夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能設(shè)計分析

汪令鑫 杜傳梅 張露露

摘 要：隨著農(nóng)村居住建筑面積的不斷增大，對農(nóng)宅進行建筑節(jié)能設(shè)計變得尤為重要。本文以位于夏熱冬冷地區(qū)的岳西縣某農(nóng)宅為研究對象，利用Dest-h軟件建立模型并進行模擬計算，通過控制變量法分別研究建筑朝向、南向窗墻比、層高對全年累計冷負荷、全年累計熱負荷以及全年累計總負荷的影響，得出了適合該地區(qū)農(nóng)宅的最佳朝向和南向窗墻比、層高對建筑能耗的影響規(guī)律。再通過正交試驗，對外墻材料、外窗材料、南向窗墻比以及層高四個因素分別選取三個水平進行模擬計算，得到了各因素對能耗影響的大小順序，并給出了適宜該地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能設(shè)計的組合方案，給當?shù)剞r(nóng)宅建筑節(jié)能設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：夏熱冬冷地區(qū);農(nóng)宅;建筑節(jié)能設(shè)計;Dest-h;正交試驗

中圖分類號：TU241.4? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）02-0045-05

0 引言

隨著近幾年我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，在“鄉(xiāng)村振興”“全面脫貧”等政策的扶持下，農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟和生活水平較過去有了顯著提高，一座座新建的小樓房記錄著時代的變遷。據(jù)資料顯示，截止2017年，在我國已經(jīng)建成的建筑面積中，農(nóng)村的居住建筑占比33.99%，面積達到了218.37億平方米[1]。伴隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，這一比例還有上升的趨勢。但另一方面，隨著農(nóng)村建筑面積的逐漸增大，農(nóng)村住宅的能耗問題也變得日益突出，由于沒有詳細的規(guī)章制度以及在農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能意識相對淡薄，農(nóng)村自建樓房節(jié)能效果差，造成了不必要的能耗。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在“十三五”期間，要推動建筑節(jié)能從城鎮(zhèn)擴展到農(nóng)村，使得農(nóng)村建筑節(jié)能實現(xiàn)新突破。因此，對農(nóng)村住宅進行建筑節(jié)能設(shè)計是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，也是本文研究的目的所在。

1 模擬條件

本文以位于大別山腹地的岳西縣當?shù)刈越ㄞr(nóng)宅為研究對象，通過前期實地考察了解到當?shù)刈越ㄞr(nóng)宅的建筑特點，根據(jù)實際情況利用清華大學自主研發(fā)的能耗模擬軟件Dest—h[2]對選取的農(nóng)宅進行建模并模擬計算，探究在不同建筑朝向、南向窗前比、層高、外墻材料、外窗材料等因素對建筑能耗的影響，并給出適合該地區(qū)的最佳設(shè)計方案，從而給該地區(qū)農(nóng)宅的建筑節(jié)能設(shè)計提供參考。

岳西縣位于安徽省安慶市，是典型的夏熱冬冷地區(qū)氣候。在實地考察中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)農(nóng)宅都是自建建筑，層高大，布局簡單，圍護結(jié)構(gòu)熱工性能差，這是因為在建造時很少按照該地區(qū)的相關(guān)規(guī)范，從而節(jié)能效果不理想。本文選取當?shù)啬橙龑幼越ㄞr(nóng)宅進行建模，該農(nóng)宅整體布局呈矩形，每層層高均為3.2m，長12m，寬9m，坐北朝南，南向窗墻比為0.3。房間的類型根據(jù)實際情況設(shè)置。利用Dest-h軟件對該住宅進行建模如圖1所示：

建立模型后，采用控制變量法利用軟件對建筑朝向、南向窗墻比、層高的變化進行模擬計算得出各因素變化對該農(nóng)宅的能耗影響。

2 模擬分析

2.1 朝向分析

在實地考察中發(fā)現(xiàn)，岳西當?shù)剞r(nóng)宅的朝向以坐北朝南居多，但也存在部分坐東朝西或者坐西朝東的農(nóng)宅。通過走訪了解，當?shù)匕傩赵诮ㄖ≌瑫r，幾乎不會考慮建筑朝向?qū)δ芎牡挠绊懀嗟乜紤]的是建筑的采光以及因地制宜的條件。由《安徽省農(nóng)房設(shè)計技術(shù)導則》中規(guī)定可知該地區(qū)農(nóng)宅的適宜朝向為接近朝南方向。因此，在進行農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計時，應(yīng)考慮到建筑朝向?qū)ㄖ芎牡挠绊懖⑦x擇最佳的朝向。

