華南理工大學建筑學院  劉靜怡 孟慶林 李瓊

       【摘  要】在空調房間使用電扇調風可提高室內空氣流動、彌補室溫升高對人員熱舒適的不良影響，從而允許空調設定溫度提高、節約空調能耗。在空調未啟動時，開窗通風也可與電扇配合調節室內空氣流動。而住宅自然通風模式存在差異，為研究通風模式對夏熱冬暖地區住宅建筑空調聯合電扇調風策略節能效果的影響，利用DeST-H軟件模擬典型城市廣州的四類典型住宅。結果表明在各類通風模式下，運用電扇調風策略具有可觀的節能效果，通風換氣次數范圍為1~10h^-1的可變通風模式的節能效果最優，1~5h^-1模式次之，關窗滲透通風模式最差。

       【關鍵詞】建筑節能；空調聯合電扇調風策略；通風模式；夏熱冬暖地區；住宅建筑

       【基金項目】“十三五”國家重點研發計劃:南方地區大型綜合體建筑綠色設計新方法與技術協同優化(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

       我國夏熱冬暖地區夏季炎熱且漫長，以該地區的典型城市廣州為例，最熱月7月的月平均溫度為28.81℃，日最高溫度為35.60℃，溫度超過26℃的小時數多達2760個小時。夏熱冬暖地區的夏季空調使用時間較長、空調能耗較大，在住宅總能耗中占有相當大的比例，因此探究空調節能措施具有重要意義?！断臒岫貐^居住建筑節能設計標準》^[1]將夏季空調室內設計計算溫度設定為26℃，而在實際情況下，居民一般將空調設定溫度控制在26℃，甚至更低^[2]。

       空調設定溫度對空調耗電量的影響較大，提高空調設定溫度也可有效節約空調能耗^[2-4]。但隨著室內溫度上升，人員對熱環境的滿意度會下降，需要提高室內空氣流動，增加人體對流散熱及蒸發散熱，以彌補室溫升高對室內人員熱舒適的不良影響^[5-6]。諸多國內外學者研究了在室內空氣流動加強時，人體在非空調工況下及空調工況下的可接受的溫度上限[6-10]。翟永超[9]的研究表明，在吊扇調風工況下，受試者80%的溫濕度可接受上限可達30℃，80%RH。而在無風時為低濕度60%時的28℃及高濕度時80%的26℃。胡達明[10]研究了在單一空調工況與采用空調聯合電扇調風工況時，人體典型活動狀態下的室內適宜溫度，發現采用電扇調風時，可保證同等熱環境舒適度要求的溫度補償作用范圍約為2℃，因此可將空調設定溫度從傳統的26℃提高至28℃。已有學者分析了在國內外辦公建筑及國外的住宅中提高空調房間室內空氣流動、提高空調設定溫度的策略及其節能效果的有效性，并建議推廣這一策略^{[5、7、10-11]}。室內空氣可通過開窗、開電扇等方式加強流動。諸多研究發現，在過渡季和夏季人們會積極選擇開窗通風來調節室內溫度^{[8、12]}， 但開窗行為也會受到室外環境的不確定性限制，如高層建筑較高樓層存在室外顆粒物濃度較大、風速過高等情況^[13]。而電扇的使用限制較少，可優先選用電扇作為提高空調房間室內空氣流動的手段，即空調聯合電扇調風策略（以下簡稱電扇調風策略），在空調未啟動時，開窗行為也可與電扇配合調節室內空氣流動。電扇并不直接冷卻空氣 ^[14]，僅加強原有空間空氣流動、影響人體皮膚的散熱過程，在保證人員熱舒適的前提下提高空調設定溫度，從而節約空調能耗。而自然通風可引入室外低溫空氣，導致房間室溫的變化。但住宅自然通風模式存在差異性，不同的通風模式也將對空調能耗產生影響^[15-16]。 

       綜上，在制冷需求巨大的夏熱冬暖地區的住宅中，電扇調風策略存在巨大節能潛力，自然通風模式也將影響電扇調風策略的節能效果，但缺乏針對該地區住宅建筑的應用研究。因此，本研究利用DeST-H軟件模擬夏熱冬暖地區典型城市廣州的典型住宅類型，分析不同通風模式對該地區住宅建筑電扇調風策略節能效果的影響，以期提出可行的應用指導。

