夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能設(shè)計(jì)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(duì)農(nóng)宅進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(duì)象，利用Dest-h軟件建立模型并進(jìn)行模擬計(jì)算，通過控制變量法分別研究建筑朝向、南向窗墻比、層高對(duì)全年累計(jì)冷負(fù)荷、全年累計(jì)熱負(fù)荷以及全年累計(jì)總負(fù)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(duì)建筑能耗的影響規(guī)律。再通過正交試驗(yàn)，對(duì)外墻材料、外窗材料、南向窗墻比以及層高四個(gè)因素分別選取三個(gè)水平進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了各因素對(duì)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(jì)的組合方案，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(jì);Dest-h;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU241.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2021）02-0045-05

0 引言

隨著近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shí)代的變遷。據(jù)資料顯示，截止2017年，在我國(guó)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(dá)到了218.37億平方米[1]。伴隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一比例還有上升的趨勢(shì)。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(xì)的規(guī)章制度以及在農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能意識(shí)相對(duì)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(dòng)建筑節(jié)能從城鎮(zhèn)擴(kuò)展到農(nóng)村，使得農(nóng)村建筑節(jié)能實(shí)現(xiàn)新突破。因此，對(duì)農(nóng)村住宅進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是實(shí)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(dāng)?shù)刈越ㄞr(nóng)宅為研究對(duì)象，通過前期實(shí)地考察了解到當(dāng)?shù)刈越ㄞr(nóng)宅的建筑特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況利用清華大學(xué)自主研發(fā)的能耗模擬軟件Dest—h[2]對(duì)選取的農(nóng)宅進(jìn)行建模并模擬計(jì)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(duì)建筑能耗的影響，并給出適合該地區(qū)的最佳設(shè)計(jì)方案，從而給該地區(qū)農(nóng)宅的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)單，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，這是因?yàn)樵诮ㄔ鞎r(shí)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(dāng)?shù)啬橙龑幼越ㄞr(nóng)宅進(jìn)行建模，該農(nóng)宅整體布局呈矩形，每層層高均為3.2m，長(zhǎng)12m，寬9m，坐北朝南，南向窗墻比為0.3。房間的類型根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。利用Dest-h軟件對(duì)該住宅進(jìn)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(duì)建筑朝向、南向窗墻比、層高的變化進(jìn)行模擬計(jì)算得出各因素變化對(duì)該農(nóng)宅的能耗影響。

2 模擬分析

2.1 朝向分析

在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，岳西當(dāng)?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(dāng)?shù)匕傩赵诮ㄖ≌瑫r(shí)，幾乎不會(huì)考慮建筑朝向?qū)δ芎牡挠绊?，更多地考慮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(jì)技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定可知該地區(qū)農(nóng)宅的適宜朝向?yàn)榻咏戏较颉Ｒ虼?，在進(jìn)行農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，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?，通過控制變量法，利用Dest-h軟件模擬計(jì)算在不同朝向下該農(nóng)宅模型的建筑負(fù)荷。以正西順時(shí)針轉(zhuǎn)至正東為計(jì)算范圍，以10°為計(jì)算步長(zhǎng)，即每轉(zhuǎn)動(dòng)10°進(jìn)行一次能耗模擬計(jì)算，得出在不同朝向下對(duì)應(yīng)的全年累計(jì)熱負(fù)荷、全年累計(jì)冷負(fù)荷以及總負(fù)荷，從而得出初步粗略的最佳朝向范圍和相應(yīng)的負(fù)荷變化曲線。再根據(jù)得出的最佳朝向范圍，每轉(zhuǎn)動(dòng)1°進(jìn)行一次負(fù)荷模擬計(jì)算，得出適合該地區(qū)的最佳朝向和適宜朝向范圍以及對(duì)應(yīng)的負(fù)荷變化曲線[3]。

