热湿地区自然通风与空调交替运行优化研究

刘露露 易培灿 董宇 郑文国 刘艳峰

1 中建科技集团华南分公司

2 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

我国热湿地区如广东、海南及其周边岛礁，夏季漫长，长时间的空调运转导致建筑能耗居高不下。当室内外存在温度差时，通过自然通风代替空调降温可以达到显著的节能效果[1]。

为了研究自然通风的降温效益，国内外学者对进行如下研究：M.J.Sorgato、V.Fabi、陈在康等人肯定了自然通风的降温潜力[2-4]。N.Artmann 等人还提出了夜间气候冷却潜力这一定量概念来衡量自然通风的降温效益[5]。周军莉等人对间歇通风模式进行实验研究，给出了夜间间歇通风的室内温度计算模型[6]。杨昌智等人研究了间歇通风的降温规律，确定了换气次数及通风时间的最优组合[7]。上述研究多探讨自然通风的建筑节能潜力，较少地对空调与自然通风的交替运行进行定量研究。实际上，由于建筑结构的蓄热作用，空调与开窗通风模式之间并不是无缝切换，而是存在着延迟时间。而这些自然通风和空调模式转化的定量条件随室外气候、建筑结构的不同而变化。因此为了能够实现建筑能源的精准利用，有必要针对热湿地区居住建筑室内外热环境及居民热需求，探索适用于该地区的最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间。

为此，本文给出不同外围护结构条件下适用于该地区的空调及自然通风模式的最佳转换条件，得出引导当地居民合理使用空调的行为指南，从而降低空调运行能耗，缓解该地区的能源压力。

1 建筑模型

1.1 建筑概况

如图1 所示，以琼海地区某住宅建筑为模拟对象，该住宅户型为两室一厅一厨一卫，层高为3.0 m，建筑面积为130.0 m2，建筑整体窗墙比约为0.37。围护结构热工参数如表1 所示。

图1 住宅建筑平面图

表1 建筑围护结构热工参数

室内热扰主要由三部分组成：人员，照明和设备散热。起居室最大人数为3 人，其中人员活动时间为9:00-20:00。卧室最大人数为2 人，其中人员作息规律为20:00-次日9:00。人均散热量为80 W/人。各房间最大照明功率为50 W，照明使用时间为18:00-22:00。设备散热被认为是放置在厨房和客厅，最大散热量为200 W，设备使用时间为 8:00-10:00，13:00-15:00 及18:00-20:00。

1.2 模拟工况

通过分析琼海地区居民行为习惯及当地空调运行模式调查结果，设置了如下5 种不同空调运行工况。

1）传统空调运行模式

白天10:00-15:00、夜间20:00-次日5:00 空调开启，设定温度为26 ℃。

2）自然通风与空调交替运行模式

模式1：△tw≥0，tw=28.5 ℃时开启空调；△tw＜0，tw=29 ℃时关闭空调。

模式2：△tw≥0，tw=28.5 ℃时开启空调；△tw＜0，tw=30 ℃时关闭空调。

模式3：△tw≥0，tw=28.5 ℃时开启空调；△tw＜0，tw=31 ℃时关闭空调。

模式4：△tw≥0，tw=28.5 ℃时开启空调；△tw＜0，tw=32 ℃时关闭空调。

2 不同房间房间室内热环境结果分析

以8 月1 日为例，传统空调运行模式下卧室（东侧）温度模拟结果如图2 所示。空调处于运行状态，室内温度维持在26 ℃。早晨5 点空调关闭，由于室外温度较低且处于下降阶段，尽管室内热源不断散热，但其散热量较小，室内温度上升缓慢。随着时间的推移，太阳辐射强度逐渐增强，室外温度回升，再加上室内热源的影响，室内温度开始显著回升。上午10:00 点时开启空调，空调开启前，室内略高于当地居民舒适温度，由于两者之间相差较小，故可近似视为在居民的舒适范围内。说明以28.5 ℃作为空调的开机温度刚好满足居民的热舒适需求。