1 研究方法

       綜合文獻[17]對珠三角地區典型住宅類型的調研與實際經驗，選取四種住宅類型進行研究：A類多層板式一梯二戶、B類多層板式一梯三戶、C類高層塔式一梯四戶、D類高層塔式一梯六戶（以下簡稱A類一梯兩戶、B類一梯三戶、C類一梯四戶、D類一梯六戶）。利用清華大學開發的模擬建筑物室內熱濕環境及采暖通風空調制冷系統動態過程的大型計算軟件DeST-H進行模擬。本研究的電扇調風工況與作為對照研究的單一電扇工況如表1所示。

表1 單一空調工況及電扇調風工況設計

       本研究所述通風模式均為自然通風模式。定義住戶根據室內外熱狀況開窗、改變通風量的通風模式為可變通風模式，可通過DeST-H軟件中的通風范圍定義設定，即設定一個可變的通風換氣次數范圍：最小通風次數~最大通風次數，亦稱關窗風量（滲透風量）~開窗風量。當室外溫度低于空調設定溫度，且開窗通風并不會導致室溫超過空調設定溫度時, 認為開窗，換氣次數為開窗風量，當室外溫度高于空調設定溫度因而不適宜開窗時，或空調開始運行時，認為關窗，風量為關窗風量^[12]。根據簡毅文[18]及現行規范[1]的研究，關窗風量可取1h^-1，既可反映門窗滲透通風，也可保證室內衛生要求，而對于開窗風量，多層板式建筑（A、B類建筑）可取10h^-1，記為可變通風模式A（1h^-1~10h^-1），簡稱可變通風A；而塔式建筑（C、D類建筑）的較高樓層房間開窗通風受外界條件限制較大，因此根據秦蓉等人^[3]的簡化處理方式，開窗風量取5h^-1，記為可變通風模式B（1h^-1~5h^-1），簡稱可變通風B。為對比可變通風模式的兩種開窗風量對電扇調風節能效果的影響，C類建筑選取兩種可變通風模式進行模擬。定義住戶不開窗，僅靠門窗滲透通風的模式為關窗滲透通風模式（1h^-1），簡稱滲透通風，可通過DeST-H軟件中的逐時通風定義設定，統一取通風換氣次數為關窗風量1h^-1。研究工況詳見表2。

表2 研究工況設計

2 研究模型建立及參數設定

       2.1 氣候參數及典型住宅建筑參數

       選取夏熱冬暖地區典型城市廣州進行能耗模擬，模擬所用氣象數據采用DeST自帶的廣州典型氣象年數據。各月平均干球溫度、全年干球溫度分布如圖1、圖2所示，5~9月的月平均溫度均超過了26℃，干球溫度在26℃~28℃的小時數為1122小時，干球溫度在28℃以上的小時數為1637小時。

圖1 各月平均干球溫度圖（圖片來源：作者自繪）

圖2 全年干球溫度分布圖（圖片來源：作者自繪）

       A、B、C、D類建筑平面形式如表3所示。夏熱冬暖地區氣候較為濕熱，故常在住宅底層設置架空層^[17]，因此在模擬建筑底層也設置架空層。住宅的體型系數、窗墻比、窗地比、遮陽形式、外窗綜合遮陽系數、圍護結構熱工參數等根據《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》^[1]進行調整。建筑朝向均設為南北向，層高取3m，架空層層高取典型高度值3.9m^[17]，其余建筑信息如表4~5所示。

