廣東地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化研究

金 玲，趙立華，孟慶林，李坤明，王 浩

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

廣東地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化研究

金 玲1，趙立華2，孟慶林2，李坤明2，王 浩2

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

廣東地區(qū)新建農(nóng)宅有向多層發(fā)展和天井消失的趨勢(shì)，室內(nèi)熱環(huán)境因此而變化。為了解廣東地區(qū)新建農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，選取有天井現(xiàn)代農(nóng)宅、無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅和傳統(tǒng)農(nóng)宅各一棟進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境存在優(yōu)化的空間。針對(duì)廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅存在的問(wèn)題，借助計(jì)算機(jī)輔助分析的手法提出適宜的優(yōu)化措施，屋面遮陽(yáng)、增大天窗高度及天窗開(kāi)口置于下風(fēng)向是改善有天井多層農(nóng)宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境的有效措施，無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅通過(guò)局部架空和窗口遮陽(yáng)改善室內(nèi)熱環(huán)境效果顯著。

農(nóng)村住宅；熱環(huán)境；天井；計(jì)算機(jī)輔助分析

中

區(qū)的商品能消耗正在以每年超過(guò)10%的速度增長(zhǎng)，商品能在農(nóng)村地區(qū)用能比例由20世紀(jì)80年代的不足20%增長(zhǎng)至60%［1］。與此同時(shí)，新建的現(xiàn)代農(nóng)宅缺乏對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的基本關(guān)注，簡(jiǎn)單的構(gòu)造致使現(xiàn)代農(nóng)宅熱工性能很差，中國(guó)北方農(nóng)戶冬季室內(nèi)溫度過(guò)低、南方農(nóng)宅夏季室內(nèi)悶熱潮濕。因此，近年來(lái)越來(lái)越多的科研工作者將關(guān)注的焦點(diǎn)由城市轉(zhuǎn)向廣大的農(nóng)村地區(qū)［2－5］，為新農(nóng)村建設(shè)提供了有益的參考和示范。廣東地區(qū)夏季炎熱漫長(zhǎng)，農(nóng)村空調(diào)能耗存在巨大的能源缺口，關(guān)于村落微氣候與熱環(huán)境的相關(guān)研究已取得初步成果［6－7］，但針對(duì)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)研究工作還比較少，筆者將在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)比分析廣東地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，并針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題分析原因，采用計(jì)算機(jī)輔助分析的方法提出可行的優(yōu)化措施。

廣東農(nóng)村地區(qū)最常見(jiàn)的傳統(tǒng)住宅是“廳井式”（敞廳加天井）住宅，廳井式住宅是北方的合院建筑隨漢族南遷進(jìn)入廣東，在文化與氣候雙重因素的影響下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展衍化形成的建筑模式［8］。近年來(lái)，受到人口增多、土地緊缺、工程技術(shù)水平提高等因素的影響，廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅的發(fā)展有兩個(gè)明顯的趨勢(shì)：一是農(nóng)宅由單層向3層（或3層以上）發(fā)展；二是作為傳統(tǒng)農(nóng)宅核心的“廳井”中的天井正在逐步消失。在保留天井的現(xiàn)代農(nóng)宅中，天井均加設(shè)玻璃頂蓋以滿足防雨的要求。因此，選取典型的有天井現(xiàn)代農(nóng)宅和無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅各1棟作為優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)，同時(shí)實(shí)測(cè)1棟使用中的傳統(tǒng)農(nóng)宅作為參照基準(zhǔn)。

1 實(shí)測(cè)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)測(cè)對(duì)象

實(shí)測(cè)時(shí)間是2011年7月—8月，是廣東地區(qū)典型的夏季時(shí)段。實(shí)測(cè)對(duì)象及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)概況參見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)測(cè)對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)概況Fig 1 The view of measured objects

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

室外的巷道、半開(kāi)放的門(mén)廊、天井、敞廳口、敞廳內(nèi)部、臥室均布置了溫濕度測(cè)點(diǎn)，高度在1.5 m左右，以橫向考察各空間的溫濕度分布情況。為考察天井熱壓通風(fēng)的潛力，在天井的各樓層高度處分別布置了溫度測(cè)點(diǎn)。風(fēng)速的測(cè)量主要是室外、天井、室內(nèi)人的活動(dòng)區(qū)域以及窗口風(fēng)速。測(cè)點(diǎn)布置參見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig 2 Measuring points’setting in measured objects

