〔译〕电风扇或卷土重来

为使人保持凉爽，通过空气流动降温的能源效率至少是空调的十倍！

风扇作为人类纳凉的工具，其历史可追述到十八世纪，比起空调，它依然更有效率、更少消耗能源，体验也更为舒适。为使人体保持凉爽，通过空气流动降温的能效至少是空调的十倍，同时具有使人自主调节环境温度的便利性。

即使是酷热天气，如果合理与空调搭配使用，总体能源消耗也可显著降低30~70%。设计优良的电风扇非常节能，造价实惠，新老建筑皆可部署。最新的国际舒适标准(ISO 7730)参考中的变化似乎预示了风扇即将到来的复兴。

空调的繁盛

基于压缩机的空调的运转给市政供电网络带来了不容忽视的压力。在空调的发源地——美国，空调的电力消耗占据了家庭全年电力负担的20%、全部电网的15%［1］。

空调的广泛使用，正是美国相较欧洲用电量奇高的一大祸首：论单位家庭电量，美国家庭单空调的用电量就相当于欧洲家庭总用电量的60%。[2]

除个别位于美国西岸温带气候的地区外，空调已成美国家庭标配。[3] 空调安装率从1960年的12%上升到2009年的87%。[1] 2005年空调耗电占比更是比1993年高出37%，尽管彼时空调能源效率已提升28%（能源效率的提升部分归功于空调安装形式从独立式升级为中央式）。[1]

峰电需求

最糟的是空调带来的电力高峰。众所周知，空调全年的使用频率并不均等，而是集中在夏天的几个月中。酷暑之日，通常每户人家的空调都设定在温度最低的档位，由此带来的便是整个电网负载曲线的尖峰。数千座电厂、数十万里的输电线仅仅在平均每年几天的时间中发挥作用，其余的时间却大为闲置。基于压缩机的空调运转是峰值电力需求远高于平均电力需求的一个重要诱因。[4],[5]

当人们把气候变暖的矛头指向温室气体时，另外的问题又开始浮现：空调不仅释放排放物，还会泄漏和挥发制冷剂，这会比二氧化碳引发更严重的温室效应。更讽刺的是，那些数量可观的从空调挥发出来的温室气体导致我们的夏天愈发炎热，反过来，又刺激人们更加活跃地安装空调。另一个让人沮丧的反馈循环是「都市峡谷效应」：空调机交换热空气到室外，致使街道更热，反过来刺激人们更频繁地使用空调。[1],[6]

虽然美国的空调保有率领先世界其它地区，但此种制冷技术在全球已成大势。就在1997到2007年期间，中国家庭的空调保有量增长了三倍，空调年销量达到2千万还多。[1] 印度计划到2020年，空调电力需求较2005年将翻至十倍。[1] 即使处于温带地区的欧洲，空调保有量也持续走高，尤其是在商业场所。在英国，相比1994年10%的比例，到2020年，40%的商业空间将部署空调。[6]

风扇的历史

有史以来，人类都只是通过能量来帮助自己度过寒冬而已，通过能量来纳凉却是很晚近的事情。二十世纪中叶空调才被发明出来，在此之前，散热是通过自然通风作为建筑物的一个要求设计于其之中的（见后文），同时，人们通过改变日常习惯来适应酷热天气。然而，空调并非首个使用能量交换来达到纳凉效果的技术，电风扇早于空调几十年就用于此项了。

大部分时期，风扇是由人力驱动的。古埃及、巴比伦、波斯、古代中国、古希腊和古罗马皆使用手持风扇（扇子）来纳凉。奴仆们常常被支使给主人扇扇子纳凉和驱赶蚊虫。十九世纪，日本人发明了折扇，文艺复兴时期又由葡萄牙士兵将其引入到西方世界。[7]

世界上第一批远程控制的风扇是一类起源自印度和中东的被称为「pankha」或「punkah」的装置。此类装置有一个被长方形布料覆满的框架悬置于当空，奴仆们通过牵引绳从屋外控制框架来回摆动来制造风力给主人纳凉。[10]

旋转风扇出现于十八世纪，当然，最早也是由人驱动的。同一世纪里，机械驱动的旋转风扇出现了，其由上紧的发条驱动。十九世纪，风扇开始由水力、蒸汽等动力驱动。到1882年，电风扇第一次在美国出现了。

