改善宿舍熱環境的風扇空調聯合運行策略研究及節能分析

（廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006）

一、引言

宿舍作為學生居住的建筑，宿舍的室內環境品質直接影響學生的身體健康和學習效率，而室內熱舒適是室內環境品質的重要方面。同時，建筑節能的原則是在保證人體熱舒適的條件下盡量降低建筑能耗。[1]目前，宿舍主要依靠空調系統進行空氣調節，滿足室內熱舒適的需求，傳統的空調系統會耗費大量的能量。Fanger 等人提出，當室內實際作用溫度高于設計溫度時，允許提高空氣速度來彌補較高的作用溫度的影響。[2][3]我們提出空調結合風扇策略，通過實驗研究該策略對于宿舍室內熱舒適和建筑節能的影響。本文針對廣州大學學生宿舍，研究空調結合風扇的調節策略，分析不同方案對于宿舍熱舒適和節能的影響。

二、實驗設計及分析方法

（一）實驗方案

本實驗通過風機盤管空調系統和臺式風扇控制宿舍的溫度、濕度、風速等室內環境參數，營造了自然通風、僅使用風扇通風、中檔空調、中檔空調加風扇、高檔空調以及高檔空調加風扇等六種環境控制策略下的室內環境狀態。具體實驗工況如表1 所示：

表1 各工況下的環境參數

實驗進行過程中，每一工況下室內環境至少保持穩定20 分鐘，并在此期間對室內人員進行室內熱環境的主觀評價調查，以研究不同環境控制策略下室內環境對人舒適性的影響。實驗中采用德圖溫濕度計（型號testo625，精度±0.5℃，±2.5%RH）測量室內溫、濕度，風杯式風速計（型號16026，精度為±（0.3±0.03V）m/s，V 為實際風速，風速測量范圍為0-30m/s）測量室內風速。

（二）熱環境評價方法

1.PMV-PPD 指標

PMV 指標綜合考慮了人體活動情況、著衣情況、空氣溫度、濕度、流速等因素，代表了對同一環境絕大多數人的舒適感覺，利用PMV 指標預測熱環境下人體的熱反應。由于人與人之間的生理差別，少數人對該熱環境并不滿意，故用PPD 指標來表示對熱環境不滿意的百分數。[4]

PMV-PPD 指標的計算涉及多種參數，過程較復雜，本實驗將在夏季典型條件下進行計算，著重研究室內空氣溫度、風速與人體熱感覺、能耗之間的關系。PMV 計算參數范圍見表2。

表2 PMV 計算參數范圍

本實驗在計算PMV-PPD 指標時，分為六種工況：自然通風、僅使用風扇通風、中檔空調、中檔空調加風扇、高檔空調以及高檔空調加風扇，分別測得六種工況下的宿舍座位處的溫度、相對濕度和風速，為了減小實驗誤差，提高數據的準確程度，需要進行多次實驗，計算結果并且取其平均值，最后使用PMV 熱舒適計算分析工具計算PMV-PPD 指標。

根據表1、2 數據，利用PMV 熱舒適計算分析工具計算PMV-PPD 值，得出圖1、2 數據。

2.問卷調查

問卷調查通過受試者填寫的問卷數據，可以得出受試者對于室內環境的主觀評價，同時，通過匯總問卷數據，可以清晰地看出各評價的人數及其占總人數的百分比。

本實驗通過招募受試者進入測試房間，使受試者分別體驗六種工況下的宿舍房間熱環境，并讓受試者填寫熱舒適調查問卷，問卷內容主要是受試者對房間的熱感覺評價，最后通過整理問卷數據得出受試者對房間熱環境的主觀評價。

三、結果分析

（一）PMV-PPD 結果分析

表3 PMV 分度

通過圖1，2 我們可以看出：

在自然條件下，即不使用空調和風扇的情況下，PMV值接近4，按照PMV的分度（見表3），此時熱感覺為熱，而PPD 值為100%，表示所有人都對此時的熱環境不滿意；

在僅使用風扇的情況下，PMV 值雖然有所下降，但是仍然接近3，此時熱感覺仍為熱，而PPD 值為98%，表示仍有98%的人對熱環境感到不滿意，說明僅使用風扇對于改善宿舍熱環境效果不佳；

