上海中小學(xué)建筑風(fēng)扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行研究分析

范昕杰呂芳

1上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心

2上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司

上海中小學(xué)建筑風(fēng)扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行研究分析

范昕杰1呂芳2

1上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心

2上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司

本文主要研究在過渡季節(jié)由風(fēng)扇、空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行改善室內(nèi)舒適度在上海中小學(xué)建筑中的可行性及節(jié)能率。分析模型基于中小學(xué)建筑特征的調(diào)研結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過CFD與能耗模擬軟件，對風(fēng)扇運(yùn)行能否滿足室內(nèi)舒適度要求，風(fēng)扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行策略相對于單一使用空調(diào)滿足室內(nèi)舒適度要求的能耗差異進(jìn)行模擬研究。研究結(jié)果表明在過渡季節(jié)使用風(fēng)扇可以滿足室內(nèi)人員的舒適度要求，風(fēng)扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行的策略可以為學(xué)校帶來23.2%的節(jié)能效益。

舒適度 能耗 風(fēng)扇 空調(diào) 聯(lián)合運(yùn)行

綠色校園理念最早于1972年斯德哥爾摩人類環(huán)境會議上提出，繼而1994年聯(lián)合國教科文組織把可持續(xù)理念融入學(xué)校發(fā)展策略[1，2]。我國現(xiàn)存中小學(xué)建筑面積1.4萬億m2，但能源管理水平低，教育建筑人均能耗是一般建筑的4倍，空調(diào)能耗作為校園能耗的大頭，對校園節(jié)能具有重大意義[3，4]。對于學(xué)校而言，是否使用空調(diào)制冷取決于對不舒適環(huán)境的耐受程度。高效的自然通風(fēng)能夠增加人體的耐受程度，減少對空調(diào)制冷的需求[5]。然而自然通風(fēng)存在一定的不確定性，通過風(fēng)扇改善室內(nèi)自然通風(fēng)，可以較好地解決不確定性、舒適度與能耗等問題。本文主要以上海中小學(xué)建筑為對象，研究風(fēng)扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行策略，從舒適度的保障與節(jié)能貢獻(xiàn)率兩方面對風(fēng)扇的作用展開分析。

1 上海氣候特征與中小學(xué)建筑特征

上海屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，平均溫度可見表1，過渡季節(jié)中9月份溫度最高為24.4℃，溫度最低為3月份9.9℃；過渡季節(jié)主要風(fēng)向北偏東北，平均風(fēng)速3.4m/s，日平均輻射強(qiáng)度173W/m2。

通過對已建成的10所上海中小學(xué)圖紙調(diào)檔和分析，上海城區(qū)中小學(xué)教學(xué)樓的朝向多采用南向和南偏東朝向，與過渡季節(jié)風(fēng)向相迎，存在較好的自然通風(fēng)潛力。由于教室作用的特殊性，窗地比較高，平均在20%～30%左右，同樣十分有利于促進(jìn)自然通風(fēng)。具體參見表2。

表1 上海市月平均氣溫（℃）

表2 上海中小學(xué)既有建筑特征

從上海氣候特點(diǎn)與教室的建筑特征的分析結(jié)果來看，上海中小學(xué)教室存在較好的自然通風(fēng)能力。

2 風(fēng)扇對室內(nèi)舒適度的改善

2.1 分析模型

典型教室模型根據(jù)調(diào)研結(jié)果建立，朝向南，窗地比21.9%。單間開間9m，進(jìn)深7.2m，層高3m。五間教室兩側(cè)均設(shè)置窗戶，靠北側(cè)設(shè)置3扇窗戶，窗戶尺寸2.1m×1.8m，可開啟面積1.5m2；南側(cè)設(shè)置高窗2扇，窗戶尺寸1.8m×0.6m，門梁上方設(shè)置通氣窗，窗戶尺寸0.9m×0.4m，皆向內(nèi)開啟，可開啟角度30°。教室南向設(shè)門兩扇，門徑0.9m，門高2.1m。每間教室內(nèi)前后設(shè)兩個吊扇，每間教室安排學(xué)生40人，教師1人。室內(nèi)熱負(fù)荷由人員、設(shè)備及太陽輻射熱組成。室內(nèi)人員服裝熱阻0.70clo，靜坐狀態(tài)每人發(fā)熱量79W，照明功率按9W/m2，設(shè)備功率按5W/m2。參見圖1。

