上海中小學建筑風扇空調聯合運行研究分析

范昕杰呂芳

1上海現代建筑設計（集團）有限公司技術中心

2上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司

上海中小學建筑風扇空調聯合運行研究分析

范昕杰1呂芳2

1上海現代建筑設計（集團）有限公司技術中心

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本文主要研究在過渡季節由風扇、空調聯合運行改善室內舒適度在上海中小學建筑中的可行性及節能率。分析模型基于中小學建筑特征的調研結果，在此基礎上通過CFD與能耗模擬軟件，對風扇運行能否滿足室內舒適度要求，風扇與空調聯合運行策略相對于單一使用空調滿足室內舒適度要求的能耗差異進行模擬研究。研究結果表明在過渡季節使用風扇可以滿足室內人員的舒適度要求，風扇與空調聯合運行的策略可以為學校帶來23.2%的節能效益。

舒適度 能耗 風扇 空調 聯合運行

綠色校園理念最早于1972年斯德哥爾摩人類環境會議上提出，繼而1994年聯合國教科文組織把可持續理念融入學校發展策略[1，2]。我國現存中小學建筑面積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，空調能耗作為校園能耗的大頭，對校園節能具有重大意義[3，4]。對于學校而言，是否使用空調制冷取決于對不舒適環境的耐受程度。高效的自然通風能夠增加人體的耐受程度，減少對空調制冷的需求[5]。然而自然通風存在一定的不確定性，通過風扇改善室內自然通風，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建筑為對象，研究風扇空調聯合運行策略，從舒適度的保障與節能貢獻率兩方面對風扇的作用展開分析。

1 上海氣候特征與中小學建筑特征

上海屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，平均溫度可見表1，過渡季節中9月份溫度最高為24.4℃，溫度最低為3月份9.9℃；過渡季節主要風向北偏東北，平均風速3.4m/s，日平均輻射強度173W/m2。

通過對已建成的10所上海中小學圖紙調檔和分析，上海城區中小學教學樓的朝向多采用南向和南偏東朝向，與過渡季節風向相迎，存在較好的自然通風潛力。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自然通風。具體參見表2。

表1 上海市月平均氣溫（℃）

表2 上海中小學既有建筑特征

從上海氣候特點與教室的建筑特征的分析結果來看，上海中小學教室存在較好的自然通風能力。

2 風扇對室內舒適度的改善

2.1 分析模型

典型教室模型根據調研結果建立，朝向南，窗地比21.9%。單間開間9m，進深7.2m，層高3m。五間教室兩側均設置窗戶，靠北側設置3扇窗戶，窗戶尺寸2.1m×1.8m，可開啟面積1.5m2；南側設置高窗2扇，窗戶尺寸1.8m×0.6m，門梁上方設置通氣窗，窗戶尺寸0.9m×0.4m，皆向內開啟，可開啟角度30°。教室南向設門兩扇，門徑0.9m，門高2.1m。每間教室內前后設兩個吊扇，每間教室安排學生40人，教師1人。室內熱負荷由人員、設備及太陽輻射熱組成。室內人員服裝熱阻0.70clo，靜坐狀態每人發熱量79W，照明功率按9W/m2，設備功率按5W/m2。參見圖1。

圖1 教室模型外輪廓

2.2 分析思路

過渡季節的教室主要以冷負荷為主，增加室內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，為過渡季節最不利于自然通風時段，風扇若能在9月份滿足室內舒適度要求，即可以認為也滿足過渡季節其他月份要求，故以下分析中以9月份氣象參數為主，分析風扇對室內舒適度的改善程度。模擬中認為室外無風，以模擬單純依靠電扇增加室內空氣流動促進室內外對流換熱的作用。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，可三檔調節風量。平均每檔風量分別為80m3/min、160m3/min、210m3/min。設置三個Case，具體見表3。

表3 吊扇風量

2.3 結果分析

模擬結果顯示，不同換吊扇風量檔位對室內的PMV指數有不同程度改善。較大的電扇風量使得室內的PMV更小，室內環境更加舒適。Case3由于風量較大，室內PMV分布顯示最為舒適，但整體上，三者的PMV分布呈現相同的規律：電扇下方及靠近電扇四周區域的PMV值優于其他地區。圖2～4為三個Case的PMV值分布，在Case1的PMV分布中，中心圓形區域由于風速直接作用，PMV值較低，由于風量較小無法對四周產生較大影響，教室內部大部分區域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的吊扇風量在Case1的基礎上增大了一倍，吊扇出風對教室的作用區域得到較明顯的擴大。吊扇下方及四周的PMV明顯下降。臨近窗口部分由于風扇作用加強對流換熱PMV值也較優。電扇正下方周邊區域和窗口周邊區域的中間過渡區域PMV較差。整體上，PMV值高于1.5的區域得到明顯縮小。

圖3 Case2-PMV云圖

Case3的風量進一步增大，對室內舒適度影響也進一步加大，PMV進一步降低，電扇正下方周邊區域和窗口周邊區域的中間過渡區域的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現，風扇對室內舒適度有較好的改善作用，但當風量較小時，作用區域存在較大不均勻性，處于風扇下方的舒適度的改善程度最明顯，其次是窗口區域，中間過渡區域的改善程度最差。