1.3 測(cè)試儀器及參數(shù)

測(cè)試所用的儀器型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1，儀器測(cè)量范圍及精度滿足室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7726［9］的要求。改裝后的黑球溫度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)黑球溫度計(jì)校驗(yàn)［10］，測(cè)試精度為±0.5℃，可用于測(cè)試。

表1 測(cè)試儀器和精度Table 1 Measurement apparatus and its precision

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1 空氣溫度與相對(duì)濕度

圖3～圖5分別是夏季3棟典型住宅主要使用空間實(shí)測(cè)溫濕度波動(dòng)曲線。

由圖3可知，有天井現(xiàn)代農(nóng)宅室內(nèi)平均溫度逐層增大，1層廳堂（29.8℃）＜2層廳堂（30.2℃）＜3層廳堂（31.1℃），可見(jiàn)現(xiàn)代農(nóng)宅中頂層到底層熱緩沖效果逐漸增強(qiáng)，無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅室內(nèi)溫度（圖4）為1層廳堂（29.2℃）＜2層廳堂（29.6℃）＜3層廳堂（30.7℃），也有相似的規(guī)律。一層廳堂平均溫度均低于傳統(tǒng)農(nóng)宅廳堂平均溫度30℃（圖5），即農(nóng)宅向多層發(fā)展的趨勢(shì)有利于降低夏季室內(nèi)溫度。

但不容忽視的是現(xiàn)代多層農(nóng)宅中頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，平均溫度比非頂層房間高1℃以上，這是由于屋頂隔熱構(gòu)造缺失所致。調(diào)研結(jié)果顯示，為節(jié)省房屋造價(jià)，廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅的屋頂構(gòu)造絕大多數(shù)僅是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層加兩側(cè)的抹灰層，節(jié)省了看不見(jiàn)的隔熱層，使得現(xiàn)代農(nóng)宅中頂層房間熱環(huán)境惡劣，大多處于閑置的狀態(tài)，形成了不必要的浪費(fèi)。因此，引導(dǎo)村民認(rèn)識(shí)到屋頂隔熱的重要性十分必要。

與此同時(shí)，可以看到有天井現(xiàn)代農(nóng)宅的各層廳堂溫度都比無(wú)天井多層農(nóng)宅的同層廳堂溫度高，有兩個(gè)主要原因：1）有天井現(xiàn)代農(nóng)宅中，大量的太陽(yáng)輻射熱通過(guò)天井到達(dá)各層房間，而無(wú)天井農(nóng)宅則沒(méi)有這部分熱負(fù)荷，因此，夏季天井頂部的遮陽(yáng)十分必要；2）實(shí)測(cè)的無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅中室內(nèi)裝修大量使用大理石等石材，而有天井農(nóng)宅中大多為砂漿抹灰飾面，石材的蓄熱系數(shù)是砂漿的兩倍，因此，裝修材料的差異也是導(dǎo)致兩棟住宅室內(nèi)溫度不同的原因之一。

3棟農(nóng)宅中夏季平均相對(duì)濕度均在80%左右，分布規(guī)律與溫度相反?，F(xiàn)代農(nóng)宅中1層廳堂內(nèi)相對(duì)濕度（83%）略大于傳統(tǒng)農(nóng)宅（82%），2、3層廳堂的相對(duì)濕度逐層減?。ǜ骺臻g平均相對(duì)濕度介于79%～77%），農(nóng)宅由單層向多層發(fā)展有利于防潮。

圖3 有有天井現(xiàn)代農(nóng)宅夏季實(shí)測(cè)溫度與濕度Fig 3 Air temperature and relative humidity distribution of rural residential with courtyard in summer

圖4 圖4無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅夏季實(shí)測(cè)溫度與濕度Fig 4 Air temperature and relative humidity distribution of rural residential without courtyard in summer

圖5 傳統(tǒng)農(nóng)宅夏季實(shí)測(cè)溫度與濕度Fig 5 Air temperature and relative humidity distribution of traditional residential in summer

2.2 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6～圖8所示。廣東地區(qū)農(nóng)村住宅多呈梳式布局，農(nóng)宅周邊有良好的風(fēng)環(huán)境，實(shí)測(cè)期間瞬時(shí)風(fēng)速介于0.1～2.5 m／s，3棟典型住宅周邊巷道內(nèi)的平均風(fēng)速均大于0.7 m／s。