2.1.1 研究方法

為了研究該地區(qū)不同建筑朝向?qū)ㄖ芎牡挠绊懀ㄟ^控制變量法，利用Dest-h軟件模擬計算在不同朝向下該農(nóng)宅模型的建筑負荷。以正西順時針轉(zhuǎn)至正東為計算范圍，以10°為計算步長，即每轉(zhuǎn)動10°進行一次能耗模擬計算，得出在不同朝向下對應(yīng)的全年累計熱負荷、全年累計冷負荷以及總負荷，從而得出初步粗略的最佳朝向范圍和相應(yīng)的負荷變化曲線。再根據(jù)得出的最佳朝向范圍，每轉(zhuǎn)動1°進行一次負荷模擬計算，得出適合該地區(qū)的最佳朝向和適宜朝向范圍以及對應(yīng)的負荷變化曲線[3]。

2.1.2 朝向?qū)θ昀塾嬂湄摵捎绊懛治?/p>

由圖2可以看出，岳西地區(qū)農(nóng)宅在建筑朝向由正西向正東順時針變化時，全年累計冷負荷大致呈余弦曲線變化。在朝向由正西向正南變化時，全年累計冷負荷逐漸降低并在正南時達到最低8213.53kw·h。當建筑朝向為正東時，全年累計冷負荷達到最大值10349.63kw·h。從圖中變化趨勢圖還可以看出，在朝向由正南向正東或正西變化時，全年累計冷負荷均逐漸增大，這是因為在朝向變化時太陽相對建筑的位置發(fā)生了變化，導致進入室內(nèi)的陽光增多提高了室內(nèi)溫度，從而增加了夏季冷負荷。

全年累計冷負荷占全年累計總負荷百分比簡稱全年累計冷負荷百分比[4]，其變化趨勢也呈近似余弦函數(shù)。由圖可知，在朝向為南偏西20°時，百分比最低為55.72%，在東偏南20°達到最大值60.23%。從曲線圖可以看出，朝向的改變對全年累計冷負荷百分比的影響比較大。

2.1.3 朝向?qū)θ昀塾嫙嶝摵捎绊懛治?/p>

由圖3可以看出，岳西地區(qū)農(nóng)宅在建筑朝向由正西向正東順時針變化時，全年累計熱負荷大致呈余弦曲線變化。與全年累計冷負荷變化趨勢類似，也經(jīng)歷了先減小后增大的過程。當朝向選取為正西時，全年累計熱負荷最大，為7239.85kw·h。當朝向由正西向南偏東20°變化時，全年累計熱負荷逐漸減小，在南偏東20°時達到最小值6355.37kw·h。當農(nóng)宅朝向從南偏東20°向正東變化時，全年累計熱負荷又逐漸增大，在正東時達到最大。

由圖中還可以看出，全年累計熱負荷所占全年累計負荷的百分比呈正弦函數(shù)變化。在朝向為南偏西30°時達到最大值44.28%，在東偏南20°時達到最小值39.77%。從圖中曲線變化趨勢可以看出，隨著朝向的改變，全年累計熱負荷百分比也發(fā)生了明顯的變化。

2.1.4 朝向?qū)θ昀塾嬁傌摵捎绊懛治?/p>

全年累計總負荷是指全年累計熱負荷與全年累計冷負荷之和。從圖4中可以看出，隨著建筑朝向的改變，全年累計總負荷的變化趨勢大致呈余弦函數(shù)。當朝向由正西向南偏東10°變化時，全年累計總負荷逐漸降低，在南偏東10°時達到最小值14638.66kw·h。當朝向再由此向正東變化時，全年累計總負荷開始逐漸增大，直到正東時達到最大值17304.58kw·h。因此，在該地區(qū)對新建農(nóng)宅進行朝向選取時，應(yīng)避免正東正西朝向，尤其是正東朝向。從圖中可以看出，適合該地區(qū)的最佳朝向應(yīng)該是在南偏東10°左右，此時的全年累計總負荷最低。為了更加準確地找到最佳朝向，將朝向由正南向南偏東15°以1°為變化步長進行能耗模擬。模擬得出的全年累計總負荷與朝向變化趨勢如圖5：

