不同房屋朝向的能耗影響研究

【摘要】本文研究了成都地區晴朗的夏至日日中至日落時間段內西向和南向房屋保持室內舒適溫度的能耗區別。室內溫度變化的因素主要包括空氣對流引起的熱交換、墻體等受熱區域溫度升高對室內造成的熱傳導和太陽光和其它熱源對室內造成的熱輻射，其中太陽光線直接造成的熱輻射影響較大。朝西的住宅在夏季下午陽光入社角度大，照射時間長，造成室內溫度快速上升，為了調節室內溫度而大量使用空調將大大提高建筑能耗。本文對特定時間西向和南向住宅所受的日照輻射量進行量化計算，從而進一步推算室內溫度變化和保持舒適溫度所產生的能耗差異讓人可以直觀和深刻的了解房屋朝向差異造成的能耗影響，并通過實驗進行驗證。針對房屋朝向對能耗的影響提出局部改進建議，促進成都市建筑能耗的降低，實現低碳發展。

【關鍵詞】能耗；熱輻射影響；建筑布局；建筑朝向；建筑節能；降低用電量；朝向與能耗差異

受極端高溫天氣影響，今年8月，成都電網負荷第十余次刷新歷史記錄、最大用電負荷超過1100萬千瓦，較去年增長大幅躍升約20%，成都地區3座500kV變電站重載運行、17座220千伏變電站、22座110千伏變電站滿載或重載運行。中心城區高新、南部、西南部片區，郊縣的雙流、大邑、邛崍、崇州、溫江片區供電形勢非常緊張，供電壓力巨大，電力部門采取了限制工業用電保障居民用電，局部地區實行輪流限電等措施，給工業生產和居民生活帶來了極大的不便。

電力負荷的上升最主要的原因在于居民空調用電的大幅增加，在氣溫一定的情況下，建筑本身是否節能則是空調用電變化的主要因素。影響建筑節能的因素很多，包括建筑材料是否使用了保溫節能的材料，建筑布局和設計是否充分考慮了通風散熱的因素，建筑朝向是否合理等。從筆者在各地游歷學習的觀察來看，我國的大部分城市對于建筑的朝向都十分重視，特別是北方城市，南向、男偏東的建筑最受歡迎，在北方城市基本沒有北向建筑，在南方城市基本沒有西向建筑，而成都市并未對建筑朝向方面進行嚴格要求，特別是較新的住宅小區出現了大量西向住宅，西曬現象嚴重，建筑能耗大幅增加。

在影響建筑能耗的幾個因素上，建筑材料的選取受到造價的限制可調節的范圍較小，改進建筑設計、優化建筑朝向則是相對經濟合理的方向。筆者查閱了相關的資料，雖然在很多國家、部門的規定中有很多關于建筑日照方面的要求，但少有人能夠從量化的角度論述不同朝向房屋在能耗方面的具體差異。本文的目的在于通過對能耗差異的量化測算讓更多的普通人能夠了解房屋朝向對建筑能耗的影響，從而影響購買者對房屋的選擇，進而引導市場推出更多更加節能的建筑，實現低碳生活。

1、理論計算

1.1基本概念

太陽輻射總量：地球表面某一觀測點水平面上接收太陽的直射輻射與太陽散射輻射的總和。

太陽高度角：是指某地的太陽光線與當地地平面的所交的最小線面角，這是以太陽視盤面的幾何中心和理想地平線所夾的角度。

太陽方位角：太陽在方位上的角度，它通常被定義為從北方延著地平線順時針量度的角。

空氣比熱：是熱力學中常用的一個物理量，表示物體吸熱或散熱能力。比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越強。它指單位質量的某種物質升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳每千克開爾文[J/（ kg · K ）]，即令1公斤的物質的溫度上升1開爾文所需的能量。

1.2計算原理

本次計算的前提條件為室外溫度恒定，且計算過程中只考慮因太陽輻射造成的室內溫度變化，計算也不考慮隨著室內溫度升高室內對外散熱速度可能加快等方面的影響。

在計算過程中，首先計算對象房屋在設定時間內從太陽接受的輻射熱總量，再根據室內空氣的質量和比熱容，從而計算出室內溫度的變化值。

本次計算對比了其它條件均相同的南向建筑和西向建筑在同一時間段內不同的溫度變化情況，最后根據確定的空調制冷效率計算出達到舒適的室內溫度所需要的能耗差異。

1.3計算過程

（1）房屋模型的選取

本次計算選擇室內面積90㎡、建筑平均層高為2.8米，開窗面積，房屋體積為252m3的理想建筑作為分析對象，除開窗方向不同以外，分析對象的其他要素均相同。

（2）太陽總輻射量

成都位于四川中部地區，太陽輻射的總量取上下限平均值4410Mj/m2，由于夏季太陽高度角較高，夏季的太陽輻射量取值比平均值高20%，則可以計算成都地區夏季單位小時每平方米地面輻射量為：

