典型夏熱城市住宅自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗影響分析

劉猛，劉學(xué)麗，詹翔，張會福，張成昱

(1. 重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶,400045；2. 重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶,400045；3. 機械工業(yè)第三設(shè)計研究院,重慶,400039)

隨著我國居民生活水平的快速提高, 住宅面積不斷增加。據(jù)國家統(tǒng)計局相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從2002年至2011 年底城鎮(zhèn)人均住房建筑面積不斷增加，從24.5 m2增長到了32.7 m2，增加了33%[1]；同時，隨著經(jīng)濟水平的提升，人們對室內(nèi)熱環(huán)境改善的要求日益提升，居民空調(diào)器擁有量也迅速提高。至2011 年底，重慶、上海、江蘇、廣東、福建等夏季炎熱省市的每百戶空調(diào)器擁有量均已超過150 臺，遠遠超過全國的平均水平122 臺[1]。近年來，夏季高溫攀升不斷推高空調(diào)負荷，我國大多數(shù)省份迎峰度夏，為確保夏季負荷高峰期間可靠用電，上海市，湖南，湖北等多省采取了拉閘限電措施。夏季空調(diào)負荷給電力供應(yīng)帶來了巨大的壓力，對于夏季炎熱地區(qū)，空調(diào)能耗較高，尤其需要尋求適用的節(jié)能措施以降低空調(diào)能耗，被動式技術(shù)中的自然通風(fēng)不失為一個良好舉措。自然通風(fēng)可以在不消耗能源的情況下降低室內(nèi)溫度[2-3]，進而取代或部分取代空調(diào)以節(jié)約能源。國外有部分學(xué)者對太陽煙囪，通風(fēng)閥，百葉窗，雙層幕墻等措施應(yīng)用于改善自然通風(fēng)效果進行了研究[4-8]，也有學(xué)者對自然通風(fēng)節(jié)能潛力進行了研究。Santamouris 等[9]對希臘214 個空調(diào)住宅采用夜間通風(fēng)技術(shù)的能耗數(shù)據(jù)進行分析，得出冷負荷每年降低最多可達40 kW·h/m2，平均降低12 kW·h/m2。Cardinale 等[10]利用AIOLOS 軟件模擬了意大利阿爾蓋羅，安科納，博洛尼亞3 種門窗開啟模式下的兩層半獨立式住宅的能耗，分析7 月至9 月的空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，得出采用自然通風(fēng)的建筑在博洛尼亞可節(jié)能52%，安科納節(jié)能41%，阿爾蓋羅節(jié)能46%。國內(nèi)有部分學(xué)者對住宅自然通風(fēng)的節(jié)能效果進行了研究，陳東[11]利用DeST 研究了自然通風(fēng)對福州某公寓樓全年空調(diào)能耗的影響，得出考慮了自然通風(fēng)后, 與標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)模式相比,該樓夏季空調(diào)能耗下降了8.8%。劉曉訊[12]利用DeST 軟件模擬廈門某一典型住宅在固定通風(fēng)次數(shù)和自然通風(fēng)情況下的建筑冷負荷，得到在廈門點式住宅中，自然通風(fēng)對于降低建筑冷負荷有顯著作用，而且溫度越高，自然通風(fēng)效果越明顯。吳揚等[13]利用DeST-h 模擬了福建省南平市某住宅樓其空調(diào)在固定通風(fēng)和自然通風(fēng)下的冷負荷，得出采用自然通風(fēng)能減少空調(diào)冷負荷的峰值，這對于減少夏季供電壓力具有重要意義。夏季炎熱地區(qū)，空調(diào)能耗主要來源于夏季制冷，在室外氣候條件允許情況下，合理利用自然通風(fēng)將會有效減少空調(diào)能耗。在此本文作者研究夏熱城市住宅自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗影響，從房間使用模式、開窗模式和空調(diào)控制溫度3 個因素的變化分析自然通風(fēng)對夏季空調(diào)能耗的影響。