图2 传统空调运行模式室内外温度

开启空调后，经历10 分钟左右，室内空气温度急剧下降且稳定在26.0 ℃，这是由于空气热容较小，空调启动后，室内空气与空调进行对流换热，室温很快能够达到设定温度。直至下午15:00 空调关闭后，室内温度迅速回升至局部最大值31.3 ℃，超出可接受温度上限0.8 ℃，使当地居民长达3.5 h 处于不舒适状态，且增加了围护结构自身蓄热量和空调运行负荷。造成上述结果的原因一方面是室内温度低于室外温度，室外热量传至室内，另一方面内热源散热堆积在室内无法排出，故室内温度迅速回升且居高不下，超出了居民的可接受水平。

图3、图4 给出了不同自然通风与空调交替运行模式下，卧室和客厅温度模拟结果。清晨，客厅和卧室温度随着室外温度逐渐上升，当室外温度上升至28.5 ℃时，客厅和卧室温度分别达到29.2 ℃、28.9 ℃。空调开启后，进入预冷阶。客厅和卧室温度经历10 分钟左右的时间便稳定在26 ℃。空调开启前期，尽管客厅和卧室温度（29 ℃）略高于人体中性温度，但超出人体舒适区的持续时间较短，在居民的可接受范围内。

图3 客厅-温度模拟结果

图4 东卧室-温度模拟结果

空调关闭后，客厅和卧室温度变化结果如图5、6所示。随着室外温度的下降，卧室和客厅温度先升高后降低，最终随着室外温度同步变化。过渡期内，围护结构储存的冷量被逐渐释放给室内空气。与此同时，室内外热扰的影响，使室内温度逐步回升。随着室外温度继续下降，自然通风排除的热量大于内热源的生成热，室内温度逐渐下降，最终与室外温度同步变化。

图5 客厅-自然通风延迟时间

从图3 和图5 可以看出，对于客厅而言，分别经60 min、50 min、50 min、40 min 后室内外温度大小相等，所储存的冷量被逐步释放出来，此时进行自然通风降温。工况2～工况5 客厅温度回升的局部峰值分别为31.1 ℃、30.6 ℃、29.7 ℃、29.3 ℃。

图4 和图6 反应了不同工况下东卧室温度的变化情况及自然通风延迟时间。分别经70 min、60 min、55 min、45 min 后，卧室温度与室外温度大小相等，所储存的冷量被逐步释放出来。在过渡期内，工况2～工况5 卧室温度回升的局部峰值分别为30.9 ℃、30.3 ℃、29.6 ℃、29.0 ℃。

图6 东卧室-自然通风延迟时间

将客厅和卧室模拟结果进行对比分析，发现：过渡期内，相应工况下室内温度局部峰值，卧室低于客厅0.3 ℃左右。自然通风延迟时间，卧室比客厅长10 min左右。相对于东卧室而言，客厅内扰较大，再加上当地太阳西晒的影响，使客厅得到了更多的热量，故客厅内温度较高、自然通风延迟时间较短。

3 不同外围护结构空调启闭条件优化

3.1 不同墙体构造下空调启闭条件优化

本文以上述琼海地区居住建筑为模拟对象，建筑南北朝向窗墙比为0.35，选取了几种常用的外围护结构墙体构造，通过对以上不同外墙构造下，自然通风与空调交替运行模式的室内热环境模拟后，初步得出了热湿地区居住建筑自然通风与空调交替运行模式下，最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间。以卧室为例，其优化结果如表2 所示。

