重慶新農(nóng)村典型民居的節(jié)能性能

劉 猛，張會福，粟 珩，詹 翔

（1.重慶大學a.城市建設與環(huán)境工程學院；b.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045；2.機械工業(yè)第三設計研究院，重慶400039）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村生產(chǎn)生活條件也在不斷改善。2012年底，全國農(nóng)村人均住房面37.1 m2，比2007年增加5.5 m2［1］。與此同時重慶新農(nóng)村建設也取得了豐碩的成果：新建巴渝新居19.8萬戶［2］。但不可忽視的是在經(jīng)濟發(fā)展的同時帶來的能源消耗的增加。調(diào)研［3］發(fā)現(xiàn)目前中國農(nóng)村住宅用商品能源（主要是燃煤、電力、燃氣）總量已達到城鎮(zhèn)建筑用商品能源的1／3，而且正在以每年10%以上的速度增長。重慶地區(qū)的統(tǒng)計［4］情況是：近20年來和農(nóng)村用電消耗以每年超過5%的速度增長。而農(nóng)村住宅建筑用能源消耗在農(nóng)村總能源消耗中又占有相當大的比重。因此，農(nóng)村建筑節(jié)能已經(jīng)成為提高農(nóng)村能源利用效率的關鍵所在。

從節(jié)能角度出發(fā)，新建建筑是建筑節(jié)能的重點。對于新建建筑，節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)在于建筑設計［5］。并且有研究［6］表明：建筑圍護結構的散熱是建筑耗能的主要部位，所以加強圍護結構的保溫隔熱性能，提高門窗的氣密性，減少門窗的空氣滲透量是建筑節(jié)能設計的重點。研究［7］表明：與現(xiàn)有標準中夏季空調(diào)設定溫度值取26℃相比，設定溫度提高2℃可使模型建筑的空調(diào)年能耗減少11.8%。類似研究［8］表明使用雙層玻璃至少可以減少能耗10%，并且窗子的位置和大小也對建筑能耗有著重要的影響。在全年的能源消耗情況來看，在相對干旱地區(qū)厚重的墻體建筑相對于輕薄的墻體的建筑能源節(jié)約接近25%［9］。建筑物的形狀對建筑的能耗也有明顯的影響，有研究表明，多棱柱形建筑相對于規(guī)則直角形建筑平均節(jié)能7.88%［10］。

已有研究成果都是針對城市建筑而言的，對于農(nóng)村建筑這一類特殊建筑，相同的結論是否適用，還有待研究。同時，農(nóng)村居民在考慮節(jié)能措施的同時，會更加關注經(jīng)濟成本。筆者針對農(nóng)村建筑，綜合考慮各項節(jié)能措施帶來的節(jié)能效果與節(jié)能措施的經(jīng)濟性，進行研究分析、探討、總結出適應于典型重慶新農(nóng)村民居建設的最佳設計參數(shù)，為通用圖集提供必要的補充，以期為農(nóng)村新建住宅建筑的設計提供更多的理論指導，使農(nóng)村新建住宅建筑既有當?shù)靥厣帜芨玫臐M足節(jié)能的目的。

1 研究方法

在《重慶市巴渝新農(nóng)村民居通用圖集》中選取3套典型設計方案，其中有1套經(jīng)濟型、1套適用型、1套小康型（建筑效果圖見圖1），用清華大學開發(fā)的全年動態(tài)能耗模擬軟件DeST－H（Designer's Si mulation Tool kit Ho me）進行供熱供冷能耗模擬分析。模擬方案為變參數(shù)法，即在選定參照模型基礎上，通過改變參數(shù)設置，如：圍護結構墻體參數(shù)、窗戶類型、通風次數(shù)、空調(diào)設置溫度以及建筑朝向，并保持其余參數(shù)不變的原則，模擬出采用此項節(jié)能措施后的全年建筑能耗，并且結合不同圍護結構方案可能造成的增量成本，分析技術經(jīng)濟性能。