圖1 教室模型外輪廓

2.2 分析思路

過渡季節(jié)的教室主要以冷負(fù)荷為主，增加室內(nèi)外空氣流通與對流換熱是第一需求，由表1得9月份室外平均溫度較高，為過渡季節(jié)最不利于自然通風(fēng)時段，風(fēng)扇若能在9月份滿足室內(nèi)舒適度要求，即可以認(rèn)為也滿足過渡季節(jié)其他月份要求，故以下分析中以9月份氣象參數(shù)為主，分析風(fēng)扇對室內(nèi)舒適度的改善程度。模擬中認(rèn)為室外無風(fēng)，以模擬單純依靠電扇增加室內(nèi)空氣流動促進(jìn)室內(nèi)外對流換熱的作用。電扇布置形式為：兩臺葉片直徑為1.2m的吊扇，平均安裝于教室前后兩側(cè)，可三檔調(diào)節(jié)風(fēng)量。平均每檔風(fēng)量分別為80m3/min、160m3/min、210m3/min。設(shè)置三個Case，具體見表3。

表3 吊扇風(fēng)量

2.3 結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示，不同換吊扇風(fēng)量檔位對室內(nèi)的PMV指數(shù)有不同程度改善。較大的電扇風(fēng)量使得室內(nèi)的PMV更小，室內(nèi)環(huán)境更加舒適。Case3由于風(fēng)量較大，室內(nèi)PMV分布顯示最為舒適，但整體上，三者的PMV分布呈現(xiàn)相同的規(guī)律：電扇下方及靠近電扇四周區(qū)域的PMV值優(yōu)于其他地區(qū)。圖2～4為三個Case的PMV值分布，在Case1的PMV分布中，中心圓形區(qū)域由于風(fēng)速直接作用，PMV值較低，由于風(fēng)量較小無法對四周產(chǎn)生較大影響，教室內(nèi)部大部分區(qū)域PMV值較高，為1.5左右，靠近外窗處的PMV稍低。

圖2 Case2-PMV云圖

Case2的吊扇風(fēng)量在Case1的基礎(chǔ)上增大了一倍，吊扇出風(fēng)對教室的作用區(qū)域得到較明顯的擴(kuò)大。吊扇下方及四周的PMV明顯下降。臨近窗口部分由于風(fēng)扇作用加強(qiáng)對流換熱PMV值也較優(yōu)。電扇正下方周邊區(qū)域和窗口周邊區(qū)域的中間過渡區(qū)域PMV較差。整體上，PMV值高于1.5的區(qū)域得到明顯縮小。

圖3 Case2-PMV云圖

Case3的風(fēng)量進(jìn)一步增大，對室內(nèi)舒適度影響也進(jìn)一步加大，PMV進(jìn)一步降低，電扇正下方周邊區(qū)域和窗口周邊區(qū)域的中間過渡區(qū)域的PMV也得到改善。整體上，PMV值普遍小于1.0。

圖4 Case3-PMV云圖

從以上三張圖的分析中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇對室內(nèi)舒適度有較好的改善作用，但當(dāng)風(fēng)量較小時，作用區(qū)域存在較大不均勻性，處于風(fēng)扇下方的舒適度的改善程度最明顯，其次是窗口區(qū)域，中間過渡區(qū)域的改善程度最差。

整體上，風(fēng)扇能較好地改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，提升室內(nèi)的舒適度程度。針對室內(nèi)PMV值，ISO7730對PMV的推薦值為PMV值在-0.5～+0.5之間。由于國人體質(zhì)不同，參照我國《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T18049-2000），對采用平均熱感覺指數(shù)（PMV）進(jìn)行評價時，其值宜為：-1≤PMV≤+1。表4為Case1～3的平均PMV值統(tǒng)計，Case1與Case2的PMV平均值為1.23與1.03，不滿足規(guī)范-1≤PMV≤+1的要求，Case3的PMV為0.89，滿足規(guī)范要求。從PMV的分析中，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)風(fēng)扇風(fēng)量大于等于210m3/min時，即可滿足9月份，也即能滿足過渡季節(jié)上海市中小學(xué)教室的室內(nèi)舒適度的需求。

表4 PMV統(tǒng)計

3 風(fēng)扇運(yùn)行的能耗水平

3.1 運(yùn)行策略

以上結(jié)論證明風(fēng)扇可以通過被動方式增加教室空氣流動，加強(qiáng)室內(nèi)外對流換熱，達(dá)到改善室內(nèi)舒適度的較好效果，進(jìn)一步將分析使用電扇后對空調(diào)節(jié)能的貢獻(xiàn)率。