表3  夏熱冬暖地區典型住宅類型

       注：建筑平面為作者根據調研自繪；起-起居廳、主-主臥室、次-次臥室、書-書房、廚-廚房、衛-衛生間

表4 建筑模型參數

表5 建筑圍護結構熱工參數

       2.2 室內擾量及作息設置

       根據《實用供熱空調設計手冊》 ^[19]對三口之家戶型（兩位父母一位子女）各房間人體發熱量進行設置，如表6所示。

表6 不同房間人體熱擾設置

       根據簡毅文[18]、夏如杰[20]對住宅中設備及照明功率給出的參考計算值（表7~8）進行房間設備及照明功率的設定。

表7 電器設備實際功率的變化范圍及計算值

表8 不同房間的照明功率值

       室內人員、照明、設備作息綜合簡毅文[18]、夏如杰[20]對居民行為及用能習慣的調研結果進行設置，如圖3~4所示。

圖3 各房間人員作息圖

圖4 各房間設備及燈光作息圖

       （注：起-起居廳、主-主臥室、次-次臥室、書-書房、工-工作日、休-休息日，圖片來源：作者自繪）

       2.3 空調、電扇參數及作息設定起居廳、主

       臥室、次臥室、書房為空調與電扇的運行房間，夏季空調設定溫度依單一空調工況26℃、電扇調風工況28℃進行設置，不對冬季工況進行研究，空調能效比取3.0，全年空調耗電量即為為全年冷負荷/能效比（3.0）?？照{作息綜合簡毅文[18] 、馬一騰[21]對住宅空調使用情況的調研結果進行設置，如表9所示。根據簡毅文[18]的市場調研，電扇功率可取25~45W，本研究取35W。設每一空調房間布置一臺電扇，電扇調風工況的電扇運行時間為電扇調風工況的空調作息內，房間溫度大于26℃的小時數，電扇作息詳見前文表1。

表9 空調運行作息

       注：全天時間段按0：00~24：00記，運行作息為可開啟時間段，當時間段內房間溫度未超過空調設定溫度，空調仍不開啟。

3 模擬結果分析

       通過對廣州地區的典型住宅設置對應的通風模式：可變通風模式A（1~10h^-1）、可變通風模式B（1~5h^-1）、滲透通風模式（1h^-1），進行單一空調運行工況與空調聯合電扇調風工況的全年逐時空調負荷模擬，以分析通風模式對夏熱冬暖地區住宅建筑電扇調風策略的自然通風利用、空調運行時間、制冷能耗節能量（以下簡稱節能量）、制冷能耗節能率（以下簡稱節能率）等的影響。計算結果如表10、圖5所示，分析如下：

表10 各工況能耗分析表


圖5 各工況能耗分析圖（圖片來源：作者自繪）

       結合圖5分析可以看出，通風模式為可變通風A的A類一梯二戶、B類一梯三戶及作為對比的C類一梯四戶住宅的節能率較接近，在45%左右；通風模式為可變通風B的C類一梯四戶與D類一梯六戶住宅的節能率較接近，在35%上下。通風模式為滲透通風的四類建筑類型的節能率較接近，在20%上下。通風模式相同的建筑類型的節能率差異不大。

       再分析三種通風方式的節能量及節能率的差異，從圖5可以看出通風模式為可變通風A的建筑類型的節能量及節能率最高，可變通風B次之，滲透通風最低。節能效果與最大通風換氣次數，即開窗風量呈正相關，開窗風量更大的可變通風模式的電扇調風策略節能效果更好。

       為進一步分析通風模式影響電扇調風策略的原因，以可變通風A下的A類一梯二戶、C類一梯四戶住宅與可變通風B下的C類一梯四戶住宅，以及滲透通風下的A類一梯二戶、C類一梯四戶住宅為例進行分析。

       1）自然通風利用分析

       開窗通風可引入室外低溫空氣，降低房間室溫，從而影響空調開啟時間。滲透通風設定為全年用戶關窗，因此無法利用自然通風?？勺兺LA與B的開窗風量不同，導致全年自然通風時間不同。

       以7月9日為例分析C類一梯四戶中間層起居廳C-1（圖6）三種通風模式下、空調作息時段17：00-24：00內，房間室溫、通風換氣次數隨時間的變化。此時室外逐時溫度低于26℃，適宜開窗通風。從圖7~8可看出：在單一電扇工況空調設定溫度為26℃的情況下，可變通風A下的房間在18點、19點、20點、22點、23點都為最大通風換氣次數10h^-1，可使該時刻的房間室溫低于26℃，空調僅在17點、21點開啟；而可變通風B下的房間因為開窗的最大通風換氣次數為5h^-1，引入的外界空氣不足以降低室內溫度至26℃以下，而滲透通風下房間關窗，室內發熱源集聚的熱量無法散出，因此房間均全程開啟空調將室溫保持在26℃。

