珠三角地区典型住宅类型的调研与实际经验，选取四种住宅类型进行研究：A类多层板式一梯二户、B类多层板式一梯三户、C类高层塔式一梯四户、D类高层塔式一梯六户（以下简称A类一梯两户、B类一梯三户、C类一梯四户、D类一梯六户）。利用清华大学开发的模拟建筑物室内热湿环境及采暖通风空调制冷系统动态过程的大型计算软件DeST-H进行模拟。本研究的电扇调风工况与作为对照研究的单一电扇工况如表1所示。

表1 单一空调工况及电扇调风工况设计

       本研究所述通风模式均为自然通风模式。定义住户根据室内外热状况开窗、改变通风量的通风模式为可变通风模式，可通过DeST-H软件中的通风范围定义设定，即设定一个可变的通风换气次数范围：最小通风次数~最大通风次数，亦称关窗风量（渗透风量）~开窗风量。当室外温度低于空调设定温度，且开窗通风并不会导致室温超过空调设定温度时, 认为开窗，换气次数为开窗风量，当室外温度高于空调设定温度因而不适宜开窗时，或空调开始运行时，认为关窗，风量为关窗风量^[12]。根据简毅文[18]及现行规范[1]的研究，关窗风量可取1h^-1，既可反映门窗渗透通风，也可保证室内卫生要求，而对于开窗风量，多层板式建筑（A、B类建筑）可取10h^-1，记为可变通风模式A（1h^-1~10h^-1），简称可变通风A；而塔式建筑（C、D类建筑）的较高楼层房间开窗通风受外界条件限制较大，因此根据秦蓉等人^[3]的简化处理方式，开窗风量取5h^-1，记为可变通风模式B（1h^-1~5h^-1），简称可变通风B。为对比可变通风模式的两种开窗风量对电扇调风节能效果的影响，C类建筑选取两种可变通风模式进行模拟。定义住户不开窗，仅靠门窗渗透通风的模式为关窗渗透通风模式（1h^-1），简称渗透通风，可通过DeST-H软件中的逐时通风定义设定，统一取通风换气次数为关窗风量1h^-1。研究工况详见表2。

表2 研究工况设计

2 研究模型建立及参数设定

       2.1 气候参数及典型住宅建筑参数

       选取夏热冬暖地区典型城市广州进行能耗模拟，模拟所用气象数据采用DeST自带的广州典型气象年数据。各月平均干球温度、全年干球温度分布如图1、图2所示，5~9月的月平均温度均超过了26℃，干球温度在26℃~28℃的小时数为1122小时，干球温度在28℃以上的小时数为1637小时。

图1 各月平均干球温度图（图片来源：作者自绘）

图2 全年干球温度分布图（图片来源：作者自绘）

       A、B、C、D类建筑平面形式如表3所示。夏热冬暖地区气候较为湿热，故常在住宅底层设置架空层^[17]，因此在模拟建筑底层也设置架空层。住宅的体型系数、窗墙比、窗地比、遮阳形式、外窗综合遮阳系数、围护结构热工参数等根据《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》^[1]进行调整。建筑朝向均设为南北向，层高取3m，架空层层高取典型高度值3.9m^[17]，其余建筑信息如表4~5所示。

