上海中小学建筑风扇空调联合运行研究分析

范昕杰吕芳

1上海现代建筑设计（集团）有限公司技术中心

2上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司

上海中小学建筑风扇空调联合运行研究分析

范昕杰1吕芳2

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本文主要研究在过渡季节由风扇、空调联合运行改善室内舒适度在上海中小学建筑中的可行性及节能率。分析模型基于中小学建筑特征的调研结果，在此基础上通过CFD与能耗模拟软件，对风扇运行能否满足室内舒适度要求，风扇与空调联合运行策略相对于单一使用空调满足室内舒适度要求的能耗差异进行模拟研究。研究结果表明在过渡季节使用风扇可以满足室内人员的舒适度要求，风扇与空调联合运行的策略可以为学校带来23.2%的节能效益。

舒适度 能耗 风扇 空调 联合运行

绿色校园理念最早于1972年斯德哥尔摩人类环境会议上提出，继而1994年联合国教科文组织把可持续理念融入学校发展策略[1，2]。我国现存中小学建筑面积1.4万亿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，空调能耗作为校园能耗的大头，对校园节能具有重大意义[3，4]。对于学校而言，是否使用空调制冷取决于对不舒适环境的耐受程度。高效的自然通风能够增加人体的耐受程度，减少对空调制冷的需求[5]。然而自然通风存在一定的不确定性，通过风扇改善室内自然通风，可以较好地解决不确定性、舒适度与能耗等问题。本文主要以上海中小学建筑为对象，研究风扇空调联合运行策略，从舒适度的保障与节能贡献率两方面对风扇的作用展开分析。

1 上海气候特征与中小学建筑特征

上海属于亚热带季风气候，四季分明，平均温度可见表1，过渡季节中9月份温度最高为24.4℃，温度最低为3月份9.9℃；过渡季节主要风向北偏东北，平均风速3.4m/s，日平均辐射强度173W/m2。

通过对已建成的10所上海中小学图纸调档和分析，上海城区中小学教学楼的朝向多采用南向和南偏东朝向，与过渡季节风向相迎，存在较好的自然通风潜力。由于教室作用的特殊性，窗地比较高，平均在20%～30%左右，同样十分有利于促进自然通风。具体参见表2。

表1 上海市月平均气温（℃）

表2 上海中小学既有建筑特征

从上海气候特点与教室的建筑特征的分析结果来看，上海中小学教室存在较好的自然通风能力。

2 风扇对室内舒适度的改善

2.1 分析模型

典型教室模型根据调研结果建立，朝向南，窗地比21.9%。单间开间9m，进深7.2m，层高3m。五间教室两侧均设置窗户，靠北侧设置3扇窗户，窗户尺寸2.1m×1.8m，可开启面积1.5m2；南侧设置高窗2扇，窗户尺寸1.8m×0.6m，门梁上方设置通气窗，窗户尺寸0.9m×0.4m，皆向内开启，可开启角度30°。教室南向设门两扇，门径0.9m，门高2.1m。每间教室内前后设两个吊扇，每间教室安排学生40人，教师1人。室内热负荷由人员、设备及太阳辐射热组成。室内人员服装热阻0.70clo，静坐状态每人发热量79W，照明功率按9W/m2，设备功率按5W/m2。参见图1。

图1 教室模型外轮廓

2.2 分析思路

过渡季节的教室主要以冷负荷为主，增加室内外空气流通与对流换热是第一需求，由表1得9月份室外平均温度较高，为过渡季节最不利于自然通风时段，风扇若能在9月份满足室内舒适度要求，即可以认为也满足过渡季节其他月份要求，故以下分析中以9月份气象参数为主，分析风扇对室内舒适度的改善程度。模拟中认为室外无风，以模拟单纯依靠电扇增加室内空气流动促进室内外对流换热的作用。电扇布置形式为：两台叶片直径为1.2m的吊扇，平均安装于教室前后两侧，可三档调节风量。平均每档风量分别为80m3/min、160m3/min、210m3/min。设置三个Case，具体见表3。