2.1.2 朝向?qū)θ昀塾?jì)冷負(fù)荷影響分析

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(shí)針變化時(shí)，全年累計(jì)冷負(fù)荷大致呈余弦曲線變化。在朝向由正西向正南變化時(shí)，全年累計(jì)冷負(fù)荷逐漸降低并在正南時(shí)達(dá)到最低8213.53kw·h。當(dāng)建筑朝向?yàn)檎龞|時(shí)，全年累計(jì)冷負(fù)荷達(dá)到最大值10349.63kw·h。從圖中變化趨勢(shì)圖還可以看出，在朝向由正南向正東或正西變化時(shí)，全年累計(jì)冷負(fù)荷均逐漸增大，這是因?yàn)樵诔蜃兓瘯r(shí)太陽相對(duì)建筑的位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致進(jìn)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(fù)荷。

全年累計(jì)冷負(fù)荷占全年累計(jì)總負(fù)荷百分比簡(jiǎn)稱全年累計(jì)冷負(fù)荷百分比[4]，其變化趨勢(shì)也呈近似余弦函數(shù)。由圖可知，在朝向?yàn)槟掀?0°時(shí)，百分比最低為55.72%，在東偏南20°達(dá)到最大值60.23%。從曲線圖可以看出，朝向的改變對(duì)全年累計(jì)冷負(fù)荷百分比的影響比較大。

2.1.3 朝向?qū)θ昀塾?jì)熱負(fù)荷影響分析

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(shí)針變化時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷大致呈余弦曲線變化。與全年累計(jì)冷負(fù)荷變化趨勢(shì)類似，也經(jīng)歷了先減小后增大的過程。當(dāng)朝向選取為正西時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷最大，為7239.85kw·h。當(dāng)朝向由正西向南偏東20°變化時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷逐漸減小，在南偏東20°時(shí)達(dá)到最小值6355.37kw·h。當(dāng)農(nóng)宅朝向從南偏東20°向正東變化時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷又逐漸增大，在正東時(shí)達(dá)到最大。

由圖中還可以看出，全年累計(jì)熱負(fù)荷所占全年累計(jì)負(fù)荷的百分比呈正弦函數(shù)變化。在朝向?yàn)槟掀?0°時(shí)達(dá)到最大值44.28%，在東偏南20°時(shí)達(dá)到最小值39.77%。從圖中曲線變化趨勢(shì)可以看出，隨著朝向的改變，全年累計(jì)熱負(fù)荷百分比也發(fā)生了明顯的變化。

2.1.4 朝向?qū)θ昀塾?jì)總負(fù)荷影響分析

全年累計(jì)總負(fù)荷是指全年累計(jì)熱負(fù)荷與全年累計(jì)冷負(fù)荷之和。從圖4中可以看出，隨著建筑朝向的改變，全年累計(jì)總負(fù)荷的變化趨勢(shì)大致呈余弦函數(shù)。當(dāng)朝向由正西向南偏東10°變化時(shí)，全年累計(jì)總負(fù)荷逐漸降低，在南偏東10°時(shí)達(dá)到最小值14638.66kw·h。當(dāng)朝向再由此向正東變化時(shí)，全年累計(jì)總負(fù)荷開始逐漸增大，直到正東時(shí)達(dá)到最大值17304.58kw·h。因此，在該地區(qū)對(duì)新建農(nóng)宅進(jìn)行朝向選取時(shí)，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(shí)的全年累計(jì)總負(fù)荷最低。為了更加準(zhǔn)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(zhǎng)進(jìn)行能耗模擬。模擬得出的全年累計(jì)總負(fù)荷與朝向變化趨勢(shì)如圖5：

從圖中可以看出，在朝向由正南向南偏東15°變化時(shí)，全年累計(jì)總負(fù)荷先減小后增大，在南偏東6°時(shí)達(dá)到最小，為14615.47kw·h。由此可以得出，適合該地區(qū)的最佳朝向?yàn)槟掀珫|6°。再根據(jù)最佳適宜朝向選取的是與最佳朝向負(fù)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(duì)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(duì)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(gè)方向窗墻比不變的前提下，研究南向窗墻比的變化對(duì)建筑能耗的影響。