表3  夏热冬暖地区典型住宅类型

       注：建筑平面为作者根据调研自绘；起-起居厅、主-主卧室、次-次卧室、书-书房、厨-厨房、卫-卫生间

表4 建筑模型参数

表5 建筑围护结构热工参数

       2.2 室内扰量及作息设置

       根据《实用供热空调设计手册》 ^[19]对三口之家户型（两位父母一位子女）各房间人体发热量进行设置，如表6所示。

表6 不同房间人体热扰设置

       根据简毅文[18]、夏如杰[20]对住宅中设备及照明功率给出的参考计算值（表7~8）进行房间设备及照明功率的设定。

表7 电器设备实际功率的变化范围及计算值

表8 不同房间的照明功率值

       室内人员、照明、设备作息综合简毅文[18]、夏如杰[20]对居民行为及用能习惯的调研结果进行设置，如图3~4所示。

图3 各房间人员作息图

图4 各房间设备及灯光作息图

       （注：起-起居厅、主-主卧室、次-次卧室、书-书房、工-工作日、休-休息日，图片来源：作者自绘）

       2.3 空调、电扇参数及作息设定起居厅、主

       卧室、次卧室、书房为空调与电扇的运行房间，夏季空调设定温度依单一空调工况26℃、电扇调风工况28℃进行设置，不对冬季工况进行研究，空调能效比取3.0，全年空调耗电量即为为全年冷负荷/能效比（3.0）。空调作息综合简毅文[18] 、马一腾[21]对住宅空调使用情况的调研结果进行设置，如表9所示。根据简毅文[18]的市场调研，电扇功率可取25~45W，本研究取35W。设每一空调房间布置一台电扇，电扇调风工况的电扇运行时间为电扇调风工况的空调作息内，房间温度大于26℃的小时数，电扇作息详见前文表1。

表9 空调运行作息

       注：全天时间段按0：00~24：00记，运行作息为可开启时间段，当时间段内房间温度未超过空调设定温度，空调仍不开启。

3 模拟结果分析

       通过对广州地区的典型住宅设置对应的通风模式：可变通风模式A（1~10h^-1）、可变通风模式B（1~5h^-1）、渗透通风模式（1h^-1），进行单一空调运行工况与空调联合电扇调风工况的全年逐时空调负荷模拟，以分析通风模式对夏热冬暖地区住宅建筑电扇调风策略的自然通风利用、空调运行时间、制冷能耗节能量（以下简称节能量）、制冷能耗节能率（以下简称节能率）等的影响。计算结果如表10、图5所示，分析如下：

表10 各工况能耗分析表


图5 各工况能耗分析图（图片来源：作者自绘）

       结合图5分析可以看出，通风模式为可变通风A的A类一梯二户、B类一梯三户及作为对比的C类一梯四户住宅的节能率较接近，在45%左右；通风模式为可变通风B的C类一梯四户与D类一梯六户住宅的节能率较接近，在35%上下。通风模式为渗透通风的四类建筑类型的节能率较接近，在20%上下。通风模式相同的建筑类型的节能率差异不大。

       再分析三种通风方式的节能量及节能率的差异，从图5可以看出通风模式为可变通风A的建筑类型的节能量及节能率最高，可变通风B次之，渗透通风最低。节能效果与最大通风换气次数，即开窗风量呈正相关，开窗风量更大的可变通风模式的电扇调风策略节能效果更好。

       为进一步分析通风模式影响电扇调风策略的原因，以可变通风A下的A类一梯二户、C类一梯四户住宅与可变通风B下的C类一梯四户住宅，以及渗透通风下的A类一梯二户、C类一梯四户住宅为例进行分析。

       1）自然通风利用分析

       开窗通风可引入室外低温空气，降低房间室温，从而影响空调开启时间。渗透通风设定为全年用户关窗，因此无法利用自然通风。可变通风A与B的开窗风量不同，导致全年自然通风时间不同。

       以7月9日为例分析C类一梯四户中间层起居厅C-1（图6）三种通风模式下、空调作息时段17：00-24：00内，房间室温、通风换气次数随时间的变化。此时室外逐时温度低于26℃，适宜开窗通风。从图7~8可看出：在单一电扇工况空调设定温度为26℃的情况下，可变通风A下的房间在18点、19点、20点、22点、23点都为最大通风换气次数10h^-1，可使该时刻的房间室温低于26℃，空调仅在17点、21点开启；而可变通风B下的房间因为开窗的最大通风换气次数为5h^-1，引入的外界空气不足以降低室内温度至26℃以下，而渗透通风下房间关窗，室内发热源集聚的热量无法散出，因此房间均全程开启空调将室温保持在26℃。