凉爽之要素

空气的这四个因素会决定人体热感：气温，流动速率（下文与「风速」一词混用），湿度和表面辐射温度。调控其中任何一个因素都可以使人感受不同到不同热度。

空调调节气温和湿度（在有必要时）这两者。较低的气温和湿度都会导致人体热量损失，前者由人体与环境之间的空气对流带走热量，后者由人体皮肤排到空气中的水份带走热量（以下称为排汗）。电风扇会增加风速，同时加速了人体与环境空气的对流效应和排汗。排汗导致的热量损失和风速的平方成正比。[8]

降低周围环境物表面的辐射温度是另外一种保持人体舒适的方法，通过分布在建筑物表层（墙体、地板、天花板、隔断）下的冷水循环系统可实现此目的。与气温和湿度调节相似，通过调低环境辐射温度导致人体向环境辐射更多热量，从而起到降温作用。这一效应同时还会间接而缓慢地降低气温。但是，电风扇并不能降低气温。[8] 不论是电风扇还是冷水循环系统都是在酷热天气给人凉爽的好方法。

空调为何低效

空调是最低效的降温手段，因为这种方式假定整个建筑空间都需要被冷却降温（如有必要，还要除湿）。空间越大，人越少，则效率越低。虽然都是通过迫使人体向环境输出热量来达到降温的目的，但是电风扇比起空调的优势在于，带动空气流动所需的能量要远小于冷却空气所需的能量。

带动空气流动所需的能量要远小于冷却空气所需的能量，并且，电风扇可就地运行，立即生效！

电风扇可就地运行，立即生效！电风扇使人体附近的空气快速流动，空间中其它地方的空气不受影响。毕竟，没人呆的地方何必要费力折腾呢？当你回家进屋，打开风扇，轻风会立即拂面而来，空调就不行了，得花一阵功夫才能使整个房间凉快下来。因此，人们为贪图一时之快，常常不愿随用随开和及时关闭空调。

因为无需大面积冷却空气，调低辐射温度也是比空调降温更有效的方式。而且，辐射降温还是在室内降温的主要方式。[9］

然而，和电风扇相比，辐射法有两个缺点：其一，和空调一样，启动缓慢，为提控持续的凉爽体验，设备需长久运行；其二，比电风扇成本高，并且难以在现存建筑当中部署。

空调的另外一个缺点是其有效运行要求密闭环绕的空间，而电风扇和辐射法均同时适用室内外。如果条件适合，再结合自然通风，有时人们几乎能以免费的方式获得凉爽。这两种纳凉体验在自然界中也各有其对应现象：风启发了电风扇，冰冷的海面、湖面和岩洞可以让你形象地体会到低温辐射带来的凉意。

电风扇暗藏潜力

风扇的降温效力十分可观，大约每秒1米的风速即可抵消3℃的室内升温，每秒3米的风速即可抵消7℃。［10］此二者风速分别对应于蒲福氏风级的1，2级。湿度越低，风速带来的降温效果越显著。风扇的设定也是影响体验的一个因素，因为风扇制造的气流只能到达有限的区域。

吊扇提供相对较小的降温效力，但是具有不占墙体和桌面空间、能大面积输出效力的优点，落地扇能让人的前胸和后背感到非常凉快，桌上风扇介乎两者之间，能为敏感的面部提供舒爽体验。［12］

近年来，有一些针对风速和空气湿度与纳凉之间关系的研究已经展开。2013年，一个研究吊扇的试验发现：只要1.2m/s的风速，试验对象即可在最高30℃、相对湿度60%的环境下保持一定的舒适体验，在最高30℃、相对湿度80%的环境下，只要1.6m/s的风速。不过要考虑到试验所在的气候模拟室的特殊环境，以及试验对象穿着单薄(0.5 clo)，并从事轻体力劳动（比如电脑办公）这些因素。［12］

只要1.6m/s的风速，试验对象即可在最高30℃、相对湿度80%的环境下保持一定的舒适体验。

上面试验的作者，用落地扇做过另外一个试验。只要1m/s的风速，试验对象即可在最高30℃、相对湿度60%的环境下保持舒适。但是，当相对湿度达到80%，即使调整风扇到最大风速，也不能让大部分试验对象感到满意（试验要求必须多余80%的试验对象满意才达标），作者总结道，也许落地扇还需要更给力的最大调节风速才行。［12］