1 研究方法

本文采用清華大學(xué)開發(fā)的DeST (designer’s simulation toolkit home)建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包進行能耗模擬。考慮到不同時段，不同開窗方式會對自然通風(fēng)效果產(chǎn)生不同影響，由此選擇了4 種典型的開窗模式。另外，空調(diào)控制溫度和房間使用模式會對人員開窗的行為產(chǎn)生一定的影響，進而影響自然通風(fēng)效果，本文也將研究兩者對空調(diào)能耗造成的影響。

1.1 研究對象

分別選取位于重慶、上海、深圳、福州4 個城市的3 種典型平面形式的住宅建筑，分別是板式，點式和L 式。所有建筑均是正南朝向，層數(shù)4 層，層高3 m。建筑每一層均由4 戶相同的戶型(見圖1)構(gòu)成。窗墻比均是按客廳0.45，次臥室0.4，衛(wèi)生間0.3，廚房0.18設(shè)置，內(nèi)外遮陽均未設(shè)置。建筑平面形式見圖2。

圖1 單個戶型平面圖Fig.1 Single unit plan

1.2 基準(zhǔn)建筑參數(shù)設(shè)置

模擬采用參數(shù)見表1 和表2。

依據(jù)JGJ75—2003《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度均設(shè)置為26 ℃[14-15]。耐受溫度上限為29 ℃。耐受溫度是指用戶并非在室內(nèi)溫度超出設(shè)定溫度時就會開啟空調(diào)，而是會有一定的忍受范圍,超出該容忍范圍才會開啟空調(diào)，而當(dāng)開啟空調(diào)后，房間溫度就會保持在設(shè)定溫度的范圍內(nèi)。起居室和臥室外，其余房間均是非空調(diào)房間。在工作日白天家里無人的情況下空調(diào)運行具體設(shè)置見表3。

圖2 板式、點式和L 式建筑平面圖Fig.2 Plan of spider type,slap-type and L-type

表1 圍護結(jié)構(gòu)材料及熱工參數(shù)Table 1 Envelop materials and thermal performance parameters

表2 室內(nèi)熱源情況Table 2 Indoor heat source

1.3 房間使用模式

考慮到房間使用模式不同，人員開窗習(xí)慣會有所差異(見表4)。為研究不同房間使用模式對空調(diào)能耗產(chǎn)生的差異，在工作日白天家里有人的情況下，選取2種開窗模式進行研究。

表3 臥室和起居室空調(diào)運行時間Table 3 Air conditioner operation schedule in bedroom and living room

表4 房間使用模式Table 4 Room occupation mode

1.4 開窗模式

為研究開窗模式對空調(diào)能耗的影響，模擬建筑的其他參數(shù)與基準(zhǔn)建筑保持一致，僅是改變4 種開窗模式對應(yīng)的參數(shù)。

本文不同開窗模式主要通過開窗時間及通風(fēng)換氣次數(shù)體現(xiàn)，通風(fēng)換氣模式設(shè)定為一個風(fēng)量的變化范圍(關(guān)窗風(fēng)量(滲透風(fēng)量)～開窗風(fēng)量)，該種通風(fēng)模式表示當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度,適于開窗通風(fēng)時，認為用戶開窗，室內(nèi)外通風(fēng)換氣量為開窗風(fēng)量；當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度，不適合開窗時，認為用戶關(guān)窗，風(fēng)量為關(guān)窗風(fēng)量。在用戶肯定不開窗的其他時間段內(nèi)，風(fēng)量為關(guān)窗風(fēng)量。這種根據(jù)室內(nèi)外溫度來確定通風(fēng)量的方法，在一定程度上反映了用戶通過開關(guān)門窗來調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境的行為[16]。