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

表4 PMV統計

3 風扇運行的能耗水平

3.1 運行策略

以上結論證明風扇可以通過被動方式增加教室空氣流動，加強室內外對流換熱，達到改善室內舒適度的較好效果，進一步將分析使用電扇后對空調節能的貢獻率。

表5 室內溫度統計

首先分析室內的平均溫度，炎熱9月室內通過架設電扇，不同的風量可以使得室內維持不同的平均溫度，具體見表5。

表5中顯示無風扇作用，室內平均溫度較高為32.3℃，開啟風扇后，溫度下降較為明顯，當風量進一步提高，室內的平均溫度也得到了進一步的下降。210m3/min風量下，室內平均溫度為27.4℃，雖然高于一般規范規定的26℃，但研究表明：在室外氣象參數相同的條件下，自然通風舒適性溫度的范圍比空調環境熱舒適溫度范圍要寬，即自然通風環境的舒適溫度高于空調環境。這些情況出現的原因是由于空調環境是穩態環境，人在空調環境中只能被動地接受室內設定的環境參數，它掩蓋了人體的適應性能力[5]。由于上述分析中已經得到室內平均溫度為27.4℃時，PMV值滿足規范要求，故以此溫度作為架設電扇后空調開啟溫度。而全部采用空調滿足舒適度要求依然采用當時室內高于26℃即認為室內人員舒適度不滿足要求的運行策略。綜上考慮，制定以下空調運行開閉策略用于分析，具體見表6。

表6 風扇、空調運行策略

3.2 參數設置

圍護結構參數按照《上海市公共建筑節能設計標準》DBJ08-107-2012選取，具體參見表7。

表7 圍護結構熱工參數表

室內電氣、照明功率密度按照《上海市公共建筑節能設計標準》DBJ08-107-2012以及《建筑照明設計標準》GB50034-2004選取，詳見表8。

表8 電器、照明功率密度設定

學校授課主要時間段為8：30～16：00，人員、照明以及設備使用均主要集中在這個時段。另外，學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機組，其不同運行模式下的性能系數都保持相同，COP3.1滿足國家節能標準。氣象參數選取美國能源部對上海的全年氣象參數的統計文件。

表9 室內人員、照明、設備時間表

3.3 模擬結果

表10是采用電扇與空調聯合運行與全部采用空調運行的能耗對比。從模擬結果中可得，相同條件下，9月份當采用電扇與空調聯合運行時能耗為1570kWh，而全部空調運行的能耗為2050kWh，其節能率達到了23.4%。過渡季節月份在此運行模式下，除11月份上海已經無供冷需求外，其他都大大降低了空調用電的耗能量，降低幅度均在40%以上。另外，六月份由于學校需要上課，也存在室內舒適度的需求，采用空調模式下的耗能為1800kWh，采用電扇+空調綜合運行模式的能耗為1370kWh，節能率達到23.9%。總體上，采用電扇與空調聯合運行的模式，上海中小學建筑全年的空調耗電量可以節省29.6%，節能效益非常可觀。

表10 過渡季節空調運行能耗（kWh）

以上分析中僅為空調能耗，電扇的能耗雖然較空調能耗較少，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，全年室內舒適度需求時段內5個教室的電扇運行能耗估算為336kWh。考慮電扇能耗后，依然能為空調節能1214kWh，節能率為23.2%。節能效益可觀。

4 結論

本文主要研究對象為上海市中小學建筑，通過對上海市氣象條件、中小學建筑特征的調研分析，在分析結果基礎上建立典型模型進行室內舒適度與空調能耗地計算。在模擬計算結果中，主要將風扇對室內舒適度的改善情況以及風扇加空調綜合運行模式的節能率進行了分析，得到一些有利于推進綠色校園發展的有用結論，具體可以歸結為以下幾點：

1）上海中小學建筑的朝向多為南向和南偏東朝向，窗地比較高，達到整體高的20%～30%，具有通過室內外通風加強換熱的較好條件。

2）風扇可以較好地促進室內空氣流通，在室外無風條件下充當自然通風的作用。即使是在過渡季節較為炎熱的9月份，當教室內裝有2臺吊扇，每臺風扇風量大于210m3/min時，室內PMV均值能夠維持在1以下，滿足國家標準要求。此時，室內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平均舒適度達到國家標準，證明電扇具有保障上海中小學過渡季節室內舒適度的能力，從而建議教室室內安裝電扇來改善室內舒適度。

3）由于教育活動也需要在夏季6月份進行，完全依靠電扇無法保障全年室內舒適度的要求，空調勢必也存在安裝的需要。但采用電扇與空調聯合運行滿足教室供冷階段舒適度的模式，相對全空調模式可以帶來較好的節能效果。相同的條件下，9月份電扇空調聯合運行模式比全空調運行模式節省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聯合運行模式依然可以為空調節能23.2%的耗電量。電扇與空調聯合運行存在較大的節能潛力，加上電扇購置安裝費用較低，建議上海中小學建筑采用電扇空調聯合運行模式來維持過渡季節室內舒適度。

本項研究工作得到了上海市科學技術委員會課題《上海城區學校綠色建筑設計研究及示范》（12dz1201901）的資助。

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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；上海現代建筑設計（集團）有限公司技術中心（200041）；E-mail:xinjie_fan@xd-ad.com.cn

上海市科學技術委員會（12dz1201901）