表5 室內(nèi)溫度統(tǒng)計

首先分析室內(nèi)的平均溫度，炎熱9月室內(nèi)通過架設(shè)電扇，不同的風(fēng)量可以使得室內(nèi)維持不同的平均溫度，具體見表5。

表5中顯示無風(fēng)扇作用，室內(nèi)平均溫度較高為32.3℃，開啟風(fēng)扇后，溫度下降較為明顯，當(dāng)風(fēng)量進(jìn)一步提高，室內(nèi)的平均溫度也得到了進(jìn)一步的下降。210m3/min風(fēng)量下，室內(nèi)平均溫度為27.4℃，雖然高于一般規(guī)范規(guī)定的26℃，但研究表明：在室外氣象參數(shù)相同的條件下，自然通風(fēng)舒適性溫度的范圍比空調(diào)環(huán)境熱舒適溫度范圍要寬，即自然通風(fēng)環(huán)境的舒適溫度高于空調(diào)環(huán)境。這些情況出現(xiàn)的原因是由于空調(diào)環(huán)境是穩(wěn)態(tài)環(huán)境，人在空調(diào)環(huán)境中只能被動地接受室內(nèi)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)，它掩蓋了人體的適應(yīng)性能力[5]。由于上述分析中已經(jīng)得到室內(nèi)平均溫度為27.4℃時，PMV值滿足規(guī)范要求，故以此溫度作為架設(shè)電扇后空調(diào)開啟溫度。而全部采用空調(diào)滿足舒適度要求依然采用當(dāng)時室內(nèi)高于26℃即認(rèn)為室內(nèi)人員舒適度不滿足要求的運(yùn)行策略。綜上考慮，制定以下空調(diào)運(yùn)行開閉策略用于分析，具體見表6。

表6 風(fēng)扇、空調(diào)運(yùn)行策略

3.2 參數(shù)設(shè)置

圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照《上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ08-107-2012選取，具體參見表7。

表7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表

室內(nèi)電氣、照明功率密度按照《上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ08-107-2012以及《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2004選取，詳見表8。

表8 電器、照明功率密度設(shè)定

學(xué)校授課主要時間段為8：30～16：00，人員、照明以及設(shè)備使用均主要集中在這個時段。另外，學(xué)校授課時間為周一至周五，周末休息，模擬能耗主要時間表參見表9。

模擬中所用的冷熱源形式為分體式空調(diào)機(jī)組，其不同運(yùn)行模式下的性能系數(shù)都保持相同，COP3.1滿足國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。氣象參數(shù)選取美國能源部對上海的全年氣象參數(shù)的統(tǒng)計文件。

表9 室內(nèi)人員、照明、設(shè)備時間表

3.3 模擬結(jié)果

表10是采用電扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行與全部采用空調(diào)運(yùn)行的能耗對比。從模擬結(jié)果中可得，相同條件下，9月份當(dāng)采用電扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行時能耗為1570kWh，而全部空調(diào)運(yùn)行的能耗為2050kWh，其節(jié)能率達(dá)到了23.4%。過渡季節(jié)月份在此運(yùn)行模式下，除11月份上海已經(jīng)無供冷需求外，其他都大大降低了空調(diào)用電的耗能量，降低幅度均在40%以上。另外，六月份由于學(xué)校需要上課，也存在室內(nèi)舒適度的需求，采用空調(diào)模式下的耗能為1800kWh，采用電扇+空調(diào)綜合運(yùn)行模式的能耗為1370kWh，節(jié)能率達(dá)到23.9%。總體上，采用電扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行的模式，上海中小學(xué)建筑全年的空調(diào)耗電量可以節(jié)省29.6%，節(jié)能效益非?？捎^。

表10 過渡季節(jié)空調(diào)運(yùn)行能耗（kWh）

以上分析中僅為空調(diào)能耗，電扇的能耗雖然較空調(diào)能耗較少，但也需要考慮。每間教室中安裝有2個電扇，電扇的運(yùn)行會增加耗電量，每個電扇的功率約為70W，由于一天的正常教育授課時間約為8小時左右，電扇開啟時間6、9月份按開啟6個小時計算，其他月份按開啟3個小時計算，全年室內(nèi)舒適度需求時段內(nèi)5個教室的電扇運(yùn)行能耗估算為336kWh?？紤]電扇能耗后，依然能為空調(diào)節(jié)能1214kWh，節(jié)能率為23.2%。節(jié)能效益可觀。

