熱濕地區自然通風與空調交替運行優化研究

劉露露 易培燦 董宇 鄭文國 劉艷峰

1 中建科技集團華南分公司

2 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

我國熱濕地區如廣東、海南及其周邊島礁，夏季漫長，長時間的空調運轉導致建筑能耗居高不下。當室內外存在溫度差時，通過自然通風代替空調降溫可以達到顯著的節能效果[1]。

為了研究自然通風的降溫效益，國內外學者對進行如下研究：M.J.Sorgato、V.Fabi、陳在康等人肯定了自然通風的降溫潛力[2-4]。N.Artmann 等人還提出了夜間氣候冷卻潛力這一定量概念來衡量自然通風的降溫效益[5]。周軍莉等人對間歇通風模式進行實驗研究，給出了夜間間歇通風的室內溫度計算模型[6]。楊昌智等人研究了間歇通風的降溫規律，確定了換氣次數及通風時間的最優組合[7]。上述研究多探討自然通風的建筑節能潛力，較少地對空調與自然通風的交替運行進行定量研究。實際上，由于建筑結構的蓄熱作用，空調與開窗通風模式之間并不是無縫切換，而是存在著延遲時間。而這些自然通風和空調模式轉化的定量條件隨室外氣候、建筑結構的不同而變化。因此為了能夠實現建筑能源的精準利用，有必要針對熱濕地區居住建筑室內外熱環境及居民熱需求，探索適用于該地區的最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間。

為此，本文給出不同外圍護結構條件下適用于該地區的空調及自然通風模式的最佳轉換條件，得出引導當地居民合理使用空調的行為指南，從而降低空調運行能耗，緩解該地區的能源壓力。

1 建筑模型

1.1 建筑概況

如圖1 所示，以瓊海地區某住宅建筑為模擬對象，該住宅戶型為兩室一廳一廚一衛，層高為3.0 m，建筑面積為130.0 m2，建筑整體窗墻比約為0.37。圍護結構熱工參數如表1 所示。

圖1 住宅建筑平面圖

表1 建筑圍護結構熱工參數

室內熱擾主要由三部分組成：人員，照明和設備散熱。起居室最大人數為3 人，其中人員活動時間為9:00-20:00。臥室最大人數為2 人，其中人員作息規律為20:00-次日9:00。人均散熱量為80 W/人。各房間最大照明功率為50 W，照明使用時間為18:00-22:00。設備散熱被認為是放置在廚房和客廳，最大散熱量為200 W，設備使用時間為 8:00-10:00，13:00-15:00 及18:00-20:00。

1.2 模擬工況

通過分析瓊海地區居民行為習慣及當地空調運行模式調查結果，設置了如下5 種不同空調運行工況。

1）傳統空調運行模式

白天10:00-15:00、夜間20:00-次日5:00 空調開啟，設定溫度為26 ℃。

2）自然通風與空調交替運行模式

模式1：△tw≥0，tw=28.5 ℃時開啟空調；△tw＜0，tw=29 ℃時關閉空調。

模式2：△tw≥0，tw=28.5 ℃時開啟空調；△tw＜0，tw=30 ℃時關閉空調。

模式3：△tw≥0，tw=28.5 ℃時開啟空調；△tw＜0，tw=31 ℃時關閉空調。

模式4：△tw≥0，tw=28.5 ℃時開啟空調；△tw＜0，tw=32 ℃時關閉空調。

2 不同房間房間室內熱環境結果分析

以8 月1 日為例，傳統空調運行模式下臥室（東側）溫度模擬結果如圖2 所示。空調處于運行狀態，室內溫度維持在26 ℃。早晨5 點空調關閉，由于室外溫度較低且處于下降階段，盡管室內熱源不斷散熱，但其散熱量較小，室內溫度上升緩慢。隨著時間的推移，太陽輻射強度逐漸增強，室外溫度回升，再加上室內熱源的影響，室內溫度開始顯著回升。上午10:00 點時開啟空調，空調開啟前，室內略高于當地居民舒適溫度，由于兩者之間相差較小，故可近似視為在居民的舒適范圍內。說明以28.5 ℃作為空調的開機溫度剛好滿足居民的熱舒適需求。

