典型夏热城市住宅自然通风模式对空调能耗影响分析

刘猛^{1, 2}，刘学丽^{1, 2}，詹翔³，张会福^{1, 2}，张成昱^{1, 2}

(1. 重庆大学 城市建设与环境工程学院,重庆,400045；

2. 重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆, 400045；

3. 机械工业第三设计研究院,重庆,400039)

摘要：选取夏热冬暖地区深圳和福州，以及夏热冬冷地区重庆和上海的点式，板式和L式住宅作为研究对象，利用DeST-h软件对不同房间使用模式、开窗模式和空调控制温度的建筑进行空调能耗模拟，研究自然通风模式对夏季空调能耗的影响。经过模拟数据分析得出白天有人且开窗的房间使用模式，其冷负荷比白天有人且关窗低10%左右；傍晚开窗或是入寝后只关闭部分窗户，分别平均减少6%和2%左右的冷负荷；夏季白天开窗反而会增加冷负荷，依据所选取建筑所在地和建筑平面形式的不同将增加8%~18%；空调控制温度越高，冷负荷越低；最后得出影响自然通风模式对空调能耗影响的因素包括：房间使用模式，开窗模式，空调控制温度。

关键词：自然通风；住宅建筑；冷负荷；节能

中图分类号：TU831.4；TU831.6          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)10-3664-07

Impacts of natural ventilation mode on air-conditioning energy consumption for residential buildings in selected hot summer cities

LIU Meng^{1, 2}, LIU Xueli^{1, 2}, ZHAN Xiang³, ZHANG Huifu^{1, 2}, ZHANG Chengyu^{1, 2}

(1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering;

Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-environment, Ministry of Education,

Chongqing University, Chongqing 400045, China;

3．China CTDI Engineering Cooperation, Chongqing 400039, China)

Abstract: Residential buildings of three different layouts including spider type, slap-type and L-type located in Shenzhen, Fuzhou, Chongqing and Shanghai were selected as research objects. Air-conditioning energy consumption in three different conditions, including room occupation mode, window opening mode and air-conditioning control temperature were simulated by DeST-h. Results show that the cooling load of occupants at home in the daytime with window opened is 10% lower than that of occupants at home in the daytime with window closed. Opening window at nightfall or keeping part of window opened during sleep separately reduce cooling load about 6% and 2% on an average. In summer, opening window will increase cooling load, and the value varies from 8% to 18% according to the regions of buildings and the layouts of buildings. The higher the air-conditioning control temperature, the lower the cooling load. Finally, it comes to a conclusion that room occupation mode, window opening mode, air-conditioning control temperature are three main factors influencing natural ventilation’s impacts on air-conditioning energy consumption.

Key words: natural ventilation; residential building; air conditioning cooling load; energy efficiency

