重庆住宅壁挂式空调供暖期间的通风方式研究

2020-05-05石国兵余晓平吴晓林黄雪

建筑热能通风空调 2020年3期

石国兵余晓平* 吴晓林黄雪

重庆科技学院建筑工程学院

0 引言

夏热冬冷地区住宅供暖方式已成为讨论热点。2013 年付祥钊等人指出“夏热冬冷地区建筑冬季不供暖，室内热环境有损人体健康”，从人体生理角度提出了夏热冬冷地区冬季供暖的必要性[1]。重庆作为我国经济高速发展的重要区域，近年来随着人们日益增长的美好生活需要，居民对居住环境的热舒适需求也在不断提高。重庆主城区住宅冬季供暖比例已达70%[2]，壁挂式空调以其“部分时间、部分空间”的供暖运行特点成为主要供暖方式，几乎每户的主要房间均有安装，且每日供暖时长3 h 以上已达79%[3]。然而相关数据显示，空调的供暖费用并不低，壁挂式空调初期投入费用约 100 元/m2，冬季运行单位面积能耗约 14.65 kWh/m2，按重庆地区 0.57 元/kWh，即 8.35 元/m2，这笔费用对于普通家庭已算是较大的一笔开支[4-6]。

壁挂式空调供暖的高使用率产生运行高能耗，但对于改善冬季室内热环境的效果并不理想。据笔者调研的结果分析，重庆地区仅 30%人群认为家用壁挂式空调供暖效果良好，而 70%人群认为一般或较差。尤其是40 岁以上人群认为，空调运行带来的空气干燥、新风不足等问题都已非常突出[2]，导致用户开着门窗开空调的现象非常普遍。当打开门窗进行换气时，室内外的大温差又会造成空调能耗的急剧增长，同时也影响室内人员的热舒适。因此，需要探索一种壁挂式空调冬季供暖与房间通风的协同运行方式。

1 重庆冬季住宅供暖需求

1.1 重庆冬季供暖期温度特点

冬季的划分有多种方法，气候学认为平均气温连续5d 低于10 ℃算作冬季开始。节气法按立冬为冬季开始；天文法则认为冬至为冬季开始。农历法认为农历10 月至12 月为冬季。阳历法认为阳历的12 月至次年2 月为冬季。考虑到重庆地区典型气象年逐时气象数据为1970-2000 的数据，而城市气候逐年变化，年平均温度有上升趋势，暖冬现象逐年增加，笔者采用重庆地区近五年的月平均气温进行统计分析，结果如表1 所示。

表1 重庆地区近五年月平均气温

由表 1 可知，笔者将平均气温最低的三个月作为冬季划分的指标，重庆地区 12 月至次年2 月为平均气温最低的三个月，可作为冬季时间。其中一月为历年平均气温最低月，近五年的月平均气温为8.6 ℃。

1.2 重庆住宅冬季需供暖时长

付祥钊等人在保证住宅室内温度不低于卫生学中最低温度12 ℃的基础上，根据不同地区的冬季日照率和围护结构的一般热工性能标准，确定了长江流域主要城市供暖期起算温度，其中南京、上海、杭州、合肥≤7 ℃，武汉、南昌≤8 ℃，成都、长沙≤9 ℃，重庆≤10 ℃[7]。为此，笔者以气温≤10 ℃作为供暖需求温度，结合重庆沙坪坝区气象站近五年冬季（12 月 1 日-次年2 月28 日）的逐时气象参数，对重庆沙坪坝区冬季需供暖时长进行了统计分析，结果如图1 所示。

图1 重庆近五年冬季需供暖时长

近五年重庆冬季 12 月至次年 2 月平均需供暖时长依次为 528 h、613 h、440 h，分别占当月总时长的70.9%、82.4%、65.4%，冬季需供暖时长约占冬季总时长的 73%，该结果与东华大学钟珂等人的夏热冬冷地区非供暖居住建筑冬季室内环境约 80%的时间达不到人体的健康要求的最低温度 12 ℃的实测结果基本吻合[8]。

笔者记录了重庆沙坪坝区大学城某住宅 2018 年1 月 5 日-6 日非供暖条件下的室内外平均温度和相对湿度，见表2。

表2 重庆冬季某住宅非供暖条件下的室内外温度和相对湿度

由表2 可知，冬季非供暖房间门窗开启时，室内外温、湿度基本相同，门窗关闭时室内温度比室外略高。然而即使是门窗关闭情况下，非供暖房间内的温度也仅为 10 ℃左右，室内外温差不到 2 ℃，仍然未达不到卫生学要求的最低温度标准。