圖1 建筑效果圖

由于各方案的模型建立及參數(shù)設置相似，僅介紹其中一套（適用型）的模型建立以及參數(shù)設置。

1.1 模型的建立

適用型的建筑平面圖如圖2所示。

在DeST中進行模擬需要一些簡化，根據(jù)項目實際情況在模型建立中作如下簡化：

1）陽臺的簡化：在建立模型時把陽臺作為室外處理，而把連接室內(nèi)和陽臺的門窗簡化成窗，同時減小這個窗戶的傳熱系數(shù)并采用水平外遮陽；

2）后庭院的簡化：由于后院是敞開的，所以可將后院直接簡化為室外處理；

3）樓梯間的簡化：由于樓梯間與起居室之間沒有隔斷，所以可將樓梯間作為起居室的一部分處理。

經(jīng)過以上簡化后，在DeST中建立圖3所示的模型。

1.2 模擬參數(shù)的設置

建立選取的每套典型設計方案的基準模型，此基準模型的相關設計參數(shù)符合規(guī)范［11－12］的規(guī)定，同時結合農(nóng)村建筑的實際情況進行設置。

1.2.1 圍護結構的參數(shù)設定

圍護結構的材料及熱工參數(shù)如表1所示。

圖2 建筑平面圖

圖3 建筑模型圖

表1 圍護結構材料及熱工參數(shù)

1.2.2 室內(nèi)熱擾的參數(shù)設定

燈光、設備和人員散熱量決定了建筑內(nèi)部負荷。并且文獻［13］有關研究表明：在DeST中進行居住建筑熱環(huán)境的動態(tài)模擬時，分別給出房間內(nèi)的人員、照明和設備的發(fā)熱量及其作息模式。該模擬的室內(nèi)熱擾的具體設置見表2。

表2 室內(nèi)熱擾情況

1.2.3 空調(diào)和通風參數(shù)設定

該模擬中只有起居室和臥室是空調(diào)房間，其余房間為非空調(diào)房間。依據(jù)規(guī)范［11］的相關規(guī)定，夏季空調(diào)室內(nèi)設計溫度為26℃，冬季采暖室內(nèi)設計溫度為18℃；空調(diào)啟動溫度上限為29℃，空調(diào)啟動溫度下限為16℃；濕度上限為65%，濕度下限為30%。空調(diào)運行時間見表3所示。

表3 燈光、設備、人員、空調(diào)作息時間

在DeST模擬房間負荷時的通風設定中，只設定房間與室外的通風，房間之間互相不存在通風。且全年逐時通風次數(shù)為1.0次／h。

1.2.4 模擬方案

由于模擬方案眾多，現(xiàn)對各方案進行編號為Ⅰ－Ⅱ。其中Ⅰ的取值與意義見表4；Ⅱ的取值與意義見表5，當Ⅱ取值1時，代表住宅類型的基準建筑，Ⅱ取值為2～20時，代表在基準建筑上改變設置參數(shù)的方案。

表4 Ⅰ的定義

表5 Ⅱ的定義

續(xù)表5

2 討論分析

在DeST－h(huán)中對X－1進行模擬后的結果如圖4所示。

圖4 建筑單位面積負荷的對比

從圖4中可以看出，經(jīng)濟型、適用型、小康型3種類型建筑的冷負荷指標明顯大于熱負荷指標，這是因為重慶處于夏熱冬冷地區(qū)，夏季悶熱，冬季濕冷，夏季供冷能耗為建筑的主要能耗；3種類型建筑單位面積冷、熱負荷以及單位面積總累計負荷的差別不是很明顯，這是由于各基礎建筑的圍護結構相同，體形系數(shù)相差不大，所以單位面積負荷差別不大。這也說明了對各類建筑進行節(jié)能性分析的作用也是同等重要的。

2.1 外墻保溫分析

通過改變模型外墻的保溫的性能，在DeST－h(huán)中對方案 X－1、X－2、X－3、X－4、X－5進行模擬的結果如圖5所示，圖中節(jié)能率以X－2為基準計算得到。

從圖5可以看出：通過增加保溫層的厚度，累計熱負荷和累計冷負荷有明顯降低，其中累計熱負荷的節(jié)能率在19.4%～42.7%之間，累計冷負荷的節(jié)能率在3.6%～8.6%之間，累計熱負荷的節(jié)能率明顯高于累計冷負荷的節(jié)能率；隨著保溫層厚度的逐漸增大，節(jié)能率的增幅逐漸減小。

