石國兵 余曉平* 吳曉林 黃雪

重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院

0 引言

夏熱冬冷地區(qū)住宅供暖方式已成為討論熱點。2013 年付祥釗等人指出“夏熱冬冷地區(qū)建筑冬季不供暖，室內(nèi)熱環(huán)境有損人體健康”，從人體生理角度提出了夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖的必要性[1]。重慶作為我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要區(qū)域，近年來隨著人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活需要，居民對居住環(huán)境的熱舒適需求也在不斷提高。重慶主城區(qū)住宅冬季供暖比例已達(dá)70%[2]，壁掛式空調(diào)以其“部分時間、部分空間”的供暖運行特點成為主要供暖方式，幾乎每戶的主要房間均有安裝，且每日供暖時長3 h 以上已達(dá)79%[3]。然而相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，空調(diào)的供暖費用并不低，壁掛式空調(diào)初期投入費用約 100 元/m2，冬季運行單位面積能耗約 14.65 kWh/m2，按重慶地區(qū) 0.57 元/kWh，即 8.35 元/m2，這筆費用對于普通家庭已算是較大的一筆開支[4-6]。

壁掛式空調(diào)供暖的高使用率產(chǎn)生運行高能耗，但對于改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境的效果并不理想。據(jù)筆者調(diào)研的結(jié)果分析，重慶地區(qū)僅 30%人群認(rèn)為家用壁掛式空調(diào)供暖效果良好，而 70%人群認(rèn)為一般或較差。尤其是40 歲以上人群認(rèn)為，空調(diào)運行帶來的空氣干燥、新風(fēng)不足等問題都已非常突出[2]，導(dǎo)致用戶開著門窗開空調(diào)的現(xiàn)象非常普遍。當(dāng)打開門窗進(jìn)行換氣時，室內(nèi)外的大溫差又會造成空調(diào)能耗的急劇增長，同時也影響室內(nèi)人員的熱舒適。因此，需要探索一種壁掛式空調(diào)冬季供暖與房間通風(fēng)的協(xié)同運行方式。

1 重慶冬季住宅供暖需求

1.1 重慶冬季供暖期溫度特點

冬季的劃分有多種方法，氣候?qū)W認(rèn)為平均氣溫連續(xù)5d 低于10 ℃算作冬季開始。節(jié)氣法按立冬為冬季開始；天文法則認(rèn)為冬至為冬季開始。農(nóng)歷法認(rèn)為農(nóng)歷10 月至12 月為冬季。陽歷法認(rèn)為陽歷的12 月至次年2 月為冬季。考慮到重慶地區(qū)典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)為1970-2000 的數(shù)據(jù)，而城市氣候逐年變化，年平均溫度有上升趨勢，暖冬現(xiàn)象逐年增加，筆者采用重慶地區(qū)近五年的月平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 重慶地區(qū)近五年月平均氣溫

由表 1 可知，筆者將平均氣溫最低的三個月作為冬季劃分的指標(biāo)，重慶地區(qū) 12 月至次年2 月為平均氣溫最低的三個月，可作為冬季時間。其中一月為歷年平均氣溫最低月，近五年的月平均氣溫為8.6 ℃。

1.2 重慶住宅冬季需供暖時長

付祥釗等人在保證住宅室內(nèi)溫度不低于衛(wèi)生學(xué)中最低溫度12 ℃的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同地區(qū)的冬季日照率和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一般熱工性能標(biāo)準(zhǔn)，確定了長江流域主要城市供暖期起算溫度，其中南京、上海、杭州、合肥≤7 ℃，武漢、南昌≤8 ℃，成都、長沙≤9 ℃，重慶≤10 ℃[7]。為此，筆者以氣溫≤10 ℃作為供暖需求溫度，結(jié)合重慶沙坪壩區(qū)氣象站近五年冬季（12 月 1 日-次年2 月28 日）的逐時氣象參數(shù)，對重慶沙坪壩區(qū)冬季需供暖時長進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 重慶近五年冬季需供暖時長

近五年重慶冬季 12 月至次年 2 月平均需供暖時長依次為 528 h、613 h、440 h，分別占當(dāng)月總時長的70.9%、82.4%、65.4%，冬季需供暖時長約占冬季總時長的 73%，該結(jié)果與東華大學(xué)鐘珂等人的夏熱冬冷地區(qū)非供暖居住建筑冬季室內(nèi)環(huán)境約 80%的時間達(dá)不到人體的健康要求的最低溫度 12 ℃的實測結(jié)果基本吻合[8]。

筆者記錄了重慶沙坪壩區(qū)大學(xué)城某住宅 2018 年1 月 5 日-6 日非供暖條件下的室內(nèi)外平均溫度和相對濕度，見表2。

表2 重慶冬季某住宅非供暖條件下的室內(nèi)外溫度和相對濕度

由表2 可知，冬季非供暖房間門窗開啟時，室內(nèi)外溫、濕度基本相同，門窗關(guān)閉時室內(nèi)溫度比室外略高。然而即使是門窗關(guān)閉情況下，非供暖房間內(nèi)的溫度也僅為 10 ℃左右，室內(nèi)外溫差不到 2 ℃，仍然未達(dá)不到衛(wèi)生學(xué)要求的最低溫度標(biāo)準(zhǔn)。

