廣東地區農村住宅室內熱環境優化研究

摘要：廣東地區新建農宅有向多層發展和天井消失的趨勢，室內熱環境因此而變化。為了解廣東地區新建農宅室內熱環境現狀，選取有天井現代農宅、無天井現代農宅和傳統農宅各一棟進行現場實測，在對比分析的基礎上發現現代農宅室內熱環境存在優化的空間。針對廣東地區現代農宅存在的問題，借助計算機輔助分析的手法提出適宜的優化措施，屋面遮陽、增大天窗高度及天窗開口置于下風向是改善有天井多層農宅夏季室內熱環境的有效措施，無天井現代農宅通過局部架空和窗口遮陽改善室內熱環境效果顯著。

關鍵詞：農村住宅；熱環境；天井；計算機輔助分析

中圖分類號：TU111.3文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03011611

Abstract：Newbuilt rural residential buildings in Guangdong province have the tendency of multilayer and courtyard disappearance， resulting in the change of the indoor thermal environment. Three typical buildings are selected to measure the parameters of indoor thermal environment in order to understand the status quo of indoor thermal environment in newbuilt rural residential buildings in Guangdong. It's found that there are several defects count against indoor thermal environment on the basis of comparative analysis. Thus， optimizations were made for design strategies such as shading， insulation and natural ventilation in lowrise buildings with/without patios. There are effective measures to improve the indoor thermal environment in summer of lowrise buildings with patios like the shading roof，increasing height of skylight and skylight placed under the wind direction. Numerical analysis was conducted to quantify the energy and comfort performance of these design strategies. Stilt floor was found to be a good way to build semiopen spaces in low-rise buildings without patios.

Key words：rural residential building； thermal environment； courtyard； computeraided analysis

中國農村地區的商品能消耗正在以每年超過10%的速度增長，商品能在農村地區用能比例由20世紀80年代的不足20%增長至60%[1]。與此同時，新建的現代農宅缺乏對室內熱環境的基本關注，簡單的構造致使現代農宅熱工性能很差，中國北方農戶冬季室內溫度過低、南方農宅夏季室內悶熱潮濕。因此，近年來越來越多的科研工作者將關注的焦點由城市轉向廣大的農村地區[25]，為新農村建設提供了有益的參考和示范。廣東地區夏季炎熱漫長，農村空調能耗存在巨大的能源缺口，關于村落微氣候與熱環境的相關研究已取得初步成果[67]，但針對農村住宅室內熱環境的相關研究工作還比較少，筆者將在現場實測與調研的基礎上對比分析廣東地區農村住宅室內熱環境現狀，并針對現存的問題分析原因，采用計算機輔助分析的方法提出可行的優化措施。

廣東農村地區最常見的傳統住宅是“廳井式”（敞廳加天井）住宅，廳井式住宅是北方的合院建筑隨漢族南遷進入廣東，在文化與氣候雙重因素的影響下，經過長時間的發展衍化形成的建筑模式[8]。近年來，受到人口增多、土地緊缺、工程技術水平提高等因素的影響，廣東地區現代農宅的發展有兩個明顯的趨勢：一是農宅由單層向3層（或3層以上）發展；二是作為傳統農宅核心的“廳井”中的天井正在逐步消失。在保留天井的現代農宅中，天井均加設玻璃頂蓋以滿足防雨的要求。因此，選取典型的有天井現代農宅和無天井現代農宅各1棟作為優化對象進行室內熱環境實測，同時實測1棟使用中的傳統農宅作為參照基準。

1實測簡介

1.1實測對象

實測時間是2011年7月—8月，是廣東地區典型的夏季時段。實測對象及測試現場概況參見圖1。

1.2測點布置

室外的巷道、半開放的門廊、天井、敞廳口、敞廳內部、臥室均布置了溫濕度測點，高度在1.5 m左右，以橫向考察各空間的溫濕度分布情況。為考察天井熱壓通風的潛力，在天井的各樓層高度處分別布置了溫度測點。風速的測量主要是室外、天井、室內人的活動區域以及窗口風速。測點布置參見圖2。

圖2測點布置圖

Fig 2Measuring points’ setting in measured objects

1.3測試儀器及參數

測試所用的儀器型號及參數見表1，儀器測量范圍及精度滿足室內熱環境測試國際標準ISO 7726[9]的要求。改裝后的黑球溫度計與標準黑球溫度計校驗[10]，測試精度為±0.5 ℃，可用于測試。