两个试验中的对象都没有抱怨因为吹风而感到鼻子或眼部干涩。更早的试验也表明，只要1.6m/s的风速，试验对象即可在最高31℃、相对湿度50%的环境下保持人体舒适。而泰国和香港的试验需要3m/s的风速，试验对象可在最高30℃、相对湿度85%的环境下保持舒适，但该试验未提及试验对象是否有抱怨鼻子和眼部不适问题。[12]

节能的风扇

通过更多地使用电扇，或完全杜绝空调，可节省大量能量。国际舒适标准(ISO 7730)中指示的空调温度舒适调节范围是23℃到26℃。[11]然而，如果配合电扇，室内舒适温度的可调节范围还可扩大许多。

空调传感器设定的温度越高，越节省能源。当传感器设定的温度高于25℃时，每1℃的提升，将节省9~12%的能源。对于高速运转的吊扇，其消耗的能源只需从空调节省出的能源的2%。所以，综合下来，两者的合理搭配，感器设定的温度每提升1℃将节省7~10%的能源消耗。因此，如果空调设定为29℃的情况下同时打开电扇，总体将节省35~50%的能源消耗。［10］

如今，新一代的电风扇已经配备了直流(DC)马达和磁悬浮转轴，因此极大地降低了能源消耗。上文提到的试验测试出，在最高30℃的环境里，只需要不超过10瓦特的电力即可提供足够让人体感到舒适的风力。甚至功率低至3瓦特的电扇也能在人体身旁制造出速度可达1m/s的气流，已足够将人体感受到的温度降低3℃。低功耗电扇还有个优点是在停电期间可通过备用电池继续发挥功能。[12]

在气候不那么热的地区，通过电扇与自然通风或冷水循环系统配合，可完全免去安装空调。这些地区的建筑如果在设计之初就将自然通风纳入了考虑，则全年的绝大部分时间都可以避免使用空调。不过，建筑的通风效果也取决于室外风力条件，那么在无风的热天里，或者，不是所有人都有机会呆在距离窗户足够近的区域里，电扇就能发挥功能了。

电扇的局限

流经身体表面的气流越猛烈，身体散失热量的速率就越快。但是这里有一个隐含的限制会牵制电扇给人体降温的效果：只有当人附近的空气温度低于人体皮肤平均温度(35℃)时，风扇制造的气流才能真正让人感觉凉爽。因为不论多大风速，都不能让人体温度低于周边气温。

即使有此限制，在气温高于35℃时，也可通过电扇与空调搭配使用。比如，与其使用空调将室温降到24℃，不如只降到29℃，再开电扇纳凉。这样搭配使用将比只使用空调节省50%左右的能源。

气流的另一个弊端是在办公场所可能会把桌面上的纸张弄乱，这可以通过镇纸来避免，或者使用桌下式电扇解决问题。不过，在无纸化办公环境，这都不是事了。[10]

最佳体验

风扇通过多种方式为人提供纳凉体验，还可私人定制，空调却强迫所有人处于一致的环境温度中。毕竟，不是所有人对同样的温度都有同样的感受，更何况个体的穿着和活动量都因人而异。可见，众口难调是空调不能治愈的硬伤。令人悲哀的场景常常上演：外面是30多度的热天午后，写字楼里人们却穿着厚毛衣、用着电暖器躲避凉意。

风扇通过多种方式为人提供纳凉体验，还可私人定制，空调却强迫所有人处于一致的环境温度中。

更加深入研究下去，如果每个人使用独占的风扇可以定制自身附近的小气候，带来的益处还不止如此，人们甚至会觉察出空气的质量都会提升。因为风会带走人体自身排除的异味。[12]和空调一样，风扇在蚊虫肆虐的地区也能有效将其驱赶。[10]

电扇不甘沦为备胎

既然电扇如此高效便捷和多才多艺，为何最终没能广泛流行呢。看看当今的国际舒适标准，室内空气流动的指导标准才0.2m/s。[8],[14] 虽然这是为避免穿堂风——流动的空气在过分炎热的天气反而会适得其反〔该句原文：Obviously, avoiding drafts is very useful during the heating season, because in that case the powerful cooling effect of moving air is counter-productive.〕。不过，如此单一的标准会被采纳，恐怕和标准起草者本身（ASHRAE：美国采暖、制冷与空调工程师学会）是空调产业相关利益方脱不了干系吧。而美国以外的其它标准（ISO 7730、EN 15251）很大程度上都受到了美国标准（ASHRAE）的影响。[11]