查閱《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知該地區(qū)南向外窗的窗墻面積比限值為0.45?？紤]到農(nóng)村住宅的實(shí)際情況，本文選取南向窗墻比從0.1以0.05為變化步長(zhǎng)，研究南向窗墻比從0.1到0.35變化時(shí)對(duì)建筑負(fù)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(jìn)行模擬計(jì)算得出不同南向窗墻比對(duì)應(yīng)下的全年累計(jì)冷負(fù)荷、全年累計(jì)熱負(fù)荷以及全年累計(jì)總負(fù)荷的值，并繪制變化趨勢(shì)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(jì)熱負(fù)荷逐漸減小，而且近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)殡S著窗墻比的增大，陽光透過窗戶進(jìn)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(fù)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(fù)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(jì)冷負(fù)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(fù)荷和冷負(fù)荷來考慮，由于冷負(fù)荷隨著窗墻比增大變化幅度大于熱負(fù)荷隨窗墻比增大的變化幅度，因此全年累計(jì)總負(fù)荷呈上升趨勢(shì)，而且與窗墻比近似呈正相關(guān)關(guān)系。故在該地區(qū)對(duì)農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)能耗影響

在實(shí)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?yàn)檗r(nóng)村自建房大都追求空間大而幾乎不考慮層高的增大對(duì)建筑能耗帶來的影響。因此，本文以0.1m為變化步長(zhǎng)，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(shí)對(duì)建筑負(fù)荷的影響，并繪制全年累計(jì)冷負(fù)荷、全年累計(jì)熱負(fù)荷以及全年累計(jì)總負(fù)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(jì)冷負(fù)荷、全年累計(jì)熱負(fù)荷還是全年累計(jì)總負(fù)荷都呈增大趨勢(shì)，而且都近似呈正相關(guān)關(guān)系。其中，全年累計(jì)冷負(fù)荷隨層高變化幅度小，變化率為4.9%;全年累計(jì)熱負(fù)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(duì)于全年累計(jì)總負(fù)荷，當(dāng)層高由3.0m增加到3.6m時(shí)，近似呈線性增長(zhǎng)，變化率為11.2%。這是因?yàn)殡S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(shí)際需求的前提下也能達(dá)到節(jié)能的效果。

3 正交試驗(yàn)

在前文中分析了建筑朝向，南向窗墻比以及層高對(duì)建筑負(fù)荷的影響，但影響建筑能耗的因素還有圍護(hù)機(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑能耗的影響。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素水平一種設(shè)計(jì)方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[6]。在朝向分析時(shí)得出了最佳朝向?yàn)槟掀珫|6°，故在進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)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(gè)因素對(duì)建筑能耗的影響。每個(gè)因素選取三個(gè)水平，選擇L9（34）型正交試驗(yàn)表，這樣就能用9組實(shí)驗(yàn)代替27組全部試驗(yàn)，避免了全部試驗(yàn)所帶來的繁瑣，同時(shí)也能得到準(zhǔn)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(gè)因素，A1、A2、A3分別表示因素A的三個(gè)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(duì)建筑全年累計(jì)總負(fù)荷的影響最大，在該試驗(yàn)條件下，選取外窗材料為標(biāo)準(zhǔn)外窗2.7～0.7節(jié)能效果最好，節(jié)能率達(dá)到14.8%;

由極差分析可知各影響因素對(duì)建筑全年累計(jì)總負(fù)荷的影響大小順序?yàn)橥獯安牧稀⑼鈮Σ牧?、層高、南向窗墻?因此在建筑初期節(jié)能規(guī)劃或?qū)扔薪ㄖM(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)首先考慮對(duì)外窗和材料進(jìn)行選取，通過選取合適的材料，能達(dá)到很好的節(jié)能效果;

同時(shí)通過對(duì)最優(yōu)水平分析可知，在該試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)總負(fù)荷為10382.9kw·h，對(duì)比參照建筑全年累計(jì)總負(fù)荷14682.13kw·h，節(jié)能率達(dá)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?yàn)槟掀珫|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(shí)際需要的前提下，應(yīng)選取相對(duì)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(duì)建筑能耗的影響大小順序?yàn)椋和獯安牧?外墻材料>層高>南向窗墻比;因此在該地區(qū)對(duì)農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮外窗材料的選取;

（5）在試驗(yàn)設(shè)置條件下，適合該地區(qū)農(nóng)宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)：

〔1〕2019中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告[J].建筑，2020（07）：30-39.

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

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

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

〔5〕趙亞楠.窗墻比和體形系數(shù)對(duì)建筑全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（12）：5-8.

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