2 壁挂式空调冬季供暖效果实测

2.1 实测方法

为研究重庆地区冬季壁挂式空调的供暖实际运行效果，笔者进行了现场实测。选择该地区月平均气温最低和需供暖时长最多的1 月作为测试时间，测试对象为一户位于重庆市沙坪坝区大学城的普通居民住宅，测试楼层为 4 楼，户型如图2 所示。图2 中方框区域为所选取的测试房间，房间尺寸为 3.2 m×3 m×3 m，窗户面向南方，空调安装于桌面上方，安装高度为 2.6 m。根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785-2012）中的测试规范要求，在房间桌面上方距地面1.1 m 高度位置（人体坐立头部区域）布置测试探头[9]。选择 Y-BOAT 多功能室内环境测试无线传输系统为测试工具，对室内外温度、湿度、CO2浓度情况进行了测试，每 1 分钟记录一组数据。实验期间，空调供暖设定温度为20 ℃，送风风向为水平向下45°，出风口风速测得为 1 m/s，人员保持静坐状态，同时关闭门窗，维持室内无其他热源和湿源。

图2 测试户型及所测试房间布置图

2.2 实测结果分析

实测结果如下：

1）由初始温度10.6 ℃达到《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB/T 50736-2012）中人员长期逗留区域空调室内设计参数18 ℃（供热工况，Ⅱ级热舒适等级温度），用时 84 min，温度变化速率为 0.088 ℃/min，明显低于笔者此前所作夏季制冷测试的温度变化速率0.187 ℃/min。这是因为壁挂式空调安装高度普遍为房间顶部区域，在冬季供暖时，热空气在浮升力作用下上升，与房间底部冷空气对流换热缓慢，导致了室内人员明显感觉头热脚冷。这与何鸣等人的冬季壁挂式空调供暖工况下房间温度明显分层的实测分析结果一致[10-11]。

2）测试房间处于封闭状态且有人员活动时，房间内CO2浓度会迅速上升。CO2浓度达到《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）中的规定值1000 pm 用时45 min，CO2变化率为9.25 ppm/min，此时温度仅 15.6 ℃，尚未达到热环境质量要求。而当房间温度达到 18 ℃时，CO2浓度已达1336.3 ppm，已不能满足卫生条件。房间温度和 CO2浓度越高，“闷”的感觉越强烈，因此冬季空调供暖期间，人们往往会开启外窗进行通风换气，这不仅造成空调能耗增加，还将影响室内人员热舒适。

为解决住宅壁挂式空调供暖运行期间的通风问题，笔者在对比几种不同的房间通风方式基础上，提出一种供暖与通风的协同运行方案，在门窗关闭的情况下，通过合理设置通风口，采用窗上部机械送风+门下部自然排风的无管道复合通风方式，保障房间的热舒适和空气品质实现。为验证这一措施的有效性，笔者对开窗和房间无管道复合通风这两种方式进行方案了数值模拟研究。

3 壁挂式空调供暖与通风数值模拟

3.1 物理模型

根据该住宅房间的实际设施设备布置情况，房间尺寸为3.2 m×3 m×3 m，室内有 1 个日光灯，一个坐立人员，一张桌子，一台壁挂式空调。根据居民冬季空调使用习惯设定开启1/3 的窗户，或设定窗上部机械送风+门下部自然排风，在不影响计算的前提下，简化后的物理模型如图3 所示。

图3 空调供暖房间不同通风方式三维物理模型

3.2 模型模拟求解设置

本模型采用 Airpak 3.0 软件，室内空气不可压缩且密度符合Bossinesq 假设，房间内空气流动为稳态湍流，冬季室外环境温度根据实测结果取8 ℃，室内热源主要考虑人员和灯具散热。PMV-PPD 计算按照人员静坐状态，人体新陈代谢率取 58 W/m（21.0 met），冬季服装取 0.16 m2·K/W（1.0 clo），不计人体对外做功[12]。相应数值模拟计算边界条件见表3。

表3 数值模拟物理模型边界条件

3.3 模拟结果分析

由图 4～5 可以看出，开窗通风导致室外冷空气由窗户下部进入室内后，直接沉降至房间底部，仅少量新鲜空气到达人体呼吸区域，且造成人体工作区域的桌面温度仅17 ℃，人体脚部表面温度仅20 ℃，明显低于身体其他部位表面温度。而采用复合通风后，由窗户上部进入房间的冷空气先与空调所送暖风混合换热，再落入人体活动区域，利于人体呼吸新鲜空气的同时，桌面温度提高至 20 ℃，人体的体表温度也更加均匀。更重要的是采用复合通风方式的排风温度达到20 ℃，可为其户内他房间提供一定的热量，减少了空调能耗排向室外的浪费。

图4 送风口垂直面的温度场、气体流场

由图 6～8 可以看出，开窗通风情况下，人体脚部环境温度仅15 ℃，头部环境温度为23 ℃，头足温差最大达到8 ℃，桌面下方腿部活动区域 PMV 均低于-1，最大达到-2.5，PPD 最大达到75%以上。采用复合通风后，脚部环境温度提高至 21 ℃，头足温差控制在 2 ℃以内，人体活动区域 PMV 均位于 0～1 之间，PPD 保持在12.5%以下。壁挂式空调冬季供暖时开窗通风与复合通风的结果对比，见表4。