所幸的是，随着越来越多研究表明，哪怕是大流速的空气也可在炎炎夏日为居住者带来清凉体验，致使近年来这些标准开始日益受到批判。就在2010年，新修订的「ASHRAE 55」标准重新定义了最高0.8m/s（机械预置）和最高1.2m/s（手动干预）的风扇风力行业指标。

（图：直径 30厘米的 Toshiba Sient 风扇, 试验中用到过的落地扇. 正常使用消耗2~8瓦电力）

2013年再次修订的「ASHRAE 55」标准，更具前瞻性地用「平均空气流速（average air speed）」替换了原来的单一最大空气流速（single-point maximum speed）定义。此时，脚踝、身体、颈部的体感风速都被要求在设计里综合考察。这使得风扇厂商可以设计出具有更高风速的产品。[12],[13] 尽管还要些许时日，建筑师、工程师、行政部门才能逐步接受最新的标准，但看起来，电风扇已有复兴指日可待之势。

空调建筑

但是要彻底杜绝空调也非易事，空调已经惯养了数量庞大的建筑，这些建筑在设计之初就考量了空调的部署。想象一下，在空调还未出现以前，大量的建筑不用消耗额外的能源，也能使居于其中的人度过炎炎夏日。这得益于巨大的入口、高耸的天花板、可敞开的天窗、滑动式窗户、通风井、楣窗（transom）、露天中庭（或天井）等等这些建筑元素。为了最佳的通风考量，有些建筑甚至当空建设。[1],[6],[9],[11]

传统的建筑为了尽可能多的阻断太阳热辐射，其外围通常有着厚重的结构和材料，像是巨大的屋檐和反光屋顶，以及大量种植林道树。而空调的出现令这些元素渐已消失，更轻更便宜的材料成了市场主流。通风顺畅的H形、T形和L形办公楼渐渐式微，方正憨实、体量巨大和户型深邃的建筑开始大行其道。各类五花八门的建筑形式业已涌现，像是外表华丽的塔楼或完全封闭的购物中心，由于热岛效应，这类建筑一旦脱离空调，根本无法住人。即使扣除电扇节省的能源，这些建筑消耗掉的能源依然会令人惊叹不已。

[1],[6],[9],[11]

本文引用：

“Losing Our Cool: Uncomfortable Truths About Our Air-Conditioned World (and Finding New Ways to Get Through the Summer){width=”1” height=”1”}”, Stan Cox, 2010 ↩↩↩↩↩↩↩↩
“Home air conditioning in Europe – how much energy would we use if we became more like American households?” (PDF), George Henderson, 2005 ↩
“While household air conditioners have become both more prevalent and more efficient, new data highlight opportunities to lower energy bills“, US Energy Information Administration, August 2011 ↩
“Peak Demand Impacts of Residential Air-Conditioning Conservation Measures“, Burke Treidler and Mark Modera, Lawrence Berkeley Laboratory, 1994 ↩
“The role of building technologies in reducing and controlling peak electricity demand” (PDF), Jonathan Koomey and Richard E. Brown, LBNL, 2003 ↩
“Growth in mobile air-conditioning: a socio-technical research agenda”, Graham Parkhurst & Richard Parnaby, in “Comfort in a Lower Carbon Society (Building Research and Information){width=”1” height=”1”}”, Elizabeth Shove, 2008 ↩↩↩↩
http://www.allhandfans.com/ ↩
“Human Thermal Environments: The Effects of Hot, Moderate, and Cold Environments on Human Health, Comfort, and Performance, Third Edition{width=”1” height=”1”}”, Ken Parsons, 2014 ↩↩↩
“Thermally Active Surfaces in Architecture{width=”1” height=”1”}”, Kiel Moe, 2010 ↩↩↩
“Circulating fans for summer and winter comfort and indoor energy efficiency” (PDF), Richard Aynsley, 2007 ↩↩↩↩↩↩
“Adaptive Thermal Comfort: Principles and Practice{width=”1” height=”1”}”, Fergus Nicol, Michael Humphreys & Susan Roaf, 2012 ↩↩↩↩↩
“Air movement as an energy efficient means toward occupant comfort“, Edward Arens, Hui Zhang, Wilmer Pasut, Yongchao Zhai, Tyler Hoyt, Li Huang, November 2013. Prepared for State of California Air Resources Board, Research Division. ↩↩↩↩↩↩↩↩
“ASHRAE Publishes 2013 Version of Thermal Comfort Standard“, December 2013 ↩
“Moving Air for Comfort” (PDF), Edward Arens et al, ASHRAE Journal, May 2009 ↩