根據(jù)相關(guān)文獻，關(guān)窗風(fēng)量可取0.5 h-1，開窗風(fēng)量可取10 h-1[16]。由于選取建筑所處地區(qū)氣象條件不同，4 個城市開窗風(fēng)量設(shè)置有所差別。全天關(guān)閉的模式下，滲透風(fēng)量取0.5 h-1，白天開啟與晚上開啟模式下，最小通風(fēng)換氣次數(shù)為1 h-1，最大通風(fēng)換氣次數(shù)重慶取10 h-1，上海，深圳，福州取20 h-1。入寢后關(guān)掉一部分窗戶，認為此時的最大通風(fēng)換氣次數(shù)為全開時的一半，具體設(shè)置見表5。

表5 臥室開窗模式Table 5 Window opening mode in bedroom

2 計算結(jié)果和分析

2.1 房間使用模式對空調(diào)能耗的影響

保持基準(zhǔn)建筑其他設(shè)置參數(shù)不變，根據(jù)表4 房間使用模式的設(shè)置，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 房間使用模式與空調(diào)冷負荷關(guān)系Fig.3 Relationship between room operation mode and cooling load

由圖3 可知：重慶、上海、深圳和福州4 個城市W2 房間使用模式下，冷負荷要比W1 低10%左右。其中深圳減少百分比最大，其次是上海，福州，重慶。由于白天有人時，當(dāng)室外溫度適宜自然通風(fēng)時，人員開窗利用自然通風(fēng)進行冷卻，進而減少了空調(diào)冷負荷。

2.2 開窗模式對空調(diào)能耗的影響

保持基準(zhǔn)建筑其他參數(shù)不變，根據(jù)表5 不同開窗模式(K1，K2，K3 和K4)的設(shè)置，對位于重慶、上海、深圳和福州的3 種不同平面形式的建筑在4 種不同開窗模式下的空調(diào)能耗進行模擬，結(jié)果如圖4 所示。選取板式、點式和L 式建筑的3 個戶型(3 個戶型的平面位置見圖2)的冷負荷進行分析，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知：任一種開窗模式下，同一城市的點式建筑和板式建筑冷負荷相比，差異不大，而L 式建筑冷負荷最大。另外，比較各城市建筑冷負荷可以看出，無論何種平面形式的建筑，K1 相對于K2 冷負荷減少率以重慶平均減少最多，說明入寢后只關(guān)一部分窗戶的開窗模式，在重慶的自然通風(fēng)節(jié)能效果最好，其次是福州，上海，深圳。K2 相對于K3 冷負荷減少率以上海最大，重慶最小，其余2 個城市相差不大。由K2 和K3 開窗模式對比可知，傍晚用戶開啟一段時間的窗戶，在上海的節(jié)能效果最大，重慶最小。這種自然通風(fēng)冷卻節(jié)能效果的差異主要是由各地室外氣象參數(shù)不同產(chǎn)生。

另外，4 個城市，冷負荷均是K1 最小，其次是K2，K3，K4。開窗模式K1 入寢后保留一部分窗戶開啟，相對于K2 入寢后關(guān)閉所有窗戶冷負荷平均減少了2%左右；K2 相對于K3 全天關(guān)閉窗戶冷負荷平均減少了6%左右。說明晚間入寢后只關(guān)掉一部分窗戶或者用戶傍晚開啟一段時間窗戶，將有利于減少空調(diào)冷負荷。這是因為在夏季傍晚和夜間，室外溫度較低，通過開窗利用室外較低室外空氣進行自然通風(fēng)冷卻，可以在一定程度上減少空調(diào)冷負荷。對于開窗模式K4窗戶全天開啟比K3 多8%～18%的空調(diào)冷負荷。這主要是因為夏季白天室外溫度較高，此時開窗反而增加了空調(diào)冷負荷。