4 結(jié)論

本文主要研究對象為上海市中小學(xué)建筑，通過對上海市氣象條件、中小學(xué)建筑特征的調(diào)研分析，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上建立典型模型進(jìn)行室內(nèi)舒適度與空調(diào)能耗地計算。在模擬計算結(jié)果中，主要將風(fēng)扇對室內(nèi)舒適度的改善情況以及風(fēng)扇加空調(diào)綜合運(yùn)行模式的節(jié)能率進(jìn)行了分析，得到一些有利于推進(jìn)綠色校園發(fā)展的有用結(jié)論，具體可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）上海中小學(xué)建筑的朝向多為南向和南偏東朝向，窗地比較高，達(dá)到整體高的20%～30%，具有通過室內(nèi)外通風(fēng)加強(qiáng)換熱的較好條件。

2）風(fēng)扇可以較好地促進(jìn)室內(nèi)空氣流通，在室外無風(fēng)條件下充當(dāng)自然通風(fēng)的作用。即使是在過渡季節(jié)較為炎熱的9月份，當(dāng)教室內(nèi)裝有2臺吊扇，每臺風(fēng)扇風(fēng)量大于210m3/min時，室內(nèi)PMV均值能夠維持在1以下，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。此時，室內(nèi)的月平均溫度將維持在27.4℃左右。由于在炎熱的9月份電扇依然能維持室內(nèi)平均舒適度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，證明電扇具有保障上海中小學(xué)過渡季節(jié)室內(nèi)舒適度的能力，從而建議教室室內(nèi)安裝電扇來改善室內(nèi)舒適度。

3）由于教育活動也需要在夏季6月份進(jìn)行，完全依靠電扇無法保障全年室內(nèi)舒適度的要求，空調(diào)勢必也存在安裝的需要。但采用電扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行滿足教室供冷階段舒適度的模式，相對全空調(diào)模式可以帶來較好的節(jié)能效果。相同的條件下，9月份電扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行模式比全空調(diào)運(yùn)行模式節(jié)省23.4%的耗電量。再算上電扇耗電量之后，全年供冷需求下電扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行模式依然可以為空調(diào)節(jié)能23.2%的耗電量。電扇與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行存在較大的節(jié)能潛力，加上電扇購置安裝費(fèi)用較低，建議上海中小學(xué)建筑采用電扇空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行模式來維持過渡季節(jié)室內(nèi)舒適度。

本項研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會課題《上海城區(qū)學(xué)校綠色建筑設(shè)計研究及示范》（12dz1201901）的資助。

[1]譚洪衛(wèi).中國綠色校園的發(fā)展與思考[J].建設(shè)科技,2013,(12): 25-27

[2]吳志強(qiáng),汪滋淞,干靚.綠色校園評價標(biāo)準(zhǔn)編制研究[J].建設(shè)科技,2013,(6):52-55

[3]吳志強(qiáng).綠色校園—為了我們共同的未來[J].建設(shè)科技,2013, (12):16-19

[4]王崇杰,劉薇薇.中小學(xué)綠色校園研究[J].中外建筑,2013,(8): 21-24

[5]Bragger G S,deodar J.A standard for natural ventilation[J].ASH -RAE Journal,2000,42(10):21-28

Re s e a rc h on Fa n&Air-c onditioning J oint Ope ra tion Stra te gy in Tra ns ition Se a s on for Educ a tion Building in Sha ngha i

FAN Xin-jie1,LV Fang2
1 Technical Center of Shanghai Xian Dai Architectural Design(Group)Co.,Ltd.
2 Shanghai Xian Dai Architecture,Engineering&Consulting Co.,Ltd.

This paper established the education building model on the architectural features survey results of Shanghai primary and secondary school.CFD and EQUEST numerical simulation was used for the analysis of fan& air-conditioning joint operation strategy.It concludes that fan can meet the requirement of Thermal comfort models evaluation criteria during the transition season and 23.2%energy efficiency can be obtained by the joint operation strategy of fan and the air conditioning.

thermal comfort,energy consumption,fan,air conditioning,combined operation

1003-0344（2015）03-001-4

2014-4-29

范昕杰（1987～），男，碩士，助工；上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心（200041）；E-mail:xinjie_fan@xd-ad.com.cn

上海市科學(xué)技術(shù)委員會（12dz1201901）