表3 吊扇风量

2.3 结果分析

模拟结果显示，不同换吊扇风量档位对室内的PMV指数有不同程度改善。较大的电扇风量使得室内的PMV更小，室内环境更加舒适。Case3由于风量较大，室内PMV分布显示最为舒适，但整体上，三者的PMV分布呈现相同的规律：电扇下方及靠近电扇四周区域的PMV值优于其他地区。图2～4为三个Case的PMV值分布，在Case1的PMV分布中，中心圆形区域由于风速直接作用，PMV值较低，由于风量较小无法对四周产生较大影响，教室内部大部分区域PMV值较高，为1.5左右，靠近外窗处的PMV稍低。

图2 Case2-PMV云图

Case2的吊扇风量在Case1的基础上增大了一倍，吊扇出风对教室的作用区域得到较明显的扩大。吊扇下方及四周的PMV明显下降。临近窗口部分由于风扇作用加强对流换热PMV值也较优。电扇正下方周边区域和窗口周边区域的中间过渡区域PMV较差。整体上，PMV值高于1.5的区域得到明显缩小。

图3 Case2-PMV云图

Case3的风量进一步增大，对室内舒适度影响也进一步加大，PMV进一步降低，电扇正下方周边区域和窗口周边区域的中间过渡区域的PMV也得到改善。整体上，PMV值普遍小于1.0。

图4 Case3-PMV云图

从以上三张图的分析中可以发现，风扇对室内舒适度有较好的改善作用，但当风量较小时，作用区域存在较大不均匀性，处于风扇下方的舒适度的改善程度最明显，其次是窗口区域，中间过渡区域的改善程度最差。

整体上，风扇能较好地改善室内热湿环境，提升室内的舒适度程度。针对室内PMV值，ISO7730对PMV的推荐值为PMV值在-0.5～+0.5之间。由于国人体质不同，参照我国《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》（GB/T18049-2000），对采用平均热感觉指数（PMV）进行评价时，其值宜为：-1≤PMV≤+1。表4为Case1～3的平均PMV值统计，Case1与Case2的PMV平均值为1.23与1.03，不满足规范-1≤PMV≤+1的要求，Case3的PMV为0.89，满足规范要求。从PMV的分析中，可以得出以下结论：当风扇风量大于等于210m3/min时，即可满足9月份，也即能满足过渡季节上海市中小学教室的室内舒适度的需求。

表4 PMV统计

3 风扇运行的能耗水平

3.1 运行策略

以上结论证明风扇可以通过被动方式增加教室空气流动，加强室内外对流换热，达到改善室内舒适度的较好效果，进一步将分析使用电扇后对空调节能的贡献率。

表5 室内温度统计

首先分析室内的平均温度，炎热9月室内通过架设电扇，不同的风量可以使得室内维持不同的平均温度，具体见表5。

表5中显示无风扇作用，室内平均温度较高为32.3℃，开启风扇后，温度下降较为明显，当风量进一步提高，室内的平均温度也得到了进一步的下降。210m3/min风量下，室内平均温度为27.4℃，虽然高于一般规范规定的26℃，但研究表明：在室外气象参数相同的条件下，自然通风舒适性温度的范围比空调环境热舒适温度范围要宽，即自然通风环境的舒适温度高于空调环境。这些情况出现的原因是由于空调环境是稳态环境，人在空调环境中只能被动地接受室内设定的环境参数，它掩盖了人体的适应性能力[5]。由于上述分析中已经得到室内平均温度为27.4℃时，PMV值满足规范要求，故以此温度作为架设电扇后空调开启温度。而全部采用空调满足舒适度要求依然采用当时室内高于26℃即认为室内人员舒适度不满足要求的运行策略。综上考虑，制定以下空调运行开闭策略用于分析，具体见表6。

表6 风扇、空调运行策略

3.2 参数设置

围护结构参数按照《上海市公共建筑节能设计标准》DBJ08-107-2012选取，具体参见表7。

表7 围护结构热工参数表

室内电气、照明功率密度按照《上海市公共建筑节能设计标准》DBJ08-107-2012以及《建筑照明设计标准》GB50034-2004选取，详见表8。

表8 电器、照明功率密度设定

学校授课主要时间段为8：30～16：00，人员、照明以及设备使用均主要集中在这个时段。另外，学校授课时间为周一至周五，周末休息，模拟能耗主要时间表参见表9。

模拟中所用的冷热源形式为分体式空调机组，其不同运行模式下的性能系数都保持相同，COP3.1满足国家节能标准。气象参数选取美国能源部对上海的全年气象参数的统计文件。