圖2 傳統空調運行模式室內外溫度

開啟空調后，經歷10 分鐘左右，室內空氣溫度急劇下降且穩定在26.0 ℃，這是由于空氣熱容較小，空調啟動后，室內空氣與空調進行對流換熱，室溫很快能夠達到設定溫度。直至下午15:00 空調關閉后，室內溫度迅速回升至局部最大值31.3 ℃，超出可接受溫度上限0.8 ℃，使當地居民長達3.5 h 處于不舒適狀態，且增加了圍護結構自身蓄熱量和空調運行負荷。造成上述結果的原因一方面是室內溫度低于室外溫度，室外熱量傳至室內，另一方面內熱源散熱堆積在室內無法排出，故室內溫度迅速回升且居高不下，超出了居民的可接受水平。

圖3、圖4 給出了不同自然通風與空調交替運行模式下，臥室和客廳溫度模擬結果。清晨，客廳和臥室溫度隨著室外溫度逐漸上升，當室外溫度上升至28.5 ℃時，客廳和臥室溫度分別達到29.2 ℃、28.9 ℃。空調開啟后，進入預冷階。客廳和臥室溫度經歷10 分鐘左右的時間便穩定在26 ℃。空調開啟前期，盡管客廳和臥室溫度（29 ℃）略高于人體中性溫度，但超出人體舒適區的持續時間較短，在居民的可接受范圍內。

圖3 客廳-溫度模擬結果

圖4 東臥室-溫度模擬結果

空調關閉后，客廳和臥室溫度變化結果如圖5、6所示。隨著室外溫度的下降，臥室和客廳溫度先升高后降低，最終隨著室外溫度同步變化。過渡期內，圍護結構儲存的冷量被逐漸釋放給室內空氣。與此同時，室內外熱擾的影響，使室內溫度逐步回升。隨著室外溫度繼續下降，自然通風排除的熱量大于內熱源的生成熱，室內溫度逐漸下降，最終與室外溫度同步變化。

圖5 客廳-自然通風延遲時間

從圖3 和圖5 可以看出，對于客廳而言，分別經60 min、50 min、50 min、40 min 后室內外溫度大小相等，所儲存的冷量被逐步釋放出來，此時進行自然通風降溫。工況2～工況5 客廳溫度回升的局部峰值分別為31.1 ℃、30.6 ℃、29.7 ℃、29.3 ℃。

圖4 和圖6 反應了不同工況下東臥室溫度的變化情況及自然通風延遲時間。分別經70 min、60 min、55 min、45 min 后，臥室溫度與室外溫度大小相等，所儲存的冷量被逐步釋放出來。在過渡期內，工況2～工況5 臥室溫度回升的局部峰值分別為30.9 ℃、30.3 ℃、29.6 ℃、29.0 ℃。

圖6 東臥室-自然通風延遲時間

將客廳和臥室模擬結果進行對比分析，發現：過渡期內，相應工況下室內溫度局部峰值，臥室低于客廳0.3 ℃左右。自然通風延遲時間，臥室比客廳長10 min左右。相對于東臥室而言，客廳內擾較大，再加上當地太陽西曬的影響，使客廳得到了更多的熱量，故客廳內溫度較高、自然通風延遲時間較短。

3 不同外圍護結構空調啟閉條件優化

3.1 不同墻體構造下空調啟閉條件優化

本文以上述瓊海地區居住建筑為模擬對象，建筑南北朝向窗墻比為0.35，選取了幾種常用的外圍護結構墻體構造，通過對以上不同外墻構造下，自然通風與空調交替運行模式的室內熱環境模擬后，初步得出了熱濕地區居住建筑自然通風與空調交替運行模式下，最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間。以臥室為例，其優化結果如表2 所示。