圖6 C-1房間示意圖（圖片來源：作者自繪）

圖7  各工況C-1房間通風換氣次數圖（圖片來源：作者自繪）

  圖8 各工況C-1房間通風換氣次數圖（圖片來源：作者自繪）    

       在電扇調風工況空調設定溫度為28℃的情況下，可變通風A和B下的房間都可通過開窗通風使房間室溫低于28℃，空調不開啟，而可變通風A的開窗風量大于B，因此可引入更多室外低溫空氣，房間室溫也更低。而滲透通風下房間關窗，室內發熱源集聚的熱量同樣無法散出，房間全程開啟空調將室溫保持在28℃。

       再以C-1房間為例，分析三種通風模式下的全年的自然通風時間及空調運行時間。如圖9所示，可變通風A下C-1房間在單一空調工況、電扇調風工況時的自然通風時間均增加，空調運行時間均減少，空調運行時間減少率比可變通風B更大。而滲透通風模式下C-1房間全年關窗，無自然通風時間，空調運行時間也多于可變通風A和B，空調運行時間減少率也小于兩種通風模式。

圖9 各工況C-1房間自然通風、空調運行時間圖（圖片來源：作者自繪）

       因此，當通風模式從滲透通風變為可變通風，且可變通風的開窗風量近一步增大時，建筑的自然通風時間將增加，空調運行時間將減少，電扇調風策略的空調運行時間減少率將增大，更有利于電扇調風節能。

       2）空調、電扇運行時間與能耗分析

       當C類一梯四戶的通風方式從滲透通風變為可變通風B，開窗風量再從5h^-1增加到10h^-1，變為可變通風A時，結合圖5、圖10分析，住宅在單一空調工況、電扇調風工況時的空調運行時間均逐級減少，因此相應的空調能耗也逐級減小，且空調運行時間減少率也均逐級上升，電扇調風策略提高空調設定溫度對空調運行時間的減少效果增強， 并且電扇的運行時間也逐級減少，電扇耗電量逐級減小。A類一梯二戶由滲透通風變為可變通風A的變化規律同上。當C類一梯四戶的開窗風量增加至與A類一梯二戶同樣的10 h^-1時，其節能率可增至41.77%，與A類建筑的節能率44.61%更為接近。

圖10 各工況空調、電扇運行時間分析圖（圖片來源：作者自繪）

       因此，當通風模式從滲透通風變為可變通風，且可變通風的開窗風量近一步增大時，單一電扇工況與電扇調風工況下建筑的空調耗電量都將減少，電扇調風工況的電扇耗電量也將減少，而節能量增加，電扇調風策略的節能效果也將增強。

4 結語

       以夏熱冬暖的典型城市廣州為例，分析了四類典住宅在對應的可變通風模式A（1~10h^-1）或可變通風模式B（1~5h^-1）及關窗滲透通風模式（1h^-1）下空調聯合電扇調風策略的節能效果，可得出以下結論：

       （1）在可變通風模式A、B與關窗滲透通風模式對應的各類型住宅中運用電扇調風策略，均具有一定的節能效果，相同通風模式下的的電扇調風節能率更為接近，不同通風模式下的的節能率存在較大差別。

       （2）可變通風模式A（1~10h^-1）的節能效果優于可變通風模式B（1~5h^-1），優于關窗滲透通風模式（1h^-1）。開窗風量更大時，可更有效引入室外低溫空氣，減少空調運行時間，并可進一步增強電扇調風策略提高空調設定溫度對空調運行時間的減少效果。單一電扇工況與電扇調風工況下建筑的空調耗電量都將減少，電扇調風工況的電扇耗電量也將減少，而節能量增加，電扇調風策略的節能效果也將增強。

       （3）電扇的投入花費及運行、維護費用都遠小于空調，在夏熱冬暖地區住宅建筑中應用電扇調風策略可有效節約能源消耗，值得大力推廣。開窗通風對電扇調風措施具有增益，在住宅設計時還應考慮居住區風環境、房間通風的可行性，在建筑外窗設計時可考慮如何兼具通風與灰塵過濾，增加開窗通風的可能性。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。