改善宿舍热环境的风扇空调联合运行策略研究及节能分析

（广州大学土木工程学院，广东 广州 510006）

一、引言

宿舍作为学生居住的建筑，宿舍的室内环境品质直接影响学生的身体健康和学习效率，而室内热舒适是室内环境品质的重要方面。同时，建筑节能的原则是在保证人体热舒适的条件下尽量降低建筑能耗。[1]目前，宿舍主要依靠空调系统进行空气调节，满足室内热舒适的需求，传统的空调系统会耗费大量的能量。Fanger 等人提出，当室内实际作用温度高于设计温度时，允许提高空气速度来弥补较高的作用温度的影响。[2][3]我们提出空调结合风扇策略，通过实验研究该策略对于宿舍室内热舒适和建筑节能的影响。本文针对广州大学学生宿舍，研究空调结合风扇的调节策略，分析不同方案对于宿舍热舒适和节能的影响。

二、实验设计及分析方法

（一）实验方案

本实验通过风机盘管空调系统和台式风扇控制宿舍的温度、湿度、风速等室内环境参数，营造了自然通风、仅使用风扇通风、中档空调、中档空调加风扇、高档空调以及高档空调加风扇等六种环境控制策略下的室内环境状态。具体实验工况如表1 所示：

表1 各工况下的环境参数

实验进行过程中，每一工况下室内环境至少保持稳定20 分钟，并在此期间对室内人员进行室内热环境的主观评价调查，以研究不同环境控制策略下室内环境对人舒适性的影响。实验中采用德图温湿度计（型号testo625，精度±0.5℃，±2.5%RH）测量室内温、湿度，风杯式风速计（型号16026，精度为±（0.3±0.03V）m/s，V 为实际风速，风速测量范围为0-30m/s）测量室内风速。

（二）热环境评价方法

1.PMV-PPD 指标

PMV 指标综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、湿度、流速等因素，代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉，利用PMV 指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间的生理差别，少数人对该热环境并不满意，故用PPD 指标来表示对热环境不满意的百分数。[4]

PMV-PPD 指标的计算涉及多种参数，过程较复杂，本实验将在夏季典型条件下进行计算，着重研究室内空气温度、风速与人体热感觉、能耗之间的关系。PMV 计算参数范围见表2。

表2 PMV 计算参数范围

本实验在计算PMV-PPD 指标时，分为六种工况：自然通风、仅使用风扇通风、中档空调、中档空调加风扇、高档空调以及高档空调加风扇，分别测得六种工况下的宿舍座位处的温度、相对湿度和风速，为了减小实验误差，提高数据的准确程度，需要进行多次实验，计算结果并且取其平均值，最后使用PMV 热舒适计算分析工具计算PMV-PPD 指标。

根据表1、2 数据，利用PMV 热舒适计算分析工具计算PMV-PPD 值，得出图1、2 数据。

2.问卷调查

问卷调查通过受试者填写的问卷数据，可以得出受试者对于室内环境的主观评价，同时，通过汇总问卷数据，可以清晰地看出各评价的人数及其占总人数的百分比。

本实验通过招募受试者进入测试房间，使受试者分别体验六种工况下的宿舍房间热环境，并让受试者填写热舒适调查问卷，问卷内容主要是受试者对房间的热感觉评价，最后通过整理问卷数据得出受试者对房间热环境的主观评价。

三、结果分析

（一）PMV-PPD 结果分析

表3 PMV 分度

通过图1，2 我们可以看出：

在自然条件下，即不使用空调和风扇的情况下，PMV值接近4，按照PMV的分度（见表3），此时热感觉为热，而PPD 值为100%，表示所有人都对此时的热环境不满意；

在仅使用风扇的情况下，PMV 值虽然有所下降，但是仍然接近3，此时热感觉仍为热，而PPD 值为98%，表示仍有98%的人对热环境感到不满意，说明仅使用风扇对于改善宿舍热环境效果不佳；