2.1空氣溫度與相對濕度

圖3～圖5分別是夏季3棟典型住宅主要使用空間實測溫濕度波動曲線。

由圖3可知，有天井現代農宅室內平均溫度逐層增大，1層廳堂（29.8 ℃）<2層廳堂（30.2 ℃）<3層廳堂（31.1 ℃），可見現代農宅中頂層到底層熱緩沖效果逐漸增強，無天井現代農宅室內溫度（圖4）為1層廳堂（29.2 ℃）<2層廳堂（29.6 ℃）<3層廳堂（30.7 ℃），也有相似的規律。一層廳堂平均溫度均低于傳統農宅廳堂平均溫度30 ℃（圖5），即農宅向多層發展的趨勢有利于降低夏季室內溫度。

但不容忽視的是現代多層農宅中頂層房間室內熱環境惡劣，平均溫度比非頂層房間高1 ℃以上，這是由于屋頂隔熱構造缺失所致。調研結果顯示，為節省房屋造價，廣東地區現代農宅的屋頂構造絕大多數僅是鋼筋混凝土結構層加兩側的抹灰層，節省了看不見的隔熱層，使得現代農宅中頂層房間熱環境惡劣，大多處于閑置的狀態，形成了不必要的浪費。因此，引導村民認識到屋頂隔熱的重要性十分必要。

與此同時，可以看到有天井現代農宅的各層廳堂溫度都比無天井多層農宅的同層廳堂溫度高，有兩個主要原因：1）有天井現代農宅中，大量的太陽輻射熱通過天井到達各層房間，而無天井農宅則沒有這部分熱負荷，因此，夏季天井頂部的遮陽十分必要；2）實測的無天井現代農宅中室內裝修大量使用大理石等石材，而有天井農宅中大多為砂漿抹灰飾面，石材的蓄熱系數是砂漿的兩倍，因此，裝修材料的差異也是導致兩棟住宅室內溫度不同的原因之一。

3棟農宅中夏季平均相對濕度均在80%左右，分布規律與溫度相反?，F代農宅中1層廳堂內相對濕度（83%）略大于傳統農宅（82%），2、3層廳堂的相對濕度逐層減?。ǜ骺臻g平均相對濕度介于79%～77%），農宅由單層向多層發展有利于防潮。

2.2自然通風

自然通風實測結果如圖6～圖8所示。廣東地區農村住宅多呈梳式布局，農宅周邊有良好的風環境，實測期間瞬時風速介于0.1～2.5 m/s，3棟典型住宅周邊巷道內的平均風速均大于0.7 m/s。

然而由于遵循后墻不開窗的古制，傳統農宅室內風速迅速衰減，廳堂平均風速不足0.2 m/s，臥室則不足0.1 m/s（圖8），室內風環境不佳。無天井現代農宅中取消天井的同時首層廳堂開啟側窗，實測期間，首層廳堂平均風速為0.29 m/s（圖7），非常接近室內適宜風速0.3 m/s[11]，室內風環境明顯得到改善。

有天井的現代農宅中首層廳堂亦保留了不開窗的古制，實測平均風速約為0.25 m/s（圖6），略優于傳統農宅，主要得益于熱壓通風效果增強。一般說來，熱壓通風的大小取決于進出風口的高度差和溫度差，實測天井垂直方向上的溫度分布見圖9。由圖9可知，現代農宅天井頂部和底部的平均溫差為1.9 ℃，高差為11.5 m，理想狀態下熱壓通風風速值為1.19 m/s，是傳統農宅（平均溫差0.3 ℃，高差4 m，理想狀態下熱壓通風風速值為0.28 m/s）熱壓通風潛力的4倍。對比實測結果可知，現代農宅中的熱壓通風的利用還很不充分，這或與天井頂部的防雨頂蓋有關。因此，可借助計算機輔助分析的手段優化天井頂蓋的構造及開啟方式，在防雨的同時改善其通風效果。

2.3太陽輻射

太陽輻射對室內熱環境的舒適程度有顯著影響，實測選擇黑球溫度來表征輻射對室內環境的影響，圖10為現代農宅首層東側臥室靠近窗口位置的黑球溫度和空氣溫度。由圖10可知，10：00左右測點黑球溫度突然增大3～5 ℃，空氣溫度也相應的出現波動，這是陽光直射測點形成的。

廣東地區傳統住宅是十分注重遮陽設計的。然而，現代農宅的遮陽往往被忽略，夏季通過窗口或天井直接進入室內的太陽輻射熱負荷不容忽視，使用者不能忍受過熱的室內熱環境時，會采取不甚美觀的臨時遮陽（圖11）。

實測結果表明，從優化室內熱環境的角度來看，廣東地區現代農宅的優點是：單層向多層發展的趨勢有利于防熱防潮，梳式布局可形成良好的室外風環境，突破首層外封閉的格局可有效改善首層空間室內風環境，這些優點在新建農宅中應繼續保持和發揚。但與此同時，現代農宅還存在如下主要問題：1）屋頂隔熱層的缺失導致頂層房間室內熱環境惡劣，過熱的室內熱環境必將導致不必要的能源消耗和浪費，因此，引導村民認識到隔熱層的重要性非常必要；2）現代農宅天井頂部的防雨構造影響了室內熱壓通風的效果，應對其出風口處的構造及使用要點提出建議以優化室內自然通風；3）現代農宅中遮陽設計被忽略，夏季通過窗口或天井直接進入室內的太陽輻射不容忽視，應針對建筑特點找準遮陽設計的關鍵部位。