4410*1000/365*24*120%=604kJ/㎡*h

即夏季成都地區受到太陽直射的每平米地表每小時的太陽輻射總量為604kj。

（3）不同朝向窗戶在日中至日落期間接受的太陽輻射量

成都緯度為30。67′夏至日成都日中時間為13：05：36，日落時間為20：09：23，日中時太陽高度角為82°19′，即正午12點，太陽光與南向窗戶的夾角為7°41′，此時與西向窗戶的夾角為0°，日中至日落期間，南向窗戶與太陽光線之間的夾角保持在7°41′，而西向建筑與陽光的夾角則由0。逐漸增加值82°19′，為了簡化計算，在該時間段內，取太陽的平均入攝角度為41°9′。

南向窗戶的透過率取15%，吸收并到釋放到室內與透過的熱量合計取20%；西向窗戶的透過率取70%，吸收并到釋放到室內與透過的熱量合計取75%。

則南向窗戶在日中至日落期間吸收的總熱量為：604*9*7*sin7°41′*0.2=989Kj

西向窗戶在日中至日落期間吸收的總熱量為：604*9*7*sin41°9′*0.75=28539Kj

西向窗戶接收的熱量約等于南向窗戶接收熱量的18倍。

（4）室內溫度上升所需熱量的計算

25℃空氣的比熱容為1012（下轉220頁）（上接218頁）J/kg*k，標準大氣壓下的空氣密度為1.29kg/m3，室內空氣沒上升一度所需要的熱量為：

1.29*252*1012/1000=328Kj

即室內空氣溫度上升1℃，需要的熱量328Kj。

在不考慮散熱的情況下，理論上，9m2西向窗戶在日中至日落期間吸收的熱量可以使室內溫度上升28539/328=87℃

（5）能耗差異計算

按照1匹空調的制冷量2324W計算，1匹空調7小時的制冷量為2324*7/1000=16268w.h，合58564千焦，按照最大功率運行則約3.5小時可以抵消南向窗戶直接吸收的熱量，耗電0.735kw*3.5h=1.9kwh。即抵消9㎡西向窗戶日中至日落的吸熱需耗電2度，而同樣大小的南向窗戶則只需要約0.1度。

2、實驗驗證

2.1實驗條件

本次試驗選擇成都市某小區兩套戶型相同、朝向不同的住宅作為實驗對象，測定關閉門窗后同一時間段的室內溫度變化率及能耗情況，測試時間為下午2點，室外氣溫為35℃，陽光充足，無云層。

2.2實驗過程

實驗開始時，關閉房屋所有外部門窗，打開戶內房門，拉開窗簾，測量室內溫度，1小時后再次測量室內溫度，測得溫度后選擇面積相同、朝向分別為正西和正南的臥室，同時開啟空調制冷（空調品牌型號相同），設定相同溫度后調整空調制冷功率到最大，測定室內溫度降低到設定溫度的時間。

2.3實驗結果

根據測定結果，開始測試時室外溫度為35℃，關閉門窗后第一次測量，南向房間室內溫度為31.7℃，西向房屋室內溫度為33.5℃。1小時候第二次測量，南向房屋室內溫度為33.8℃，西向房屋室內溫度為37.3℃，西向房屋的室內溫度高于室外溫度。打開所選房間空調后，南向房屋室內溫度在13分鐘后達到設定的室內溫度26℃并穩定，西向房屋在一直保持制冷最大功率的一小時內，室內溫度無法降低至目標值，室內溫度最低達到27.5℃。西向房屋的能耗顯著高于南向房屋。

3、結論與建議

長期以來，成都地區雨霧天氣多、日照不足的認識已經深入人心，且由于成都人喜歡到郊外、戶外休閑在室內呆的時間較少，故而不太重視住宅朝向對居住舒適度、能耗方面的影響，這也是成都存在大量西向住宅的原因。但隨著全球氣溫的升高，惡劣高熱天氣頻發和成都環境改善以后日照時間的增加，大量存在的西向建筑將大大提高建筑的能耗，不得不成為我們關注的一個重點。

在未來的城市建設中，應當充分考慮西向建筑的能耗影響，盡量避免完全西向的建筑，增加南向和南偏東向的建筑，若必須選用西向建筑是則應當減少建筑玻璃面和窗戶的比例，或者選用特殊的隔熱玻璃材料。

參考文獻：

[1]常靜 ， 李永安.《住宅建筑屋面參數對采暖能耗的影響研究》

[2]唐易達 ， 黃濤 ， 張承旺. 《綿陽地區窗墻面積比對住宅建筑能耗的影響研究》

[3]鐘新.《不同朝向窗墻比對昆明地區住宅能耗的影響》

[4]楊金煥 ， 毛家俊 ， 陳中華.《不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算》