從圖中可以看出，在朝向由正南向南偏東15°變化時，全年累計總負荷先減小后增大，在南偏東6°時達到最小，為14615.47kw·h。由此可以得出，適合該地區(qū)的最佳朝向為南偏東6°。再根據(jù)最佳適宜朝向選取的是與最佳朝向負荷差在0.2%以內(nèi)的角度，得出最佳適宜朝向范圍是南偏東3°-南偏東10°。

2.2 南向窗墻比對能耗影響

通過閱讀已發(fā)表的論文可以得知，改變南向窗墻比對建筑能耗的影響最為顯著[5]。因此本文采用控制變量法在保證其他三個方向窗墻比不變的前提下，研究南向窗墻比的變化對建筑能耗的影響。

查閱《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》可知該地區(qū)南向外窗的窗墻面積比限值為0.45。考慮到農(nóng)村住宅的實際情況，本文選取南向窗墻比從0.1以0.05為變化步長，研究南向窗墻比從0.1到0.35變化時對建筑負荷的影響。通過控制變量法，只改變南向窗墻比，利用Dest-h軟件進行模擬計算得出不同南向窗墻比對應(yīng)下的全年累計冷負荷、全年累計熱負荷以及全年累計總負荷的值，并繪制變化趨勢圖如圖6所示：

從圖中可以看出，隨著南向窗墻比的增大，全年累計熱負荷逐漸減小，而且近似呈線性關(guān)系。這是因為隨著窗墻比的增大，陽光透過窗戶進入室內(nèi)的輻射量增多，即室內(nèi)的輻射得熱增多從而減少了冬季供暖所需要的熱負荷。同理，在夏季，隨著陽光輻射的增大，夏季制冷所需提供的冷負荷增大，因而如圖中所示，隨著南向窗墻比的逐漸增大，全年累計冷負荷也隨之增大，且與窗墻比近似呈正相關(guān)關(guān)系。

綜合熱負荷和冷負荷來考慮，由于冷負荷隨著窗墻比增大變化幅度大于熱負荷隨窗墻比增大的變化幅度，因此全年累計總負荷呈上升趨勢，而且與窗墻比近似呈正相關(guān)關(guān)系。故在該地區(qū)對農(nóng)宅進行節(jié)能設(shè)計時，在滿足需要的前提下，應(yīng)盡量避免選取過大的南向穿墻比。南向窗墻比越小，建筑能耗越低。

2.3 層高對能耗影響

在實地考察中發(fā)現(xiàn)，岳西地區(qū)農(nóng)宅的層高大都不滿足規(guī)范要求，層高較高，大約在3.6m左右，少部分的層高還大于3.6m。這是因為農(nóng)村自建房大都追求空間大而幾乎不考慮層高的增大對建筑能耗帶來的影響。因此，本文以0.1m為變化步長，通過控制變量法，利用軟件研究層高從3.0m到3.6m逐漸變化時對建筑負荷的影響，并繪制全年累計冷負荷、全年累計熱負荷以及全年累計總負荷的變化曲線如圖7所示：

由圖中可以看出，隨著層高的逐漸增大，無論是全年累計冷負荷、全年累計熱負荷還是全年累計總負荷都呈增大趨勢，而且都近似呈正相關(guān)關(guān)系。其中，全年累計冷負荷隨層高變化幅度小，變化率為4.9%;全年累計熱負荷隨層高變化幅度大，變化率為18.5%。這說明冬季供暖能耗受層高的影響更大。對于全年累計總負荷，當層高由3.0m增加到3.6m時，近似呈線性增長，變化率為11.2%。這是因為隨著建筑層高的增加，無論是夏季制冷還是冬季供暖所需的能耗都在增加，因此，結(jié)合規(guī)范和模擬結(jié)果，該地區(qū)農(nóng)宅的適宜層高為3.0m-3.4m，這樣在滿足實際需求的前提下也能達到節(jié)能的效果。