圖5 外墻保溫性能與模擬分折

增加外墻保溫層的厚度，在減小外墻傳熱系數(shù)的同時，相應的增加墻體的蓄熱功能，從而在炎熱、寒冷或者極端氣候條件下，減少建筑的空調(diào)、采暖能耗。但是，在夜間或者非極端氣候條件下，反而阻礙了室內(nèi)外的熱交換，增加了空調(diào)、采暖能耗。所以，保溫層的厚度不能無限增長下去，一定有一個經(jīng)濟厚度。

圖6 外窗保溫性能模擬分析結果

對于處于夏熱冬冷的重慶地區(qū)而言，通過分析重慶的室外逐時氣象參數(shù)發(fā)現(xiàn)：采暖季時，以室內(nèi)恒定為采暖溫度18℃為基礎，得到室內(nèi)外平均溫差為8.8℃；空調(diào)季時，以室內(nèi)恒定為空調(diào)溫度26℃為基礎，得到室內(nèi)外平均溫差為1.3℃。所以適當增加外墻的保溫層厚度，在空調(diào)季和采暖季均能起到降低能耗的作用；并且采暖季室內(nèi)外平均溫差明顯高于空調(diào)季室內(nèi)外平均溫差，所以累計熱負荷的節(jié)能率明顯高于累計冷負荷的節(jié)能率。

從經(jīng)濟性方面對比不同外墻保溫形式的差異，如表6所示。

表6 不同外墻保溫方案的經(jīng)濟性對比

綜合節(jié)能與經(jīng)濟性分析得到：外墻采用30 mm膨脹聚苯板的厚度的經(jīng)濟回收期都在6 a以內(nèi)，但是得到同樣節(jié)能效果的保溫砂漿的回收期在10 a左右，不具有經(jīng)濟可行性。同時近年來人們生活水平也在不斷提高，人們對建筑室內(nèi)的舒適性的要求也越來越高，通過增強外圍護結構的保溫性能，能夠在一定程度上提高非空調(diào)、采暖期的室內(nèi)舒適度，減小空調(diào)設備的裝機容量，所以建議新建巴渝新農(nóng)村住宅外墻采用30 mm的膨脹聚苯板來提高能源利用效率，如果經(jīng)濟上不寬裕也可以采用回收期更短的10 mm或者20 mm的膨脹聚苯板，同樣可以提高能源利用效率。

2.2 外窗保溫的分析

不同外窗玻璃的熱工性能和價格見表7。

表7 外窗的熱工性能和市場價格

通過改變模型外窗的類別，在DeST－h(huán)中對方案 X－1、X－6、X－7、X－8、X－9進行模擬后的結果如圖6所示，圖中節(jié)能率以X－6為基準計算得到。

從圖6中可以得出：采用普通中空玻璃和Lowe玻璃2種情況全年累計熱負荷基本相同，但是相對于普通6 mm單玻，全年累計熱負荷又相對較?。粚τ谌昀塾嬂湄摵蓙碚f，普通6 mm單玻＞普通中空玻璃＞中空Low－e玻璃。

窗戶的能耗與窗戶的傳熱系數(shù)（K），遮陽系數(shù)（SC）、窗墻比等因素有關系。對于累計熱負荷而言，鍍Low－e膜中空（低透型）玻璃與普通中空玻璃相同，是因為在冬季熱負荷與玻璃的遮陽系數(shù)成反比，而與傳熱系數(shù)成正比，由于各因素的綜合作用導致兩者的熱負荷相差很??；普通6 mm單玻與普通中空玻璃相比較，遮陽系數(shù)相同，而傳熱系數(shù)較大，所以累計熱負荷相對較大。對于累計冷負荷而言，相對較小的遮陽系數(shù)（SC）和傳熱系數(shù)（K）對節(jié)約空調(diào)能耗有利，所以累計冷負荷普通6 mm單玻＞普通中空玻璃＞中空Low－e玻璃。

從經(jīng)濟性方面對比不同外窗形式的差異，如表8所示。

表8 不同外窗方案的經(jīng)濟性對比

綜合節(jié)能與經(jīng)濟性分析得到：

1）主要功能房間采用節(jié)能型外窗、其他房間采用普通6 mm單玻與全部外窗采用節(jié)能型外窗相比，節(jié)能性上差別不大，但是經(jīng)濟性上有很大優(yōu)勢。