表2 不同外墻材料下最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間

將各不同外墻傳熱系數與相應自然通風延遲時間進行回歸分析，得到外墻傳熱系數k 與相應自然通風延遲時間τ 之間的擬合關系，如下所示。

式中：k 為外墻傳熱系數，W/(m2·K)；τ 為自然通風延遲時間，min。

擬合曲線的相關系數R2為0.99，這一結果表明外墻傳熱系數k 與自然通風延遲的時間τ 有著顯著的相關性。

由表2 和圖7 可以得出，隨著外墻傳熱系數的增加，自然通風延遲時間逐漸縮短。當外墻傳熱系數小于0.6 W/(m2·℃)時，自然通風延遲時間為60 min。當外墻傳熱系數在0.6～1.5 W/(m2·℃)之間時，自然通風延遲時間為50 min。當外墻傳熱系數大于1.5 W/(m2·℃)時，自然通風延遲時間為45 min，且變化趨于平緩。

圖7 外墻傳熱系數與自然通風延遲時間

出現上述變化趨勢的原因是因為在室內熱源相同的情況下，外墻傳熱系數越小，室外向室內傳遞熱量時受到的阻力越大，室內溫度波動越趨于平緩，故自然通風延遲時間就會越長。

3.2 不同窗墻比下空調啟閉條件優化

通過對瓊海地區居住建筑調研，發現該省建筑的平均窗墻比大致在0.35～0.45 之間[11]，并且新建建筑相對原有建筑，其平均窗墻比有進一步增大趨勢。本文參照當地典型居住建筑（見圖1），將建筑材料及相應熱工參數，按表1 進行設置。本文以0.25、0.35、0.45 三組南向窗墻比為例，按照本文所設置的工況，對不同窗墻比下的自然通風與空調交替運行模式進行了數值模擬，并對模擬所獲得的結果進行優化分析，得到了不同窗墻比下最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間（見表3）。

表3 不同窗墻比下最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間

表3 表明：建筑窗墻比為0.25、0.35 時，當室外溫度下降至31 ℃時關閉空調，過渡期內室內溫度峰值均低于住戶的可接受溫度上限（30.5 ℃）。當建筑窗墻比達到0.45 時，過渡期內室內溫度峰值高于住戶的可接受溫度上限0.3 ℃，超出了住戶的熱接受水平。為了避免上述不利情況，建議：窗墻比超過0.4 時，空調開機溫度不變，當地住戶可以將空調關機溫度下調至30.5 ℃。

綜合分析表2 和表3，建筑熱工材料及窗墻比的不同，往往能夠引起較大的室內溫度波動，故不同外圍護結構材料及窗墻比下所對應的自然通風延遲時間及室內熱環境有所不同。隨著外圍護結構傳熱系數及窗墻比的增加，空調關機溫度及自然通風延遲時間呈降低趨勢，且過渡期內室內溫度峰值呈增大趨勢，室內熱環境質量不斷下降。該做法對增加了空調運行能耗，對建筑節能是不利的，所以設計人員應該將建筑建筑外圍護結構傳熱性能及窗墻比與主被動熱環境調控策略綜合考慮，盡可能減少孤立島礁地區能源消耗。

4 結論

熱濕地區不同建筑材料，空調關閉后所需要的自然通風延遲時間有所不同，下文將通過數值模擬的方法，對熱濕地區不同建筑結構下的自然通風延遲時間進行模擬，給出適用于該地區的自然通風與圍護結構傳熱系數的擬合公式，其主要結論如下：

1）對臥室而言，工況4 兼顧舒適與節能綜合效果最佳：當室外溫度上升至28.5 ℃時開啟空調，當室外溫度下降至31 ℃時關閉空調，1 h 后進行自然通風。由于客廳內熱源較大，故對于客廳而言，最佳空調啟閉條件與臥室相同，其自然通風延時時間可縮短10 min。

2）針對該地區典型居住建筑，對8 種不同外墻構造下的自然通風與空調交替運行模式進行優化研究，初步得出了熱濕地區居住建筑自然通風與空調交替運行模式下，最佳空調啟閉條件及自然通風延遲時間。將上述各不同外墻傳熱系數與相應自然通風延遲時間的回歸分析，得到外墻傳熱系數k 與相應自然通風延遲時間τ 之間的擬合關系。

3）不同窗墻比下所對應的自然通風與空調相互切換條件有所不同。隨著窗墻比的增加，空調關機溫度及自然通風延遲時間呈降低趨勢，且過渡期內室內溫度峰值呈增大趨勢，室內熱環境質量不斷下降。