图6 C-1房间示意图（图片来源：作者自绘）

图7  各工况C-1房间通风换气次数图（图片来源：作者自绘）

  图8 各工况C-1房间通风换气次数图（图片来源：作者自绘）    

       在电扇调风工况空调设定温度为28℃的情况下，可变通风A和B下的房间都可通过开窗通风使房间室温低于28℃，空调不开启，而可变通风A的开窗风量大于B，因此可引入更多室外低温空气，房间室温也更低。而渗透通风下房间关窗，室内发热源集聚的热量同样无法散出，房间全程开启空调将室温保持在28℃。

       再以C-1房间为例，分析三种通风模式下的全年的自然通风时间及空调运行时间。如图9所示，可变通风A下C-1房间在单一空调工况、电扇调风工况时的自然通风时间均增加，空调运行时间均减少，空调运行时间减少率比可变通风B更大。而渗透通风模式下C-1房间全年关窗，无自然通风时间，空调运行时间也多于可变通风A和B，空调运行时间减少率也小于两种通风模式。

图9 各工况C-1房间自然通风、空调运行时间图（图片来源：作者自绘）

       因此，当通风模式从渗透通风变为可变通风，且可变通风的开窗风量近一步增大时，建筑的自然通风时间将增加，空调运行时间将减少，电扇调风策略的空调运行时间减少率将增大，更有利于电扇调风节能。

       2）空调、电扇运行时间与能耗分析

       当C类一梯四户的通风方式从渗透通风变为可变通风B，开窗风量再从5h^-1增加到10h^-1，变为可变通风A时，结合图5、图10分析，住宅在单一空调工况、电扇调风工况时的空调运行时间均逐级减少，因此相应的空调能耗也逐级减小，且空调运行时间减少率也均逐级上升，电扇调风策略提高空调设定温度对空调运行时间的减少效果增强， 并且电扇的运行时间也逐级减少，电扇耗电量逐级减小。A类一梯二户由渗透通风变为可变通风A的变化规律同上。当C类一梯四户的开窗风量增加至与A类一梯二户同样的10 h^-1时，其节能率可增至41.77%，与A类建筑的节能率44.61%更为接近。

图10 各工况空调、电扇运行时间分析图（图片来源：作者自绘）

       因此，当通风模式从渗透通风变为可变通风，且可变通风的开窗风量近一步增大时，单一电扇工况与电扇调风工况下建筑的空调耗电量都将减少，电扇调风工况的电扇耗电量也将减少，而节能量增加，电扇调风策略的节能效果也将增强。

4 结语

       以夏热冬暖的典型城市广州为例，分析了四类典住宅在对应的可变通风模式A（1~10h^-1）或可变通风模式B（1~5h^-1）及关窗渗透通风模式（1h^-1）下空调联合电扇调风策略的节能效果，可得出以下结论：

       （1）在可变通风模式A、B与关窗渗透通风模式对应的各类型住宅中运用电扇调风策略，均具有一定的节能效果，相同通风模式下的的电扇调风节能率更为接近，不同通风模式下的的节能率存在较大差别。

       （2）可变通风模式A（1~10h^-1）的节能效果优于可变通风模式B（1~5h^-1），优于关窗渗透通风模式（1h^-1）。开窗风量更大时，可更有效引入室外低温空气，减少空调运行时间，并可进一步增强电扇调风策略提高空调设定温度对空调运行时间的减少效果。单一电扇工况与电扇调风工况下建筑的空调耗电量都将减少，电扇调风工况的电扇耗电量也将减少，而节能量增加，电扇调风策略的节能效果也将增强。

       （3）电扇的投入花费及运行、维护费用都远小于空调，在夏热冬暖地区住宅建筑中应用电扇调风策略可有效节约能源消耗，值得大力推广。开窗通风对电扇调风措施具有增益，在住宅设计时还应考虑居住区风环境、房间通风的可行性，在建筑外窗设计时可考虑如何兼具通风与灰尘过滤，增加开窗通风的可能性。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。