3優化分析

針對實測所發現的問題，通過計算機輔助分析的方法提取最適宜的優化措施?，F代農宅中保留天井有利于天然采光、自然通風和除濕，但也會帶來過量熱輻射和使用率降低的問題，反之亦然。因此，有天井農宅和無天井農宅各有千秋，從現實情況來看，二者也是平分秋色。因此，不討論天井的去與留，而是針對有天井和無天井兩種現代農宅分別建模、討論各自適宜的優化方法。

3.1隔熱優化

選擇建筑能耗分析軟件Energy Plus作為工具對比隔熱設計和遮陽設計前后的全年能耗及室內熱環境?？紤]到建筑互遮擋對太陽輻射的影響，計算模型采用3行3列共9棟建筑，研究對象為正中的一棟住宅（圖12）。

圍護結構材料及厚度根據實際情況設定，是廣東地區現代農宅最常見的構造形式，模擬設置及熱工參數[12]為：內擾設置及作息按《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 75—2012）設置；模擬時段為全年逐時；氣象條件：《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[13]；傳熱系數：180厚粘土磚外墻（室內外分別做20 mm厚混合砂漿和水泥砂漿抹面），K=2.35 W/m2·K，D=2.85；屋頂（100 mm鋼筋混凝土結構層，室內外分別做20 mm厚混合砂漿和水泥砂漿抹面）K=3.77 W/m2·K，D=1.48；外窗（普通鋁合金推拉窗、5 mm白玻）K=6.0 W/m2·K，Sc=0.85。

有天井現代農宅中的天井實際上是被以玻璃及鋁合金為主制成的頂蓋所覆蓋，所以在基礎計算模型中天井頂部設置了玻璃頂蓋，整個天井是從1層到3層通高的封閉無空調的空間。

在優化分析前，先進行模型的模擬驗證，計算兩棟基礎模型全年逐時溫度分布，室內溫度逐層增大，夏季最大值可達35 ℃，冬季最小值不足12 ℃，整體變化規律與室內熱環境水平與實測室內熱環境相符。

優化模型在屋頂構造中增設30 mm厚XPS保溫板，其余同基礎模型。兩棟住宅的優化計算結果見圖13，以基礎模型的全年能耗為基準，有天井多層住宅設置屋頂隔熱層后全年的能耗為基準能耗的73.4%，節能率為26.6%；無天井多層住宅設置屋頂隔熱層后全年的能耗為基準能耗的65.9%，全年的節能率可達34.1%。整體而言，廣東地區現代農宅若設置屋頂隔熱層，全年可節約1/3左右的空調能耗。以29 ℃作為可接受溫度上限[14]，現代農宅整個夏季（6—10月）室內熱環境可接受比例約增加10%。

3.2自然通風優化

Fluent被廣泛應用于建筑內部的自然通風分析工作與研究中，采用Gambit2.4.6繪制網格，利用Fluent6.3.26對基礎模型優化前后的室內外風環境進行數值模擬。

典型日的選取依據《城市居住區熱環境設計標準》（JGJ 286—2013）[15]，以日平均溫度與日較差作為主要評價指標，參照太陽總輻射最接近整個夏季平均值基本形態，最終選定8月7日做為夏季的典型氣象日。當日下午13：00左右空氣溫度達到了全天的最大值30.9 ℃，太陽輻射值也處于較高的水平，此時室內熱環境最為嚴峻，因此，選取8月7日13：00作為計算機模擬分析的評價時刻。

為驗證模型的可靠性，將夏季實測的11天每日13：00的實測室外溫度平均值與計算溫度進行對比，無天井現代農宅中實測1.5 m高度處室外溫度平均值為32.0 ℃，基礎模型計算溫度為33.2 ℃，相對誤差為3.8%，這是因為實際情況下太陽輻射對空氣溫度的影響有滯后性，而這種滯后性在Fluent的穩態計算模式中無法考慮，因此導致的誤差，有天井現代農宅中的相對誤差為4.2%。

3.2.1有天井現代農宅優化策略選擇3行3列共9棟住宅組成的組團為計算模型，主要分析對象為正中的一棟住宅。解析時假設室外空氣流動為不可壓縮三維定常流動，符合Boussinesq基本假設，考慮浮升力的影響[1617]。對比標準Kε模型、RNG Kε模型和Realizable Kε模型對基準建筑的計算結果，Realizable Kε模型在各方面均優于其他兩個模型。對各邊界界面的邊界條件定義如表2所示。