表9 室内人员、照明、设备时间表

3.3 模拟结果

表10是采用电扇与空调联合运行与全部采用空调运行的能耗对比。从模拟结果中可得，相同条件下，9月份当采用电扇与空调联合运行时能耗为1570kWh，而全部空调运行的能耗为2050kWh，其节能率达到了23.4%。过渡季节月份在此运行模式下，除11月份上海已经无供冷需求外，其他都大大降低了空调用电的耗能量，降低幅度均在40%以上。另外，六月份由于学校需要上课，也存在室内舒适度的需求，采用空调模式下的耗能为1800kWh，采用电扇+空调综合运行模式的能耗为1370kWh，节能率达到23.9%。总体上，采用电扇与空调联合运行的模式，上海中小学建筑全年的空调耗电量可以节省29.6%，节能效益非常可观。

表10 过渡季节空调运行能耗（kWh）

以上分析中仅为空调能耗，电扇的能耗虽然较空调能耗较少，但也需要考虑。每间教室中安装有2个电扇，电扇的运行会增加耗电量，每个电扇的功率约为70W，由于一天的正常教育授课时间约为8小时左右，电扇开启时间6、9月份按开启6个小时计算，其他月份按开启3个小时计算，全年室内舒适度需求时段内5个教室的电扇运行能耗估算为336kWh。考虑电扇能耗后，依然能为空调节能1214kWh，节能率为23.2%。节能效益可观。

4 结论

本文主要研究对象为上海市中小学建筑，通过对上海市气象条件、中小学建筑特征的调研分析，在分析结果基础上建立典型模型进行室内舒适度与空调能耗地计算。在模拟计算结果中，主要将风扇对室内舒适度的改善情况以及风扇加空调综合运行模式的节能率进行了分析，得到一些有利于推进绿色校园发展的有用结论，具体可以归结为以下几点：

1）上海中小学建筑的朝向多为南向和南偏东朝向，窗地比较高，达到整体高的20%～30%，具有通过室内外通风加强换热的较好条件。

2）风扇可以较好地促进室内空气流通，在室外无风条件下充当自然通风的作用。即使是在过渡季节较为炎热的9月份，当教室内装有2台吊扇，每台风扇风量大于210m3/min时，室内PMV均值能够维持在1以下，满足国家标准要求。此时，室内的月平均温度将维持在27.4℃左右。由于在炎热的9月份电扇依然能维持室内平均舒适度达到国家标准，证明电扇具有保障上海中小学过渡季节室内舒适度的能力，从而建议教室室内安装电扇来改善室内舒适度。

3）由于教育活动也需要在夏季6月份进行，完全依靠电扇无法保障全年室内舒适度的要求，空调势必也存在安装的需要。但采用电扇与空调联合运行满足教室供冷阶段舒适度的模式，相对全空调模式可以带来较好的节能效果。相同的条件下，9月份电扇空调联合运行模式比全空调运行模式节省23.4%的耗电量。再算上电扇耗电量之后，全年供冷需求下电扇空调联合运行模式依然可以为空调节能23.2%的耗电量。电扇与空调联合运行存在较大的节能潜力，加上电扇购置安装费用较低，建议上海中小学建筑采用电扇空调联合运行模式来维持过渡季节室内舒适度。

本项研究工作得到了上海市科学技术委员会课题《上海城区学校绿色建筑设计研究及示范》（12dz1201901）的资助。

[1]谭洪卫.中国绿色校园的发展与思考[J].建设科技,2013,(12): 25-27

[2]吴志强,汪滋淞,干靓.绿色校园评价标准编制研究[J].建设科技,2013,(6):52-55

[3]吴志强.绿色校园—为了我们共同的未来[J].建设科技,2013, (12):16-19

[4]王崇杰,刘薇薇.中小学绿色校园研究[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，硕士，助工；上海现代建筑设计（集团）有限公司技术中心（200041）；E-mail:xinjie_fan@xd-ad.com.cn

上海市科学技术委员会（12dz1201901）