然而由于遵循后墻不開(kāi)窗的古制，傳統(tǒng)農(nóng)宅室內(nèi)風(fēng)速迅速衰減，廳堂平均風(fēng)速不足0.2 m／s，臥室則不足0.1 m／s（圖8），室內(nèi)風(fēng)環(huán)境不佳。無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅中取消天井的同時(shí)首層廳堂開(kāi)啟側(cè)窗，實(shí)測(cè)期間，首層廳堂平均風(fēng)速為0.29 m／s（圖7），非常接近室內(nèi)適宜風(fēng)速0.3 m／s［11］，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境明顯得到改善。

有天井的現(xiàn)代農(nóng)宅中首層廳堂亦保留了不開(kāi)窗的古制，實(shí)測(cè)平均風(fēng)速約為0.25 m／s（圖6），略優(yōu)于傳統(tǒng)農(nóng)宅，主要得益于熱壓通風(fēng)效果增強(qiáng)。一般說(shuō)來(lái)，熱壓通風(fēng)的大小取決于進(jìn)出風(fēng)口的高度差和溫度差，實(shí)測(cè)天井垂直方向上的溫度分布見(jiàn)圖9。由圖9可知，現(xiàn)代農(nóng)宅天井頂部和底部的平均溫差為1.9℃，高差為11.5 m，理想狀態(tài)下熱壓通風(fēng)風(fēng)速值為1.19 m／s，是傳統(tǒng)農(nóng)宅（平均溫差0.3℃，高差4 m，理想狀態(tài)下熱壓通風(fēng)風(fēng)速值為0.28 m／s）熱壓通風(fēng)潛力的4倍。對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果可知，現(xiàn)代農(nóng)宅中的熱壓通風(fēng)的利用還很不充分，這或與天井頂部的防雨頂蓋有關(guān)。因此，可借助計(jì)算機(jī)輔助分析的手段優(yōu)化天井頂蓋的構(gòu)造及開(kāi)啟方式，在防雨的同時(shí)改善其通風(fēng)效果。

圖6 有天井現(xiàn)代農(nóng)宅實(shí)測(cè)1.5 m高處室內(nèi)外風(fēng)速Fig 6 Velocity distribution at the height of 1.5 m above ground for rural residential with courtyard

圖7 無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅實(shí)測(cè)1.5 m高處室內(nèi)外風(fēng)速Fig 7 Velocity distribution at the height of 1.5 m above ground for rural residential without courtyard

圖8 傳統(tǒng)農(nóng)宅實(shí)測(cè)1.5 m高處室內(nèi)外風(fēng)速Fig 8 Velocity distribution at the height of 1.5m above ground for traditional residential

圖9 天井垂直方向溫度分布Fig 9 Air temperature distribution along the vertical direction of the courtyard

2.3 太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的舒適程度有顯著影響，實(shí)測(cè)選擇黑球溫度來(lái)表征輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，圖10為現(xiàn)代農(nóng)宅首層?xùn)|側(cè)臥室靠近窗口位置的黑球溫度和空氣溫度。由圖10可知，10：00左右測(cè)點(diǎn)黑球溫度突然增大3～5℃，空氣溫度也相應(yīng)的出現(xiàn)波動(dòng)，這是陽(yáng)光直射測(cè)點(diǎn)形成的。

廣東地區(qū)傳統(tǒng)住宅是十分注重遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的。然而，現(xiàn)代農(nóng)宅的遮陽(yáng)往往被忽略，夏季通過(guò)窗口或天井直接進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷不容忽視，使用者不能忍受過(guò)熱的室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，會(huì)采取不甚美觀的臨時(shí)遮陽(yáng)（圖11）。

圖10 黑球溫度與空氣溫度Fig 10 Comparison of globe temperature and air temperature

圖11 窗口臨時(shí)遮陽(yáng)Fig 11 The temporary window shade

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，從優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境的角度來(lái)看，廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)螌酉蚨鄬影l(fā)展的趨勢(shì)有利于防熱防潮，梳式布局可形成良好的室外風(fēng)環(huán)境，突破首層外封閉的格局可有效改善首層空間室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，這些優(yōu)點(diǎn)在新建農(nóng)宅中應(yīng)繼續(xù)保持和發(fā)揚(yáng)。但與此同時(shí)，現(xiàn)代農(nóng)宅還存在如下主要問(wèn)題：1）屋頂隔熱層的缺失導(dǎo)致頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，過(guò)熱的室內(nèi)熱環(huán)境必將導(dǎo)致不必要的能源消耗和浪費(fèi)，因此，引導(dǎo)村民認(rèn)識(shí)到隔熱層的重要性非常必要；2）現(xiàn)代農(nóng)宅天井頂部的防雨構(gòu)造影響了室內(nèi)熱壓通風(fēng)的效果，應(yīng)對(duì)其出風(fēng)口處的構(gòu)造及使用要點(diǎn)提出建議以優(yōu)化室內(nèi)自然通風(fēng)；3）現(xiàn)代農(nóng)宅中遮陽(yáng)設(shè)計(jì)被忽略，夏季通過(guò)窗口或天井直接進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射不容忽視，應(yīng)針對(duì)建筑特點(diǎn)找準(zhǔn)遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。