2 壁掛式空調(diào)冬季供暖效果實測

2.1 實測方法

為研究重慶地區(qū)冬季壁掛式空調(diào)的供暖實際運行效果，筆者進(jìn)行了現(xiàn)場實測。選擇該地區(qū)月平均氣溫最低和需供暖時長最多的1 月作為測試時間，測試對象為一戶位于重慶市沙坪壩區(qū)大學(xué)城的普通居民住宅，測試樓層為 4 樓，戶型如圖2 所示。圖2 中方框區(qū)域為所選取的測試房間，房間尺寸為 3.2 m×3 m×3 m，窗戶面向南方，空調(diào)安裝于桌面上方，安裝高度為 2.6 m。根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785-2012）中的測試規(guī)范要求，在房間桌面上方距地面1.1 m 高度位置（人體坐立頭部區(qū)域）布置測試探頭[9]。選擇 Y-BOAT 多功能室內(nèi)環(huán)境測試無線傳輸系統(tǒng)為測試工具，對室內(nèi)外溫度、濕度、CO2濃度情況進(jìn)行了測試，每 1 分鐘記錄一組數(shù)據(jù)。實驗期間，空調(diào)供暖設(shè)定溫度為20 ℃，送風(fēng)風(fēng)向為水平向下45°，出風(fēng)口風(fēng)速測得為 1 m/s，人員保持靜坐狀態(tài)，同時關(guān)閉門窗，維持室內(nèi)無其他熱源和濕源。

圖2 測試戶型及所測試房間布置圖

2.2 實測結(jié)果分析

實測結(jié)果如下：

1）由初始溫度10.6 ℃達(dá)到《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50736-2012）中人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)18 ℃（供熱工況，Ⅱ級熱舒適等級溫度），用時 84 min，溫度變化速率為 0.088 ℃/min，明顯低于筆者此前所作夏季制冷測試的溫度變化速率0.187 ℃/min。這是因為壁掛式空調(diào)安裝高度普遍為房間頂部區(qū)域，在冬季供暖時，熱空氣在浮升力作用下上升，與房間底部冷空氣對流換熱緩慢，導(dǎo)致了室內(nèi)人員明顯感覺頭熱腳冷。這與何鳴等人的冬季壁掛式空調(diào)供暖工況下房間溫度明顯分層的實測分析結(jié)果一致[10-11]。

2）測試房間處于封閉狀態(tài)且有人員活動時，房間內(nèi)CO2濃度會迅速上升。CO2濃度達(dá)到《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883-2002）中的規(guī)定值1000 pm 用時45 min，CO2變化率為9.25 ppm/min，此時溫度僅 15.6 ℃，尚未達(dá)到熱環(huán)境質(zhì)量要求。而當(dāng)房間溫度達(dá)到 18 ℃時，CO2濃度已達(dá)1336.3 ppm，已不能滿足衛(wèi)生條件。房間溫度和 CO2濃度越高，“悶”的感覺越強(qiáng)烈，因此冬季空調(diào)供暖期間，人們往往會開啟外窗進(jìn)行通風(fēng)換氣，這不僅造成空調(diào)能耗增加，還將影響室內(nèi)人員熱舒適。

為解決住宅壁掛式空調(diào)供暖運行期間的通風(fēng)問題，筆者在對比幾種不同的房間通風(fēng)方式基礎(chǔ)上，提出一種供暖與通風(fēng)的協(xié)同運行方案，在門窗關(guān)閉的情況下，通過合理設(shè)置通風(fēng)口，采用窗上部機(jī)械送風(fēng)+門下部自然排風(fēng)的無管道復(fù)合通風(fēng)方式，保障房間的熱舒適和空氣品質(zhì)實現(xiàn)。為驗證這一措施的有效性，筆者對開窗和房間無管道復(fù)合通風(fēng)這兩種方式進(jìn)行方案了數(shù)值模擬研究。

3 壁掛式空調(diào)供暖與通風(fēng)數(shù)值模擬

3.1 物理模型

根據(jù)該住宅房間的實際設(shè)施設(shè)備布置情況，房間尺寸為3.2 m×3 m×3 m，室內(nèi)有 1 個日光燈，一個坐立人員，一張桌子，一臺壁掛式空調(diào)。根據(jù)居民冬季空調(diào)使用習(xí)慣設(shè)定開啟1/3 的窗戶，或設(shè)定窗上部機(jī)械送風(fēng)+門下部自然排風(fēng)，在不影響計算的前提下，簡化后的物理模型如圖3 所示。

圖3 空調(diào)供暖房間不同通風(fēng)方式三維物理模型

3.2 模型模擬求解設(shè)置

本模型采用 Airpak 3.0 軟件，室內(nèi)空氣不可壓縮且密度符合Bossinesq 假設(shè)，房間內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流，冬季室外環(huán)境溫度根據(jù)實測結(jié)果取8 ℃，室內(nèi)熱源主要考慮人員和燈具散熱。PMV-PPD 計算按照人員靜坐狀態(tài)，人體新陳代謝率取 58 W/m（21.0 met），冬季服裝取 0.16 m2·K/W（1.0 clo），不計人體對外做功[12]。相應(yīng)數(shù)值模擬計算邊界條件見表3。