2）外窗采用中空玻璃的回收期為3.9～4.4 a，采用中空Low－E玻璃的回收期為6.0～6.2 a，差別不是很大。同時減小外窗的傳熱系數(shù)在可以減小非空調(diào)、采暖期的室內(nèi)溫度波動，提高室內(nèi)舒適度，減小空調(diào)設備的裝機容量。所以，從長遠角度考慮，建議新建巴渝新居主要功能房間外窗采用鍍Low－e膜中空，其他房間采用普通6 mm單玻。

2.3 房間自然通風分析

自然通風是建筑普遍采取的一項改善建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術，采用自然通風方式的根本目的就是取代（或者部分取代）空調(diào)制冷系統(tǒng)。方案X－1和X－10在 DeST－h(huán)中模擬結果的對比，如圖7所示，其中基礎室溫是以一層的其中一個臥室為研究對象。

圖7 房間自然通風模擬分析結果

從圖7（a）的對比可以看出：可變自然通風與固定次數(shù)自然通風相比可以明顯降低空調(diào)期室內(nèi)基礎室溫，一般降溫在3.6～5.3℃之間，可以顯著的提高室內(nèi)的舒適度。

從圖7（b）可以看出：通風對全年累計冷負荷影響很大，通過可變次數(shù)的自然通風可以把全年累計冷負荷降低50%左右，節(jié)能效果非常明顯。此外，自然通風具有3種不同的功能［15］：1）健康通風，即保證室內(nèi)空氣質(zhì)量；2）舒適的熱環(huán)境，即避免室內(nèi)過于溫暖潮濕而引起的人體不適；3）調(diào)溫通風，即調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使室內(nèi)外達到溫度平衡。

當過渡季、夏季的夜間和早晨室外溫度低于室內(nèi)溫度時，通過增加通風量而非開啟空調(diào)來達到降溫目的，即根據(jù)室外溫度情況通過人為開窗來自主調(diào)節(jié)自然通風量，以達到降低能耗的作用。因此，在日常生活中一定要注意在室外條件適宜的情況下，加強通風，以減少建筑的能耗，提高建筑能源利用效率。

2.4 房間空調(diào)設置溫度分析

空調(diào)設定溫度與空調(diào)能耗以及人體熱舒適有著密切的關系，夏季空調(diào)設定溫度越高，則空調(diào)能耗越低，但人體舒適度越差；冬季正好相反。通過在DeST－h(huán)中改變模型的空調(diào)設定溫度，模擬出夏季空調(diào)溫度（24、26、28和30℃）和冬季空調(diào)溫度（14、16、18和20℃）的方案能耗情況，計算結果如圖8所示，圖中建筑全年冷負荷節(jié)能率以夏季空調(diào)設定為24℃為基準計算得到，熱負荷節(jié)能率以冬季空調(diào)設定為20℃為基準計算得到。

通過圖8可以得出：在夏季，空調(diào)設定溫度每升高2℃，空調(diào)能耗的降低幅度都在50%左右。在冬季，空調(diào)設定溫度每降低2℃，空調(diào)能耗的降低幅度都在20%以上。在冬、夏季空調(diào)能耗的降低都非常明顯。

在夏季與冬季，當空調(diào)設定溫度提高和降低時，產(chǎn)生上述結果的原因是：1）室內(nèi)外溫差減小，通過圍護結構的傳熱量減少，而室外新風與室內(nèi)空氣的焓差也減小，因此其冷負荷總量降低，從而降低了空調(diào)能耗；2）隨著室內(nèi)空調(diào)設定溫度的提高，全年可以利用自然通風的時間變長，從而減少了開啟空調(diào)的時間，從而減小了能耗。

圖8 不同空調(diào)設置溫度能耗分析結果

但是考慮到溫度對人體熱舒適的影響，冬夏季室內(nèi)空調(diào)溫度不能設定的太低或太高。有研究［16］表明：在盡可能滿足人體舒適性的條件下，夏季室內(nèi)空調(diào)溫度調(diào)高幅度一般可達2～3℃。

從以上分析可以看出：合理的設定室內(nèi)空調(diào)溫度，帶來的能耗的減少非常明顯。因此在日常生活空調(diào)使用的過程中，尤其是在過渡季、夏季夜間和早晨等室外溫度適宜時，多開窗加強通風，減少使用空調(diào)系統(tǒng)的時間；同時在冬夏季使用空調(diào)時，建議冬季采暖溫度設置為16℃，夏季空調(diào)溫度設置為28℃，以提高能源使用效率。具體空調(diào)使用溫度因人而異，視具體情況而定。