随着我国居民生活水平的快速提高, 住宅面积不断增加。据国家统计局相关统计数据显示，从2002年至2011年底城镇人均住房建筑面积不断增加，从24.5 m²增长到了32.7 m²，增加了33%^[1]；同时，随着经济水平的提升，人们对室内热环境改善的要求日益提升，居民空调器拥有量也迅速提高。至2011年底，重庆、上海、江苏、广东、福建等夏季炎热省市的每百户空调器拥有量均已超过150台，远远超过全国的平均水平122台^[1]。近年来，夏季高温攀升不断推高空调负荷，我国大多数省份迎峰度夏，为确保夏季负荷高峰期间可靠用电，上海市，湖南，湖北等多省采取了拉闸限电措施。夏季空调负荷给电力供应带来了巨大的压力，对于夏季炎热地区，空调能耗较高，尤其需要寻求适用的节能措施以降低空调能耗，被动式技术中的自然通风不失为一个良好举措。自然通风可以在不消耗能源的情况下降低室内温度^[2-3]，进而取代或部分取代空调以节约能源。国外有部分学者对太阳烟囱，通风阀，百叶窗，双层幕墙等措施应用于改善自然通风效果进行了研究^[4-8]，也有学者对自然通风节能潜力进行了研究。Santamouris等^[9]对希腊214个空调住宅采用夜间通风技术的能耗数据进行分析，得出冷负荷每年降低最多可达40 kW·h/m²，平均降低12 kW·h/m²。Cardinale等^[10]利用AIOLOS软件模拟了意大利阿尔盖罗，安科纳，博洛尼亚3种门窗开启模式下的两层半独立式住宅的能耗，分析7月至9月的空调能耗数据，得出采用自然通风的建筑在博洛尼亚可节能52%，安科纳节能41%，阿尔盖罗节能46%。国内有部分学者对住宅自然通风的节能效果进行了研究，陈东^[11]利用DeST研究了自然通风对福州某公寓楼全年空调能耗的影响，得出考虑了自然通风后, 与标准通风模式相比,该楼夏季空调能耗下降了8.8%。刘晓讯^[12]利用DeST软件模拟厦门某一典型住宅在固定通风次数和自然通风情况下的建筑冷负荷，得到在厦门点式住宅中，自然通风对于降低建筑冷负荷有显著作用，而且温度越高，自然通风效果越明显。吴扬等^[13]利用DeST-h模拟了福建省南平市某住宅楼其空调在固定通风和自然通风下的冷负荷，得出采用自然通风能减少空调冷负荷的峰值，这对于减少夏季供电压力具有重要意义。夏季炎热地区，空调能耗主要来源于夏季制冷，在室外气候条件允许情况下，合理利用自然通风将会有效减少空调能耗。在此本文作者研究夏热城市住宅自然通风模式对空调能耗影响，从房间使用模式、开窗模式和空调控制温度3个因素的变化分析自然通风对夏季空调能耗的影响。

1  研究方法

本文采用清华大学开发的DeST (designer’s simulation toolkit home)建筑热环境设计模拟工具包进行能耗模拟。考虑到不同时段，不同开窗方式会对自然通风效果产生不同影响，由此选择了4种典型的开窗模式。另外，空调控制温度和房间使用模式会对人员开窗的行为产生一定的影响，进而影响自然通风效果，本文也将研究两者对空调能耗造成的影响。

1.1  研究对象

分别选取位于重庆、上海、深圳、福州4个城市的3种典型平面形式的住宅建筑，分别是板式，点式和L式。所有建筑均是正南朝向，层数4层，层高3 m。建筑每一层均由4户相同的户型(见图1)构成。窗墙比均是按客厅0.45，次卧室0.4，卫生间0.3，厨房0.18设置，内外遮阳均未设置。建筑平面形式见图2。

图1  单个户型平面图

Fig.1  Single unit plan

1.2  基准建筑参数设置

模拟采用参数见表1和表2。

依据JGJ75—2003《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》和JGJ134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，夏季室内设计温度均设置为26 ℃^[14-15]。耐受温度上限为29 ℃。耐受温度是指用户并非在室内温度超出设定温度时就会开启空调，而是会有一定的忍受范围,超出该容忍范围才会开启空调，而当开启空调后，房间温度就会保持在设定温度的范围内。起居室和卧室外，其余房间均是非空调房间。在工作日白天家里无人的情况下空调运行具体设置见表3。