表3 數(shù)值模擬物理模型邊界條件

3.3 模擬結(jié)果分析

由圖 4～5 可以看出，開窗通風(fēng)導(dǎo)致室外冷空氣由窗戶下部進(jìn)入室內(nèi)后，直接沉降至房間底部，僅少量新鮮空氣到達(dá)人體呼吸區(qū)域，且造成人體工作區(qū)域的桌面溫度僅17 ℃，人體腳部表面溫度僅20 ℃，明顯低于身體其他部位表面溫度。而采用復(fù)合通風(fēng)后，由窗戶上部進(jìn)入房間的冷空氣先與空調(diào)所送暖風(fēng)混合換熱，再落入人體活動區(qū)域，利于人體呼吸新鮮空氣的同時，桌面溫度提高至 20 ℃，人體的體表溫度也更加均勻。更重要的是采用復(fù)合通風(fēng)方式的排風(fēng)溫度達(dá)到20 ℃，可為其戶內(nèi)他房間提供一定的熱量，減少了空調(diào)能耗排向室外的浪費。

圖4 送風(fēng)口垂直面的溫度場、氣體流場

由圖 6～8 可以看出，開窗通風(fēng)情況下，人體腳部環(huán)境溫度僅15 ℃，頭部環(huán)境溫度為23 ℃，頭足溫差最大達(dá)到8 ℃，桌面下方腿部活動區(qū)域 PMV 均低于-1，最大達(dá)到-2.5，PPD 最大達(dá)到75%以上。采用復(fù)合通風(fēng)后，腳部環(huán)境溫度提高至 21 ℃，頭足溫差控制在 2 ℃以內(nèi)，人體活動區(qū)域 PMV 均位于 0～1 之間，PPD 保持在12.5%以下。壁掛式空調(diào)冬季供暖時開窗通風(fēng)與復(fù)合通風(fēng)的結(jié)果對比，見表4。

圖5 房間內(nèi)各物體表面溫度

圖6 空調(diào)送風(fēng)口垂直面Z=2.2 m 處的溫度場

圖7 空調(diào)送風(fēng)口垂直面Z=2.2 m 處的PMV

圖8 空調(diào)送風(fēng)口垂直面Z=2.2 m 處的PPD

表4 壁掛式空調(diào)冬季供暖時開窗通風(fēng)或復(fù)合通風(fēng)的結(jié)果對比

因此冬季壁掛式空調(diào)供暖時，采用窗戶上部機(jī)械送風(fēng)+門下部自然排風(fēng)的復(fù)合通風(fēng)方式能夠改善開窗通風(fēng)所導(dǎo)致的房間溫度分層現(xiàn)象，同時提高人體熱舒適，證明了這一措施的有效性。

4 結(jié)論

通過對重慶住宅空調(diào)冬季供暖效果的實測和模擬分析，得出以下結(jié)論：

1）重慶12 月至次年2 月為月平均溫度最低的三個月，以室外氣溫≤10 ℃為供暖需求溫度，重慶地區(qū)冬季供暖時長達(dá)冬季總時長的 73.0%，其中以 1 月為最高，達(dá)當(dāng)月總時長的82.4%。

2）壁掛式空調(diào)冬季供暖溫度變化速率為 0.088 ℃/min，低于夏季制冷溫度變化速率的0.187 ℃/min，還需要加強(qiáng)空調(diào)供暖導(dǎo)致的房間溫度動態(tài)變化對人體熱舒適的影響研究。

3）通過合理設(shè)置通風(fēng)口，壁掛式空調(diào)冬季供暖時采用窗戶上部機(jī)械送風(fēng)加內(nèi)門下部自然排風(fēng)的復(fù)合通風(fēng)協(xié)同方式，可避免開窗通風(fēng)帶來的房間溫度分層和能源浪費問題?？砷_發(fā)一種兼顧空氣交換和阻隔噪聲的多功能窗式通風(fēng)器，滿足該地區(qū)冬季供暖熱舒適與通風(fēng)需求的同時，避免室外噪聲影響。

4）房間空間大小，空調(diào)安裝位置和空調(diào)送風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速，以及通風(fēng)送排風(fēng)口的位置、風(fēng)量等因素對壁掛式空調(diào)的供暖效果均有影響，在運行過程中，可采用空調(diào)與通風(fēng)聯(lián)動控制，以期最大限度提高人體熱舒適的同時節(jié)約空調(diào)能耗。

5）單個房間作為住宅的單元空間，其空調(diào)與通風(fēng)運行方式要考慮對其他房間的影響，通過加強(qiáng)對單個房間乃至整戶空間各區(qū)域氣流組織的合理控制，實現(xiàn)通風(fēng)優(yōu)先前提下的空調(diào)低能耗運行，滿足用戶個性化的使用需求。