3 正交試驗

在前文中分析了建筑朝向，南向窗墻比以及層高對建筑負荷的影響，但影響建筑能耗的因素還有圍護機構(gòu)的熱工性能。因此為了更好地探索適合該地區(qū)農(nóng)宅的節(jié)能方案，還應(yīng)該考慮圍護結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響。

正交試驗設(shè)計是研究多因素水平一種設(shè)計方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法[6]。在朝向分析時得出了最佳朝向為南偏東6°，故在進行正交試驗時將模型的朝向設(shè)置為最佳朝向，研究外墻材料、外窗材料、層高、南向窗墻比等四個因素對建筑能耗的影響。每個因素選取三個水平，選擇L9（34）型正交試驗表，這樣就能用9組實驗代替27組全部試驗，避免了全部試驗所帶來的繁瑣，同時也能得到準確的分析結(jié)果。各因素水平選取如表1。

用A、B、C、D分別表示外墻材料、外窗材料、層高、窗墻比四個因素，A1、A2、A3分別表示因素A的三個水平，因素B、C、D的水平也用此方法表示。則有：

由表2可知，在該設(shè)置條件下，外窗材料的選取對建筑全年累計總負荷的影響最大，在該試驗條件下，選取外窗材料為標準外窗2.7～0.7節(jié)能效果最好，節(jié)能率達到14.8%;

由極差分析可知各影響因素對建筑全年累計總負荷的影響大小順序為外窗材料、外墻材料、層高、南向窗墻比;因此在建筑初期節(jié)能規(guī)劃或?qū)扔薪ㄖM行節(jié)能改造時，應(yīng)首先考慮對外窗和材料進行選取，通過選取合適的材料，能達到很好的節(jié)能效果;

同時通過對最優(yōu)水平分析可知，在該試驗條件下，最節(jié)能的方案是A1-B2-C1-D1，既外墻材料選取200混凝土+聚苯板內(nèi)保溫，外窗材料選取標準外窗2.7～0.7，層高選取3.0m，南向窗墻比選取0.1。在此方案下，建筑全年累計總負荷為10382.9kw·h，對比參照建筑全年累計總負荷14682.13kw·h，節(jié)能率達到了29.3%，可見節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

（1）岳西地區(qū)農(nóng)宅的最佳建筑朝向為南偏東6°，最佳適宜朝向范圍是南偏東3°-南偏東10°;

（2）南向窗墻比越大，建筑能耗越大，而且建筑能耗與南向窗墻比呈正相關(guān)關(guān)系。因此在滿足采光性的前提下盡量不要選取過大的南向窗墻比;

（3）層高越大，建筑能耗越大，在滿足實際需要的前提下，應(yīng)選取相對較低的層高，建議該地區(qū)農(nóng)宅的層高選取范圍為3.0m-3.4m;

（4）外墻材料、外窗材料、南向窗墻比，層高對建筑能耗的影響大小順序為：外窗材料>外墻材料>層高>南向窗墻比;因此在該地區(qū)對農(nóng)宅進行節(jié)能設(shè)計時應(yīng)首先考慮外窗材料的選取;

（5）在試驗設(shè)置條件下，適合該地區(qū)農(nóng)宅建筑節(jié)能設(shè)計的組合方案是：外墻材料選取200混凝土+聚苯板內(nèi)保溫，外窗材料選取標準外窗2.7～0.7，層高選取3.0m，南向窗墻比選取0.1。

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參考文獻：

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〔2〕燕達，謝曉娜，宋芳婷，等.建筑環(huán)境設(shè)計模擬分析軟件DeST 第一講 建筑模擬技術(shù)與DeST發(fā)展簡介[J].暖通空調(diào)，2004（07）：48-56.

〔3〕孫健.五星級商務(wù)酒店客房層外窗朝向及窗墻比節(jié)能設(shè)計研究[D].河北建筑工程院，2018.39-42.

〔4〕孫健.五星級商務(wù)酒店客房層外窗朝向及窗墻比節(jié)能設(shè)計研究[D].河北建筑工程學院，2018. 44.

〔5〕趙亞楠.窗墻比和體形系數(shù)對建筑全年動態(tài)負荷的影響[J].山東建筑大學學報，2012，34（12）：5-8.

〔6〕宗序平.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.