2.5 建筑朝向的分析

正確選擇住宅的朝向對建筑的采光和節(jié)能有著很重要的意義。中國大部分地區(qū)處于北溫帶，房屋“坐北朝南”，這種朝向的房屋冬季太陽可以最大限度地射入室內(nèi)，同時南向外墻可以得到最佳的受熱條件，而夏季正好相反，從建筑節(jié)能的角度出發(fā)，為了盡可能地冬季利用日照或夏季限制日照，避免冷風造成的大量能耗，應該合理的選擇房屋的朝向。

通過在DeST－h(huán)中改變建筑物的朝向來模擬計算出建筑的全年能耗，通過能耗的對比來研究重慶地區(qū)的新建建筑建筑朝向的優(yōu)化選擇。具體模擬結果見圖9。

圖9 不同朝向的能耗模擬分析結果

從圖9中可以看出：朝向對全年熱負荷的影響較小（在200 k W·h以下）；南北向建筑全年累計冷負荷明顯比東西向低。從而可見在重慶地區(qū)朝向對建筑的制冷能耗的影響大于采暖能耗的影響。

造成上面結果的原因是：重慶屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季非常炎熱，制冷時間遠遠超過采暖時間，從而導致朝向對建筑的制冷能耗的影響大于采暖能耗的影響，因此在重慶應該注意朝向的選擇，選擇有利與降低制冷能耗的朝向。

模擬選用的氣象數(shù)據(jù)是重慶地區(qū)能耗分析典型年，但是重慶屬于山地城市，各地高低起伏，地形復雜，道路彎曲，建筑完全做到南北朝向有一定困難。并且有研究［17］表明：重慶政府辦公建筑中僅有1／3的朝向為南北朝向。重慶各個地區(qū)的地形以及氣象條件不盡相同，因此重慶新建巴渝新農(nóng)村建筑的朝向要因地制宜，在條件允許的情況下盡量采用南北朝向或接近南北朝向，以提高能源利用效率。

2.6 綜合經(jīng)濟性分析

典型建筑采取節(jié)能措施后，與基準建筑相比，能源消耗以及經(jīng)濟性情況分析（即方案X－1與X－20的對比分析），計算結果如表9所示。

表9 采取節(jié)能措施之后的經(jīng)濟性

從表9中可以看出：采取節(jié)能措施的投資回收期都在1.2 a以內(nèi)，同時考慮到采取節(jié)能措施之后對室內(nèi)環(huán)境的改善，得到新建巴渝新農(nóng)村建筑采取必要的節(jié)能措施，在經(jīng)濟性和舒適性上是可行的。

3 結論

利用模擬軟件DeST－h(huán)對《重慶市巴渝新農(nóng)村民居通用圖集》中的典型建筑進行供熱供冷能耗模擬分析，通過能耗以及經(jīng)濟性對比分析，得到以下結論：

1）建議新建巴渝新農(nóng)村住宅外墻采用30 mm的膨脹聚苯板來提高能源利用效率，如果經(jīng)濟上不寬裕也可以采用回收期更短的10 mm或者20 mm的膨脹聚苯板，同樣可以提高能源利用效率。

2）綜合考慮到投資和節(jié)能兩方面，為實現(xiàn)舒適性和經(jīng)濟性的平衡，建議新建巴渝新居主要功能房間外窗采用鍍Lo w－e膜中空，其他房間采用普通6 mm單玻。

3）在日常生活空調(diào)使用的過程中，尤其是在過渡季、夏季夜間和早晨等室外溫度適宜時，多開窗加強通風，減少使用空調(diào)系統(tǒng)的時間；同時在冬夏季使用空調(diào)時，適當降低或提高空調(diào)的設定溫度值，提高能源使用效率。建議冬季采暖溫度設置為16℃，夏季空調(diào)設置為28℃，以提高能源使用效率。

4）重慶新建巴渝新農(nóng)村建筑的朝向要因地制宜，在條件允許的情況下盡量采用南北朝向或接近南北朝向，以提高能源利用效率。

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