近來(lái)的成交謹(jǐn)慎，與前段時(shí)間很多復(fù)肥廠家的秋季訂貨會(huì)性質(zhì)的各種大促銷(xiāo)密切相關(guān)，某肥業(yè)鄭州峰會(huì)訂貨10萬(wàn)噸，某股份成都大會(huì)收款4.5億元……大成交都到前面去了，后面的成交理所當(dāng)然謹(jǐn)小慎微，大伙兒Get到了嗎？

3 優(yōu)化分析

針對(duì)實(shí)測(cè)所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析的方法提取最適宜的優(yōu)化措施?，F(xiàn)代農(nóng)宅中保留天井有利于天然采光、自然通風(fēng)和除濕，但也會(huì)帶來(lái)過(guò)量熱輻射和使用率降低的問(wèn)題，反之亦然。因此，有天井農(nóng)宅和無(wú)天井農(nóng)宅各有千秋，從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，二者也是平分秋色。因此，不討論天井的去與留，而是針對(duì)有天井和無(wú)天井兩種現(xiàn)代農(nóng)宅分別建模、討論各自適宜的優(yōu)化方法。

3.1 隔熱優(yōu)化

選擇建筑能耗分析軟件Energy Plus作為工具對(duì)比隔熱設(shè)計(jì)和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)前后的全年能耗及室內(nèi)熱環(huán)境?？紤]到建筑互遮擋對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，計(jì)算模型采用3行3列共9棟建筑，研究對(duì)象為正中的一棟住宅（圖12）。

圖12 Energy－plus基礎(chǔ)計(jì)算模型Fig 12 Energy－plus basic calculation model

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及厚度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，是廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅最常見(jiàn)的構(gòu)造形式，模擬設(shè)置及熱工參數(shù)［12］為：內(nèi)擾設(shè)置及作息按《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 75—2012）設(shè)置；模擬時(shí)段為全年逐時(shí)；氣象條件：《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》［13］；傳熱系數(shù)：180厚粘土磚外墻（室內(nèi)外分別做20 mm厚混合砂漿和水泥砂漿抹面），K＝2.35 W／m2·K，D＝2.85；屋頂（100 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，室內(nèi)外分別做20 mm厚混合砂漿和水泥砂漿抹面）K＝3.77 W／m2·K，D＝1.48；外窗（普通鋁合金推拉窗、5 mm白玻）K＝6.0 W／m2·K，Sc＝0.85。

有天井現(xiàn)代農(nóng)宅中的天井實(shí)際上是被以玻璃及鋁合金為主制成的頂蓋所覆蓋，所以在基礎(chǔ)計(jì)算模型中天井頂部設(shè)置了玻璃頂蓋，整個(gè)天井是從1層到3層通高的封閉無(wú)空調(diào)的空間。

在優(yōu)化分析前，先進(jìn)行模型的模擬驗(yàn)證，計(jì)算兩棟基礎(chǔ)模型全年逐時(shí)溫度分布，室內(nèi)溫度逐層增大，夏季最大值可達(dá)35℃，冬季最小值不足12℃，整體變化規(guī)律與室內(nèi)熱環(huán)境水平與實(shí)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境相符。

優(yōu)化模型在屋頂構(gòu)造中增設(shè)30 mm厚XPS保溫板，其余同基礎(chǔ)模型。兩棟住宅的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13，以基礎(chǔ)模型的全年能耗為基準(zhǔn)，有天井多層住宅設(shè)置屋頂隔熱層后全年的能耗為基準(zhǔn)能耗的73.4%，節(jié)能率為26.6%；無(wú)天井多層住宅設(shè)置屋頂隔熱層后全年的能耗為基準(zhǔn)能耗的65.9%，全年的節(jié)能率可達(dá)34.1%。整體而言，廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅若設(shè)置屋頂隔熱層，全年可節(jié)約1／3左右的空調(diào)能耗。以29℃作為可接受溫度上限［14］，現(xiàn)代農(nóng)宅整個(gè)夏季（6—10月）室內(nèi)熱環(huán)境可接受比例約增加10%。

