豫西南農(nóng)村住宅的舒適性模擬分析

郭陽

（鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南鄭州450064）

豫西南農(nóng)村住宅的舒適性模擬分析

郭陽

（鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南鄭州450064）

為了分析豫西南農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)室內(nèi)舒適性的影響，以河南省南陽市農(nóng)村住宅為例，建立了南陽地區(qū)農(nóng)村住宅的基本模型，以臥室為模擬對(duì)象，運(yùn)用Autodesk Ecotect Analysis軟件分析不同外圍結(jié)構(gòu)在自然通風(fēng)狀態(tài)下西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度、逐時(shí)得失熱、逐月不舒適度，提出了提高該區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)舒適性的對(duì)策。

河南省南陽市；農(nóng)村住宅；舒適性；Autodesk Ecotect Analysis軟件；基本模型；模擬計(jì)算

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，農(nóng)民逐漸富裕起來，農(nóng)村住宅更新?lián)Q代的速度也不斷加快［1］。但是，在農(nóng)村住宅的建造過程中，由于缺少合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案，存在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大等諸多問題，致使住宅室內(nèi)冬冷夏熱，舒適性較差［2］。

Autodesk Ecotect Analysis軟件是一款功能全面的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和新建筑設(shè)計(jì)的性能。軟件中的熱環(huán)境分析是一種動(dòng)態(tài)的負(fù)荷計(jì)算方法，具有計(jì)算速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該款軟件提供了一系列的建筑環(huán)境分析功能，涵蓋了室內(nèi)溫度、舒適度、得熱、失熱等諸多方面，通過對(duì)定量數(shù)據(jù)的分析，可以使設(shè)計(jì)人員對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和優(yōu)化，為農(nóng)村住宅的舒適性設(shè)計(jì)提供一些參考和建議［3］。筆者運(yùn)用Autodesk Ecotect Analysis軟件，對(duì)河南省南陽地區(qū)的農(nóng)村住宅進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

1　基本模型的建立

南陽地區(qū)的農(nóng)村住宅基本建造方式如圖1所示［4］。

大量研究表明，若外圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的保溫和隔熱性能，不僅能夠減少冬季室內(nèi)熱量散失，也可阻止夏季室外熱量過多進(jìn)入室內(nèi)［5］。因此，改善外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，對(duì)提高室內(nèi)舒適性具有重要的意義［6］。

目前，南陽地區(qū)農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的常用構(gòu)造形式如表1所示［7］，這些建筑材料的傳熱系數(shù)較大，已不滿足農(nóng)村居民對(duì)室內(nèi)舒適性的要求，必須采取符合農(nóng)村實(shí)際情況的有效措施來改善室內(nèi)舒適性。表2是具有代表性的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一些新構(gòu)造形式和建筑材料［8］。

通過對(duì)南陽地區(qū)農(nóng)村住宅的調(diào)查研究，本文擬選取4個(gè)相關(guān)的模型來分析外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)室內(nèi)舒適性的影響，具體構(gòu)造形式如表3所示。

表1　原有住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)參數(shù)T ab.1 Relative parameters of original residence external envelope structure system

表2　新農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)參數(shù)T ab.2 Relative parameters of new rural residence external envelope structure system

表3　不同模型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式T ab.3 Different model external envelope structure form s

南陽屬于夏熱冬冷地區(qū)，農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)要求兼顧夏季隔熱和冬季保溫兩方面的要求。臥室和客廳不僅是農(nóng)村居民活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的兩個(gè)區(qū)域，也是對(duì)室內(nèi)舒適度要求較高的主要功能房間。因此，本文主要設(shè)置房間內(nèi)的人員數(shù)量及其活動(dòng)狀況、室內(nèi)得熱、滲透率以及熱環(huán)境屬性等作為分析的內(nèi)擾動(dòng)因子。

2　模擬計(jì)算分析

本文擬選取臥室作為模擬分析對(duì)象，分析A、B、C、D 4種方案在自然通風(fēng)狀態(tài)下西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度、逐時(shí)得失熱分析、逐月不舒適度等的變化。

2.1大寒日西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度變化

圖2　大寒日4種方案西側(cè)臥室室內(nèi)逐時(shí)溫度對(duì)比分析Fig.2 Contrast analysis of the west bed room indoor hourly tem perature under four kinds of solutions in Great Cold day

在大寒日，4種方案下西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度變化如圖2所示。由圖2可知，在大寒日，方案A的最低溫度約為2℃；方案D的室內(nèi)逐時(shí)溫度是所有方案中最高的，最低溫度為5.3℃，最高溫度為7.3℃，且其室內(nèi)溫度波動(dòng)情況比較平緩。這說明，經(jīng)過綜合改造后的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能最為理想。方案C與方案A相比，室內(nèi)逐時(shí)溫度值均提升約0.3℃。這說明，只改變外窗還不能使室內(nèi)熱環(huán)境有較大的改善。因此，方案C還有較大的改善空間。方案B與方案A相比，其改善效果較為明顯，平均溫度均上升約2℃，且溫度波動(dòng)情況較方案A平穩(wěn)。這說明，加強(qiáng)外墻體的保溫對(duì)改善室內(nèi)熱環(huán)境比較有利。

2.2大寒日西側(cè)臥室的逐時(shí)得熱／失熱分析

圖3　4種方案下西側(cè)臥室逐時(shí)失熱分析Fig.3 Analysis of west bedroom hourly heat losing under four kinds of solutions