在仅使用中档空调的情况下，PMV 值相比自然情况下的值有了较大下降，PMV值为0.95，此时的热感觉为稍暖，PPD 值也降为24%，说明开启中档空调对于宿舍热环境有较大的改善；

在同时使用中档空调和风扇的情况下，PMV值达到了-0.44，此时热感觉为中性，PPD 值为9%，此时的热环境能使大多数人感到满意；

在仅使用高档空调的情况下，PMV 值为0.18，热感觉为中性，PPD 值为6%，说明仅使用高档空调也可满足大多数人的热舒适需求；

在同时使用高档空调和风扇的情况下，PMV 值达到了-0.9，接近于-1，此时热感觉为稍凉，与仅使用高档空调的情况相比，PPD 值增加了14%，达到了20%,说明在使用高档空调的条件下，使用风扇反而会使热环境变差。

一般来说，希望PMV 值在-0.5 到+0.5 之间，即相当于人群中有10%的人感觉不满意。[4]对于以上六种工况下的热环境，只有同时使用中档空调和风扇的情况以及使用高档空调的情况达到了理想的热环境。

（二）问卷调查结果分析

如图3,4 所示，在自然通风和仅使用风扇这两种情况下，分别有100%和90%的受试者的评价为非常热，说明在自然通风条件下，室内热环境恶劣，使大多数人感到不舒适，而仅使用风扇难以对其进行改善。

如图5 所示，在仅使用中档空调的情况下，有40%的受试者的评价为中性，有50%的受试者的评价为有点暖，剩下的10%的受试者热感觉评价为暖。可见，仅使用中档空调可以使宿舍环境得到一定的改善，但仍然无法满足大多数人的热舒适需求。

如图6，7 所示，在中档空调与风扇联合使用和仅使用高档空调这两种情况下，90%以上的受试者的热感觉评价为中性。可见，这两种情况均可满足大多数人对室内热环境的需求。

如图8 所示，在同时使用高档空调和风扇的情况下，有60%的受试者评价为中性，另有10%和30%的受试者分别评价为凉和有点凉，说明在使用高档空调的情况下，使用风扇调风反而会使室内热环境恶化。

通过以上对问卷数据的分析，可以得出：风扇调风在空调设定温度较高的情况下可以达到改善室内热环境的效果，而在空调设定温度较低的情况下，联合使用风扇会使室内热环境恶化。

（三）节能分析

中档空调和风扇联合使用时的室内空气温度在27℃左右，而仅使用高档空调时的室内空气温度在26℃左右，两种情况都满足室内热舒适性要求，可见，使用风扇进行调风可以在较高的空调设置温度下使室内达到热舒适。

在满足室内热舒适要求时，通过空调联合风扇使用，可将空调设定温度由26℃提高到27℃，这将在一定程度上减小空调能耗，起到一定的节能效果。

为了研究空调联合风扇使用对空调能耗的影响，选取某间学生宿舍为研究对象进行分析。宿舍房间长为6m，宽为3.5m，高为3.2m，面积为21 m2，南北向，外墙传热系数为0.71W/(m2·K)，内墙传热系数为2.38W/(m2·K)，外窗采用单层塑钢窗，挂浅色内窗帘，传热系数为4.7W/(m2·K)，夏季室外空调计算干球温度取34.2℃。分别计算室内设计温度为26℃和27℃时的房间逐时冷负荷（在室内设计温度为27℃时以每20m2布置一台40W的风扇的形式增加设备功率），根据计算结果，分析空调联合风扇使用对空调能耗的影响及节能率（见图9）。

从图9 可以看出，空调联合风扇使用来达到室内热舒适要求可以减少房间冷负荷，从而降低空调能耗。随着室内冷负荷的升高，节能率降低，但节能率可以保持在5%以上，说明空调联合风扇使用策略可达到一定的节能效果。

四、结语

综上分析，可以得出：在夏季，宿舍内使用风扇进行调风可以在较高的空调设置温度下使室内达到热舒适，可起到一定的节能作用。因此，在这个倡导节能的时代，对于已有空调系统的宿舍楼，空调和风扇联合运行这一做法值得提倡。