圖13 屋頂隔熱構(gòu)造節(jié)能率Fig 13 Energy saving rate of roof insulation

3.2 自然通風(fēng)優(yōu)化

Fluent被廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)分析工作與研究中，采用Gambit2.4.6繪制網(wǎng)格，利用Fluent6.3.26對(duì)基礎(chǔ)模型優(yōu)化前后的室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。

典型日的選取依據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 286—2013）［15］，以日平均溫度與日較差作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照太陽(yáng)總輻射最接近整個(gè)夏季平均值基本形態(tài)，最終選定8月7日做為夏季的典型氣象日。當(dāng)日下午13：00左右空氣溫度達(dá)到了全天的最大值30.9℃，太陽(yáng)輻射值也處于較高的水平，此時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境最為嚴(yán)峻，因此，選取8月7日13：00作為計(jì)算機(jī)模擬分析的評(píng)價(jià)時(shí)刻。

為驗(yàn)證模型的可靠性，將夏季實(shí)測(cè)的11天每日13：00的實(shí)測(cè)室外溫度平均值與計(jì)算溫度進(jìn)行對(duì)比，無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅中實(shí)測(cè)1.5 m高度處室外溫度平均值為32.0℃，基礎(chǔ)模型計(jì)算溫度為33.2℃，相對(duì)誤差為3.8%，這是因?yàn)閷?shí)際情況下太陽(yáng)輻射對(duì)空氣溫度的影響有滯后性，而這種滯后性在Fluent的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式中無(wú)法考慮，因此導(dǎo)致的誤差，有天井現(xiàn)代農(nóng)宅中的相對(duì)誤差為4.2%。

表2 邊界條件說(shuō)明Table 2 Analysis condition

如3.2節(jié)所述，有天井現(xiàn)代農(nóng)宅天井頂蓋的構(gòu)造方式（圖1（a））不利于熱壓通風(fēng)，廳堂不開(kāi)窗的祖制亦對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境有不利影響，綜合考慮這兩個(gè)優(yōu)化方向，設(shè)計(jì)了8種可能的工況進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表3。不同工況下風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是主要活動(dòng)空間內(nèi)、人行高度處的平均風(fēng)速值和活動(dòng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速值大于0.3 m／s的面積比例［16］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比分析結(jié)果表明，對(duì)于有天井的現(xiàn)代農(nóng)宅而言，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境有效的優(yōu)化方式是：首層廳堂開(kāi)啟北窗；增大天井的高度。二者同時(shí)宜將天井的開(kāi)口置于下風(fēng)向。3.2.2 無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅優(yōu)化策略 半開(kāi)放空間是適應(yīng)濕熱氣候的有益元素，傳統(tǒng)住宅中半開(kāi)放空間主要有賴于天井形成，而現(xiàn)代農(nóng)宅中設(shè)置天井會(huì)降低房屋的平面利用率，因此，一部分村民在建新房時(shí)舍棄了天井，此時(shí)，局部架空或是可以替代天井的有效方式。

表3 有天井現(xiàn)代農(nóng)宅自然通風(fēng)優(yōu)化措施工況說(shuō)明Table 3 The working condition explanation and optimization of the ventilation for rural residential with courtyard

表4 有天井現(xiàn)代農(nóng)宅各工況室內(nèi)平均風(fēng)速Table 4 The average wind speed of the rural residential with courtyard

圖14所示為無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅從一層不架空到一層架空1／2時(shí)9種工況下1.5 m高度處室外微環(huán)境的解析結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可知，底層架空率由0增大到25%時(shí)，1.5 m高度處的室外平均溫度降低0.5 ℃ 以 上，平 均 風(fēng) 速 由 0.27 m／s 增 大 到0.43 m／s；底層架空率由0增大到50%時(shí)，1.5 m 高度處的室外平均溫度降低了1℃以上，平均風(fēng)速由0.27 m／s增大到0.79 m／s。