在大寒日，4種方案下西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)失熱情況如圖3所示。由圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱（FABRIC）對(duì)比分析可知，方案A通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所造成的熱量散失是方案B的2倍以上。這說明，改善外墻的保溫性可以有效減少室內(nèi)熱量的散失。通過對(duì)比方案C和方案A可知，改善外窗的熱工性能可以提高室內(nèi)熱舒適性，但效果欠佳。方案D的室內(nèi)保溫效果最為理想，其室內(nèi)熱量損失約為方案A的1/4。這說明，對(duì)住宅的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合改善后，室內(nèi)舒適性得到了較大的改善。從太陽輻射得熱（SOLAR）分析可知，改善外窗的熱工性能所產(chǎn)生的影響較小。區(qū)域間的熱傳遞（ZONAL）分析說明，屋頂和外墻的保溫效果優(yōu)于外窗。

2.3歷史最熱日西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度變化

圖4　4種方案下西側(cè)臥室最熱日室內(nèi)逐時(shí)溫度對(duì)比分析Fig.4 Contrast analysis of the west bedroom indoor hour ly temperature under four kinds of solutions in the hottest day

在自然通風(fēng)狀況下，4種方案歷史最熱日西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)溫度變化如圖4所示。由圖4可知，方案D在最熱日的室內(nèi)逐時(shí)溫度情況最差，高出方案A約1.5℃以上；其次是方案B，在06：00～13：00時(shí)間段內(nèi)，比方案A的室內(nèi)溫度值高出約1℃。方案C與方案A無較大差別。這主要原因是，改變外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能后，在炎熱夏季吸收較多的太陽輻射熱后，提高了室內(nèi)溫度。

2.4歷史最熱日西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)得熱／失熱分析

圖5　4種方案下西側(cè)臥室逐時(shí)失熱分析Fig.5 Analysis of west bedroom hour ly heat losing under four kinds of solu tions

在自然通風(fēng)狀況下，4種方案歷史最熱日西側(cè)臥室的室內(nèi)逐時(shí)失熱分析如圖5所示。通過FABRIC分析可知，方案A、方案B相比，方案A通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所獲取的能量是方案B的3倍以上。這說明，改變外墻的傳熱系數(shù)能夠顯著改變室內(nèi)得熱情況。與方案A相比較，方案C稍有改善。這說明，改善外窗的熱工性能可以提高室內(nèi)熱舒適性，但效果不是很明顯。方案A與方案D相比較，方案D的室內(nèi)得熱值約為方案A的1／6。這說明，對(duì)住宅的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合改善后，室內(nèi)得熱情況有較大的改變。ZONAL的比較分析說明了單改變其中一項(xiàng)，對(duì)室內(nèi)制冷量的散失無較大效益，綜合改變外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能能夠大幅度降低區(qū)域間的熱傳遞。

2.5西側(cè)臥室的逐月不舒適度分析

圖6　4種方案下西側(cè)臥室逐月不舒適度Fig.6 West bedroom monthly uncom fortable degree under four kinds of solutions

4種方案下西側(cè)臥室的逐月不舒適度分析如圖6所示。從圖6可以得出，綜合提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以有效改善室內(nèi)的不舒適度小時(shí)數(shù)，其中方案D的效果最為明顯，降低值約為方案A的一半。方案A與方案B的比較說明，提高外墻的保溫性能可有效改善室內(nèi)熱舒適性能。

3　結(jié)語

通過對(duì)4種不同方案的住宅進(jìn)行模擬分析得出，改善外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能可以有效地提高農(nóng)村住宅的舒適性，同時(shí)也能夠降低居民冬季取暖所帶來的室內(nèi)環(huán)境污染和夏季空調(diào)所造成的高品質(zhì)能源浪費(fèi)。

通過上文的分析，提出以下3點(diǎn)提高農(nóng)村住宅室內(nèi)舒適性的建議。

（1）依據(jù)汽車玻璃貼膜的原理，使用價(jià)格低廉的隔熱太陽膜粘貼在外窗玻璃上。該方法能夠降低夏季室內(nèi)太陽輻射得熱。新建住宅宜選取雙層玻璃或者中空玻璃等傳熱系數(shù)較小的外窗材料，能夠顯著減少冬季室內(nèi)熱量的散失。

（2）新式墻體是對(duì)原有外墻加厚12mm，并預(yù)留約20mm厚的空氣層。新式墻體的傳熱系數(shù)是原有外墻的1／8，降低了室內(nèi)熱量的散失速度，同時(shí)也降低了夏季室外熱量向室內(nèi)的傳導(dǎo)，使室內(nèi)溫度波動(dòng)維持在一個(gè)較低的水平。

（3）在原有屋頂上鋪設(shè)約40mm厚充分壓實(shí)的秸稈墊，并在上面澆筑50mm厚的細(xì)石混凝土保護(hù)層。該方法在造價(jià)增加不多的情況下，大大降低了頂層房間的室內(nèi)熱量傳導(dǎo)，明顯改善了頂層房間的室內(nèi)舒適性。

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：20－60.

［2］王晴晴.新農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)研究［D］.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2011.

［3］云朋.ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：40－70.

［4］《建筑設(shè)計(jì)資料集》編委會(huì).建筑設(shè)計(jì)資料集（6）［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991：197－206.

［5］JGJ134－2010，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］柳孝圖.建筑物理［M］.北京：中國建工出版社，2000：10－50.

［7］李必瑜，魏宏揚(yáng).建筑構(gòu)造：上冊(cè)［M］.3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：10－34.

［8］陳宇星.建筑節(jié)能設(shè)計(jì)探析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（4）：95－96.

[責(zé)任編輯楊明慶]

TU241.4

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1008-486X（2016）02-0035-04

2015-12-17

2014年河南省科技廳科技攻關(guān)課題：豫西地區(qū)新農(nóng)村規(guī)劃與住宅設(shè)計(jì)研究（14210231050）。

郭陽（1988-），男，河南鄭州人，碩士，房建、市政一級(jí)建造師，主要從事建筑工程技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。