單獨分析典型戶型，由圖5 可知，與分析整個建筑冷負荷所得情況不同，3 個戶型開窗模式K1 入寢后保留一部分窗戶開啟，相對于K2 入寢后關(guān)閉所有窗戶冷負荷平均減少了7%，其中戶型H2 減少百分比略比H1 和H3 低1%；K2 相對于K3 全天關(guān)閉窗戶冷負荷平均減少2%左右。H3戶型減少百分比最小為1.4%，H1 最大為2.7%；對于開窗模式K4 窗戶全天開啟比K3 平均增加了9.5%。其中以H2 增加百分比最大，H1 和H3 相差不大。綜合以上分析，可從一定程度說明，H2 戶型的自然通風(fēng)節(jié)能效果略比H1 和H3 的差。

圖4 4 個城市不同平面形式建筑開窗模式與空調(diào)冷負荷關(guān)系Fig.4 Relationship between window opening mode and cooling load for different layouts in four cities

圖5 開窗模式對典型戶型空調(diào)冷負荷的影響Fig.5 Influence of window opening mode on cooling load in typical room

2.3 空調(diào)控制溫度對空調(diào)能耗的影響

選取位于重慶、上海、深圳和福州的板式建筑為研究對象，模擬得到建筑在4 種開窗模式下空調(diào)控制溫度分別為24，26 和30 ℃時的空調(diào)冷負荷，為便于比較各地區(qū)建筑的空調(diào)冷負荷，分析時采取了冷負荷變化率這一指標(biāo)，它是指某空調(diào)控制溫度下該種建筑的空調(diào)冷負荷相對于其在26 ℃空調(diào)控制溫度下空調(diào)冷負荷的變化率，結(jié)果見圖6。

從圖6 可知：空調(diào)控制溫度越高，夏季空調(diào)冷負荷越低，控制溫度由24 ℃變?yōu)?6 ℃，冷負荷增加1.2～1.9 倍；當(dāng)空調(diào)控制溫度為30 ℃時，其冷負荷相對于26 ℃時的冷負荷減少了90%以上。空調(diào)控制溫度降低，從一定程度上反映了人員的耐受溫度相對較低，在室內(nèi)溫度沒有超過人的耐受溫度時，人員傾向于開窗來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度以達到室內(nèi)熱舒適度，在室內(nèi)溫度超過人的耐受溫度時，認為人才會去開空調(diào)。所以在這種情況下，空調(diào)時間會相對延長，利用自然通風(fēng)的時間減短，導(dǎo)致空調(diào)負荷增加。當(dāng)空調(diào)溫度控制溫度升高時，意味著人員的耐受溫度相對較高，人員在室內(nèi)溫度沒有超過其耐受溫度的情況下，將會有大部分時間可以通過開窗利用自然通風(fēng)，此時空調(diào)冷負荷相對減少。

另外，由于地域氣候差異，空調(diào)控制溫度的變化對上海板式建筑空調(diào)冷負荷影響最大，接著依次是深圳，福州，重慶。

圖6 不同開窗模式時空調(diào)控制溫度與冷負荷變化關(guān)系Fig.6 Relationship between air conditioning control temperature and cooling load at different window opening modes

3 結(jié)論

1) 房間使用模式不同，自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗的影響不同。重慶、上海、深圳和福州在白天有人且開窗的房間使用模式下，其冷負荷要比白天無人且關(guān)窗的情況低10%左右。

2) 開窗模式不同，自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗的影響不同。傍晚開窗或入寢后只關(guān)閉部分窗戶，分別平均減少6%和2%左右的冷負荷。夏季白天開窗反而會增加空調(diào)冷負荷，依據(jù)建筑所在地和建筑平面形式不同將增加8%～18%。

3) 空調(diào)控制溫度不同，自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗影響不同。空調(diào)控制溫度越高，冷負荷越低，控制溫度30 ℃時的冷負荷相對于26 ℃時的冷負荷減少了90%以上；由24 ℃上升到26 ℃，冷負荷升高了1.2～1.9倍。

4) 影響自然通風(fēng)模式對空調(diào)能耗的主要影響因素包括：房間使用模式，開窗模式和空調(diào)控制溫度。

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