亦對室內風環境有不利影響，綜合考慮這兩個優化方向，設計了8種可能的工況進行對比分析，詳見表3。不同工況下風環境優劣的評價標準是主要活動空間內、人行高度處的平均風速值和活動區域內風速值大于0.3 m/s的面積比例[16]，計算結果見表4。對比分析結果表明，對于有天井的現代農宅而言，室內風環境有效的優化方式是：首層廳堂開啟北窗；增大天井的高度。二者同時宜將天井的開口置于下風向。

3.2.2無天井現代農宅優化策略半開放空間是適應濕熱氣候的有益元素，傳統住宅中半開放空間主要有賴于天井形成，而現代農宅中設置天井會降低房屋的平面利用率，因此，一部分村民在建新房時舍棄了天井，此時，局部架空或是可以替代天井的有效方式。

圖14所示為無天井現代農宅從一層不架空到一層架空1/2時9種工況下1.5 m高度處室外微環境的解析結果。從計算結果可知，底層架空率由0增大到25%時，1.5 m高度處的室外平均溫度降低0.5 ℃以上，平均風速由0.27 m/s增大到0.43 m/s；底層架空率由0增大到50%時，1.5 m高度處的室外平均溫度降低了1 ℃以上，平均風速由0.27 m/s增大到0.79 m/s。

除了架空率外，架空的部位對熱環境也有影響，當架空部位位于上風向時，室外風環境更優。一層南向架空率為50%的時候，1.5 m高度處平均風速為0.79 m/s，西向架空率為50%的時候，1.5 m高度處平均風速為0.64 m/s，均高于東向和北向架空時的平均風速0.46 m/s。相應的，南向和西向架空50%時室外平均溫度為32 ℃，較其他兩個朝向架空時的平均值低0.2 ℃。

3.3遮陽優化

使用Energy Plus作為分析工具，邊界條件設置與3.1節隔熱設計同。考慮到廣東地區夏季太陽輻射強烈及現代農宅天井不利于防熱的特點，分別計算基礎模型、東立面擋板遮陽、南立面水平遮陽、西立面擋板式遮陽、北立面垂直遮陽、4個立面均設遮陽和屋頂百葉遮陽等7個工況下的室內溫度。同樣以可接受溫度上限29 ℃為界限，統計計算結果中夏季室內溫度可接受時長的比例。結果參見圖15、圖16。

由圖15可知，有天井低層農宅的遮陽優化中屋頂遮陽效果最為顯著。3層廳堂可接受時長從整個夏季的24%上升到51%，即頂層廳堂夏季可接受時長增加了790 h，約合33 d，即屋頂遮陽可以使得頂層廳堂夏季可接受時長大大增加，約為整個夏季的1/4，此外，屋頂遮陽使得主要使用空間平均可接受時長增加10%，亦即整個夏季自然室溫可接受時長增加了293 h，約合12 d；其次，是4個立面均設遮陽的情況，夏季各空間平均可接受時長增加4.7%，亦即整個夏季自然室溫可接受時長增加了138 h，約合6 d，但立面遮陽對解決頂層熱環境差的問題幫助不大。

由圖16可知，對于改善無天井現代農宅夏季整體室內熱環境而言，4個立面的遮陽效果比屋面遮陽效果顯著。4個立面遮陽使得整個夏季室內自然室溫可接受時長增加5.7%，即167 h；屋面百葉遮陽使得可接受的時長增加了4.9%，即143 h。立面遮陽對室內熱環境的優化效果優于屋面百葉遮陽。4結論

通過對廣東地區現代農宅和傳統農宅室內熱環境現場實測及計算機模擬分析，得到以下結論：

1）屋頂遮陽是改善“有天井現代農宅”夏季室內熱環境的有效方式，整體的屋頂遮陽（包括天井頂部遮陽）可以使頂層房間夏季可接受時長增加790 h，是優化前可接受時長的一倍，各層主要使用空間平均可接受時長增加293 h；而對“無天井現代農宅”而言，立面遮陽對室內熱環境的改善效果優于屋面百葉遮陽。

2）有天井現代農宅室內風環境有效的優化方式是：矩形天窗開口置于夏季主導風向的下風向；增大矩形天窗的高度以加強天井拔風效果；首層廳堂開啟外窗，形成良好的風壓通風。

3）無天井現代農宅可用局部架空的方式改善室內外熱環境，隨著底層架空率的增加，1.5 m高度處的室外平均溫度降低，平均風速增大。架空部位對優化效果也有一定的影響，南向架空最佳，依次是西向、東西和北向。

4）現代農宅屋頂構造加設30 mmXPS隔熱層后，有天井多層住宅節能率為26.6%，無天井多層住宅全年的節能率可達34.1%。

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（編輯胡英奎）