在僅使用中檔空調的情況下，PMV 值相比自然情況下的值有了較大下降，PMV值為0.95，此時的熱感覺為稍暖，PPD 值也降為24%，說明開啟中檔空調對于宿舍熱環境有較大的改善；

在同時使用中檔空調和風扇的情況下，PMV值達到了-0.44，此時熱感覺為中性，PPD 值為9%，此時的熱環境能使大多數人感到滿意；

在僅使用高檔空調的情況下，PMV 值為0.18，熱感覺為中性，PPD 值為6%，說明僅使用高檔空調也可滿足大多數人的熱舒適需求；

在同時使用高檔空調和風扇的情況下，PMV 值達到了-0.9，接近于-1，此時熱感覺為稍涼，與僅使用高檔空調的情況相比，PPD 值增加了14%，達到了20%,說明在使用高檔空調的條件下，使用風扇反而會使熱環境變差。

一般來說，希望PMV 值在-0.5 到+0.5 之間，即相當于人群中有10%的人感覺不滿意。[4]對于以上六種工況下的熱環境，只有同時使用中檔空調和風扇的情況以及使用高檔空調的情況達到了理想的熱環境。

（二）問卷調查結果分析

如圖3,4 所示，在自然通風和僅使用風扇這兩種情況下，分別有100%和90%的受試者的評價為非常熱，說明在自然通風條件下，室內熱環境惡劣，使大多數人感到不舒適，而僅使用風扇難以對其進行改善。

如圖5 所示，在僅使用中檔空調的情況下，有40%的受試者的評價為中性，有50%的受試者的評價為有點暖，剩下的10%的受試者熱感覺評價為暖。可見，僅使用中檔空調可以使宿舍環境得到一定的改善，但仍然無法滿足大多數人的熱舒適需求。

如圖6，7 所示，在中檔空調與風扇聯合使用和僅使用高檔空調這兩種情況下，90%以上的受試者的熱感覺評價為中性。可見，這兩種情況均可滿足大多數人對室內熱環境的需求。

如圖8 所示，在同時使用高檔空調和風扇的情況下，有60%的受試者評價為中性，另有10%和30%的受試者分別評價為涼和有點涼，說明在使用高檔空調的情況下，使用風扇調風反而會使室內熱環境惡化。

通過以上對問卷數據的分析，可以得出：風扇調風在空調設定溫度較高的情況下可以達到改善室內熱環境的效果，而在空調設定溫度較低的情況下，聯合使用風扇會使室內熱環境惡化。

（三）節能分析

中檔空調和風扇聯合使用時的室內空氣溫度在27℃左右，而僅使用高檔空調時的室內空氣溫度在26℃左右，兩種情況都滿足室內熱舒適性要求，可見，使用風扇進行調風可以在較高的空調設置溫度下使室內達到熱舒適。

在滿足室內熱舒適要求時，通過空調聯合風扇使用，可將空調設定溫度由26℃提高到27℃，這將在一定程度上減小空調能耗，起到一定的節能效果。

為了研究空調聯合風扇使用對空調能耗的影響，選取某間學生宿舍為研究對象進行分析。宿舍房間長為6m，寬為3.5m，高為3.2m，面積為21 m2，南北向，外墻傳熱系數為0.71W/(m2·K)，內墻傳熱系數為2.38W/(m2·K)，外窗采用單層塑鋼窗，掛淺色內窗簾，傳熱系數為4.7W/(m2·K)，夏季室外空調計算干球溫度取34.2℃。分別計算室內設計溫度為26℃和27℃時的房間逐時冷負荷（在室內設計溫度為27℃時以每20m2布置一臺40W的風扇的形式增加設備功率），根據計算結果，分析空調聯合風扇使用對空調能耗的影響及節能率（見圖9）。

從圖9 可以看出，空調聯合風扇使用來達到室內熱舒適要求可以減少房間冷負荷，從而降低空調能耗。隨著室內冷負荷的升高，節能率降低，但節能率可以保持在5%以上，說明空調聯合風扇使用策略可達到一定的節能效果。

四、結語

綜上分析，可以得出：在夏季，宿舍內使用風扇進行調風可以在較高的空調設置溫度下使室內達到熱舒適，可起到一定的節能作用。因此，在這個倡導節能的時代，對于已有空調系統的宿舍樓，空調和風扇聯合運行這一做法值得提倡。