表2 不同外墙材料下最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间

将各不同外墙传热系数与相应自然通风延迟时间进行回归分析，得到外墙传热系数k 与相应自然通风延迟时间τ 之间的拟合关系，如下所示。

式中：k 为外墙传热系数，W/(m2·K)；τ 为自然通风延迟时间，min。

拟合曲线的相关系数R2为0.99，这一结果表明外墙传热系数k 与自然通风延迟的时间τ 有着显著的相关性。

由表2 和图7 可以得出，随着外墙传热系数的增加，自然通风延迟时间逐渐缩短。当外墙传热系数小于0.6 W/(m2·℃)时，自然通风延迟时间为60 min。当外墙传热系数在0.6～1.5 W/(m2·℃)之间时，自然通风延迟时间为50 min。当外墙传热系数大于1.5 W/(m2·℃)时，自然通风延迟时间为45 min，且变化趋于平缓。

图7 外墙传热系数与自然通风延迟时间

出现上述变化趋势的原因是因为在室内热源相同的情况下，外墙传热系数越小，室外向室内传递热量时受到的阻力越大，室内温度波动越趋于平缓，故自然通风延迟时间就会越长。

3.2 不同窗墙比下空调启闭条件优化

通过对琼海地区居住建筑调研，发现该省建筑的平均窗墙比大致在0.35～0.45 之间[11]，并且新建建筑相对原有建筑，其平均窗墙比有进一步增大趋势。本文参照当地典型居住建筑（见图1），将建筑材料及相应热工参数，按表1 进行设置。本文以0.25、0.35、0.45 三组南向窗墙比为例，按照本文所设置的工况，对不同窗墙比下的自然通风与空调交替运行模式进行了数值模拟，并对模拟所获得的结果进行优化分析，得到了不同窗墙比下最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间（见表3）。

表3 不同窗墙比下最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间

表3 表明：建筑窗墙比为0.25、0.35 时，当室外温度下降至31 ℃时关闭空调，过渡期内室内温度峰值均低于住户的可接受温度上限（30.5 ℃）。当建筑窗墙比达到0.45 时，过渡期内室内温度峰值高于住户的可接受温度上限0.3 ℃，超出了住户的热接受水平。为了避免上述不利情况，建议：窗墙比超过0.4 时，空调开机温度不变，当地住户可以将空调关机温度下调至30.5 ℃。

综合分析表2 和表3，建筑热工材料及窗墙比的不同，往往能够引起较大的室内温度波动，故不同外围护结构材料及窗墙比下所对应的自然通风延迟时间及室内热环境有所不同。随着外围护结构传热系数及窗墙比的增加，空调关机温度及自然通风延迟时间呈降低趋势，且过渡期内室内温度峰值呈增大趋势，室内热环境质量不断下降。该做法对增加了空调运行能耗，对建筑节能是不利的，所以设计人员应该将建筑建筑外围护结构传热性能及窗墙比与主被动热环境调控策略综合考虑，尽可能减少孤立岛礁地区能源消耗。

4 结论

热湿地区不同建筑材料，空调关闭后所需要的自然通风延迟时间有所不同，下文将通过数值模拟的方法，对热湿地区不同建筑结构下的自然通风延迟时间进行模拟，给出适用于该地区的自然通风与围护结构传热系数的拟合公式，其主要结论如下：

1）对卧室而言，工况4 兼顾舒适与节能综合效果最佳：当室外温度上升至28.5 ℃时开启空调，当室外温度下降至31 ℃时关闭空调，1 h 后进行自然通风。由于客厅内热源较大，故对于客厅而言，最佳空调启闭条件与卧室相同，其自然通风延时时间可缩短10 min。

2）针对该地区典型居住建筑，对8 种不同外墙构造下的自然通风与空调交替运行模式进行优化研究，初步得出了热湿地区居住建筑自然通风与空调交替运行模式下，最佳空调启闭条件及自然通风延迟时间。将上述各不同外墙传热系数与相应自然通风延迟时间的回归分析，得到外墙传热系数k 与相应自然通风延迟时间τ 之间的拟合关系。

3）不同窗墙比下所对应的自然通风与空调相互切换条件有所不同。随着窗墙比的增加，空调关机温度及自然通风延迟时间呈降低趋势，且过渡期内室内温度峰值呈增大趋势，室内热环境质量不断下降。