图2  板式、点式和L式建筑平面图

Fig.2  Plan of spider type, slap-type and L-type

表1  围护结构材料及热工参数

Table 1  Envelop materials and thermal performance parameters

表2  室内热源情况

Table 2  Indoor heat source

1.3  房间使用模式

考虑到房间使用模式不同，人员开窗习惯会有所差异(见表4)。为研究不同房间使用模式对空调能耗产生的差异，在工作日白天家里有人的情况下，选取2种开窗模式进行研究。

表3  卧室和起居室空调运行时间

Table 3  Air conditioner operation schedule in bedroom and living room

表4  房间使用模式

Table 4  Room occupation mode

1.4  开窗模式

为研究开窗模式对空调能耗的影响，模拟建筑的其他参数与基准建筑保持一致，仅是改变4种开窗模式对应的参数。

本文不同开窗模式主要通过开窗时间及通风换气次数体现，通风换气模式设定为一个风量的变化范围(关窗风量(渗透风量)~开窗风量)，该种通风模式表示当室外温度低于室内温度,适于开窗通风时，认为用户开窗，室内外通风换气量为开窗风量；当室外温度高于室内温度，不适合开窗时，认为用户关窗，风量为关窗风量。在用户肯定不开窗的其他时间段内，风量为关窗风量。这种根据室内外温度来确定通风量的方法，在一定程度上反映了用户通过开关门窗来调节室内热环境的行为^[16]。

根据相关文献，关窗风量可取0.5 h^-1，开窗风量可取10 h^-1[16]。由于选取建筑所处地区气象条件不同，4个城市开窗风量设置有所差别。全天关闭的模式下，渗透风量取0.5 h^-1，白天开启与晚上开启模式下，最小通风换气次数为1 h^-1，最大通风换气次数重庆取10 h^-1，上海，深圳，福州取20 h^-1。入寝后关掉一部分窗户，认为此时的最大通风换气次数为全开时的一半，具体设置见表5。

表5  卧室开窗模式

Table 5  Window opening mode in bedroom

2  计算结果和分析

2.1  房间使用模式对空调能耗的影响

保持基准建筑其他设置参数不变，根据表4房间使用模式的设置，模拟结果如图3所示。

图3  房间使用模式与空调冷负荷关系

Fig.3  Relationship between room operation mode and cooling load

由图3可知：重庆、上海、深圳和福州4个城市W2房间使用模式下，冷负荷要比W1低10%左右。其中深圳减少百分比最大，其次是上海，福州，重庆。由于白天有人时，当室外温度适宜自然通风时，人员开窗利用自然通风进行冷却，进而减少了空调冷负荷。

2.2  开窗模式对空调能耗的影响

保持基准建筑其他参数不变，根据表5不同开窗模式(K1，K2，K3和K4)的设置，对位于重庆、上海、深圳和福州的3种不同平面形式的建筑在4种不同开窗模式下的空调能耗进行模拟，结果如图4所示。选取板式、点式和L式建筑的3个户型(3个户型的平面位置见图2)的冷负荷进行分析，结果如图4所示。

由图4可知：任一种开窗模式下，同一城市的点式建筑和板式建筑冷负荷相比，差异不大，而L式建筑冷负荷最大。另外，比较各城市建筑冷负荷可以看出，无论何种平面形式的建筑，K1相对于K2冷负荷减少率以重庆平均减少最多，说明入寝后只关一部分窗户的开窗模式，在重庆的自然通风节能效果最好，其次是福州，上海，深圳。K2相对于K3冷负荷减少率以上海最大，重庆最小，其余2个城市相差不大。由K2和K3开窗模式对比可知，傍晚用户开启一段时间的窗户，在上海的节能效果最大，重庆最小。这种自然通风冷却节能效果的差异主要是由各地室外气象参数不同产生。

另外，4个城市，冷负荷均是K1最小，其次是K2，K3，K4。开窗模式K1入寝后保留一部分窗户开启，相对于K2入寝后关闭所有窗户冷负荷平均减少了2%左右；K2相对于K3全天关闭窗户冷负荷平均减少了6%左右。说明晚间入寝后只关掉一部分窗户或者用户傍晚开启一段时间窗户，将有利于减少空调冷负荷。这是因为在夏季傍晚和夜间，室外温度较低，通过开窗利用室外较低室外空气进行自然通风冷却，可以在一定程度上减少空调冷负荷。对于开窗模式K4窗户全天开启比K3多8%~18%的空调冷负荷。这主要是因为夏季白天室外温度较高，此时开窗反而增加了空调冷负荷。

单独分析典型户型，由图5可知，与分析整个建筑冷负荷所得情况不同，3个户型开窗模式K1入寝后保留一部分窗户开启，相对于K2入寝后关闭所有窗户冷负荷平均减少了7%，其中户型H2减少百分比略比H1和H3低1%；K2相对于K3全天关闭窗户冷负荷平均减少2%左右。H3户型减少百分比最小为1.4%，H1最大为2.7%；对于开窗模式K4窗户全天开启比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。综合以上分析，可从一定程度说明，H2户型的自然通风节能效果略比H1和H3的差。

图4  4个城市不同平面形式建筑开窗模式与空调冷负荷关系

Fig.4  Relationship between window opening mode and cooling load for different layouts in four cities

图5  开窗模式对典型户型空调冷负荷的影响

Fig.5  Influence of window opening mode on cooling load in typical room

2.3  空调控制温度对空调能耗的影响

选取位于重庆、上海、深圳和福州的板式建筑为研究对象，模拟得到建筑在4种开窗模式下空调控制温度分别为24，26和30 ℃时的空调冷负荷，为便于比较各地区建筑的空调冷负荷，分析时采取了冷负荷变化率这一指标，它是指某空调控制温度下该种建筑的空调冷负荷相对于其在26 ℃空调控制温度下空调冷负荷的变化率，结果见图6。

从图6可知：空调控制温度越高，夏季空调冷负荷越低，控制温度由24 ℃变为26 ℃，冷负荷增加1.2~1.9倍；当空调控制温度为30 ℃时，其冷负荷相对于26 ℃时的冷负荷减少了90%以上。空调控制温度降低，从一定程度上反映了人员的耐受温度相对较低，在室内温度没有超过人的耐受温度时，人员倾向于开窗来调节室内的温度以达到室内热舒适度，在室内温度超过人的耐受温度时，认为人才会去开空调。所以在这种情况下，空调时间会相对延长，利用自然通风的时间减短，导致空调负荷增加。当空调温度控制温度升高时，意味着人员的耐受温度相对较高，人员在室内温度没有超过其耐受温度的情况下，将会有大部分时间可以通过开窗利用自然通风，此时空调冷负荷相对减少。

另外，由于地域气候差异，空调控制温度的变化对上海板式建筑空调冷负荷影响最大，接着依次是深圳，福州，重庆。

图6  不同开窗模式时空调控制温度与冷负荷变化关系

Fig.6  Relationship between air conditioning control temperature and cooling load at different window opening modes

3  结论

1) 房间使用模式不同，自然通风模式对空调能耗的影响不同。重庆、上海、深圳和福州在白天有人且开窗的房间使用模式下，其冷负荷要比白天无人且关窗的情况低10%左右。

2) 开窗模式不同，自然通风模式对空调能耗的影响不同。傍晚开窗或入寝后只关闭部分窗户，分别平均减少6%和2%左右的冷负荷。夏季白天开窗反而会增加空调冷负荷，依据建筑所在地和建筑平面形式不同将增加8%~18%。

3) 空调控制温度不同，自然通风模式对空调能耗影响不同。空调控制温度越高，冷负荷越低，控制温度30 ℃时的冷负荷相对于26 ℃时的冷负荷减少了90%以上；由24 ℃上升到26 ℃，冷负荷升高了1.2~1.9倍。

4) 影响自然通风模式对空调能耗的主要影响因素包括：房间使用模式，开窗模式和空调控制温度。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[EB/OL]. [2013-12-28].http://data.stats.gov.cn/workspace/index.

National Bureau of Statistics of China. China statistical yearbook [EB/OL].[2013-12-28].http://data.stats.gov.cn/workspace/index.

[2] Tetsu K, Doris H. The effectiveness of night ventilation technique for residential buildings in hot-humid climate of malaysia[J]. Journal of Environmental Engineering, 2009, 74: 89-95.

[3] Tetsu K, Chyee D T H, Supian A. The effects of night ventilation technique on indoor thermal environment for residential buildings in hot-humid climate of Malaysia[J]. Energy and Buildings, 2009, 41(8): 829-839.

[4] Khanal R, CHENG Wanglei. Solar chimney: A passive strategy for natural ventilation[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(8): 1811-1819.

[5] Arce J, Jiménez M J, Guzmán J D, et al. Experimental study for natural ventilation on a solar chimney[J]. Renewable Energy, 2009, 34(12): 2928-2934.

[6] Prajongsan P, Sharples S. Enhancing natural ventilation, thermal comfort and energy savings in high-rise residential buildings in Bangkok through the use of ventilation shafts[J]. Building and Environment, 2012, 50: 104-113.

[7] Kang J H, Lee S J. Improvement of natural ventilation in a large factory building using a louver ventilator[J]. Building and Environment, 2008, 43(12): 2132-2141.

[8] YU Min, Kim J H, Kim S M, et al. Effects of double skin envelopes on natural ventilation and heating loads in office buildings[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(9): 2118-2125.

[9] Santamouris M, Sfakianaki A, Pavlou K. On the efficiency of night ventilation techniques applied to residential buildings[J].Energy and Buildings, 2010, 42 (8): 1309-1313.

[10] Cardinale N, Micucci M, Ruggiero F. Analysis of energy saving using natural ventilation in a traditional Italian building[J]. Energy and Buildings, 2003, 35(2): 153- 159.

[11] 陈东. 学生公寓节能设计中自然通风的研究与实践[J].福建建设科技, 2007(3): 66-67.

CHEN Dong. Study and practice of natural ventilation on the energy saving design of student apartments[J]. Fujian Construction Science & Technology, 2007(3): 66-67.

[12] 刘晓讯. 自然通风对厦门某住宅冷负荷影响的模拟研究[J]. 福建建筑, 2011(6): 40-41.

LIU Xiaoxun. The simulation of the impact of natural ventilation on cooling load of residential building in xiamen[J]. Fujian Architecture, 2011(6): 40-41.

[13] 吴扬, 冉茂宇, 胡深. 南平市自然通风对居住建筑热冷负荷的影响[C]// 2010年建筑环境科学与技术国际学术会议论文集, 南京: 东南大学出版社, 2010: 353-357.

WU Yang, RAN Maoyu, HU Shen. Simulation study of natural ventilation on heating and cooling load of residential building in Nanping city[C]// International Academic Conference Proceedings of Built Environment Science and Technology in 2010. Nanjing: Southeast University Press, 2010: 353-357.

[14] JGJ75—2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准[S].

JGJ75—2003 Design standard for energy efficiency of residential buildings in hot summer and warm winter zone[S].

[15] JGJ134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].

JGJ134—20010 Design standard for energy efficiency of residential buildings in hot summer and cold winter zone[S].

[16] 张晓亮, 朱光俊, 江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST第13讲住宅模拟优化实例[J]. 暖通空调, 2005, 35(8): 65-72.

ZHANG Xiaodong, ZHU Guangjun, JIANG Yi. Building environment design simulation software DeST (13): examples of aided design for residential buildings[J]. HVAC, 2005, 35(8): 65-72.

(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-09-23；修回日期：2013-12-13

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51108473)；国家“十二五”科技支撑计划重大项目(2013BAJ11B05) (Project (51108473) supported by National Natural Science Foundation of China; Project (2013BAJ11B05) supported by Key Projects in National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-Year Plan Period)

通信作者：刘猛(1979-)，男，湖南常德人，博士，副教授，从事绿色建筑技术适宜性、建筑碳计量研究；电话：13594006068；E-mail: liumeng2033@126.com