除了架空率外，架空的部位對(duì)熱環(huán)境也有影響，當(dāng)架空部位位于上風(fēng)向時(shí)，室外風(fēng)環(huán)境更優(yōu)。一層南向架空率為50%的時(shí)候，1.5 m高度處平均風(fēng)速為0.79 m／s，西向架空率為50%的時(shí)候，1.5 m 高度處平均風(fēng)速為0.64 m／s，均高于東向和北向架空時(shí)的平均風(fēng)速0.46 m／s。相應(yīng)的，南向和西向架空50%時(shí)室外平均溫度為32℃，較其他兩個(gè)朝向架空時(shí)的平均值低0.2℃。

圖14 1.5 m高度處室外溫度與風(fēng)速Fig 14 Average of air temperature and velocity at the height of 1.5 m

3.3 遮陽(yáng)優(yōu)化

使用Energy Plus作為分析工具，邊界條件設(shè)置與3.1節(jié)隔熱設(shè)計(jì)同。考慮到廣東地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈及現(xiàn)代農(nóng)宅天井不利于防熱的特點(diǎn)，分別計(jì)算基礎(chǔ)模型、東立面擋板遮陽(yáng)、南立面水平遮陽(yáng)、西立面擋板式遮陽(yáng)、北立面垂直遮陽(yáng)、4個(gè)立面均設(shè)遮陽(yáng)和屋頂百葉遮陽(yáng)等7個(gè)工況下的室內(nèi)溫度。同樣以可接受溫度上限29℃為界限，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果中夏季室內(nèi)溫度可接受時(shí)長(zhǎng)的比例。結(jié)果參見(jiàn)圖15、圖16。

圖15 有天井現(xiàn)代農(nóng)宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境可接受比例Fig 15 Percentage accepted of thermal environment in rural residential with courtyard in summer

由圖15可知，有天井低層農(nóng)宅的遮陽(yáng)優(yōu)化中屋頂遮陽(yáng)效果最為顯著。3層廳堂可接受時(shí)長(zhǎng)從整個(gè)夏季的24%上升到51%，即頂層廳堂夏季可接受時(shí)長(zhǎng)增加了790 h，約合33 d，即屋頂遮陽(yáng)可以使得頂層廳堂夏季可接受時(shí)長(zhǎng)大大增加，約為整個(gè)夏季的1／4，此外，屋頂遮陽(yáng)使得主要使用空間平均可接受時(shí)長(zhǎng)增加10%，亦即整個(gè)夏季自然室溫可接受時(shí)長(zhǎng)增加了293 h，約合12 d；其次，是4個(gè)立面均設(shè)遮陽(yáng)的情況，夏季各空間平均可接受時(shí)長(zhǎng)增加4.7%，亦即整個(gè)夏季自然室溫可接受時(shí)長(zhǎng)增加了138 h，約合6 d，但立面遮陽(yáng)對(duì)解決頂層熱環(huán)境差的問(wèn)題幫助不大。

圖16 無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境可接受比例Fig 16 Percentage accepted of thermal environment in rural residential without courtyard in summer

由圖16可知，對(duì)于改善無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅夏季整體室內(nèi)熱環(huán)境而言，4個(gè)立面的遮陽(yáng)效果比屋面遮陽(yáng)效果顯著。4個(gè)立面遮陽(yáng)使得整個(gè)夏季室內(nèi)自然室溫可接受時(shí)長(zhǎng)增加5.7%，即167 h；屋面百葉遮陽(yáng)使得可接受的時(shí)長(zhǎng)增加了4.9%，即143 h。立面遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化效果優(yōu)于屋面百葉遮陽(yáng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廣東地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)宅和傳統(tǒng)農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及計(jì)算機(jī)模擬分析，得到以下結(jié)論：

1）屋頂遮陽(yáng)是改善“有天井現(xiàn)代農(nóng)宅”夏季室內(nèi)熱環(huán)境的有效方式，整體的屋頂遮陽(yáng)（包括天井頂部遮陽(yáng)）可以使頂層房間夏季可接受時(shí)長(zhǎng)增加790 h，是優(yōu)化前可接受時(shí)長(zhǎng)的一倍，各層主要使用空間平均可接受時(shí)長(zhǎng)增加293 h；而對(duì)“無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅”而言，立面遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果優(yōu)于屋面百葉遮陽(yáng)。

2）有天井現(xiàn)代農(nóng)宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境有效的優(yōu)化方式是：矩形天窗開(kāi)口置于夏季主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向；增大矩形天窗的高度以加強(qiáng)天井拔風(fēng)效果；首層廳堂開(kāi)啟外窗，形成良好的風(fēng)壓通風(fēng)。

3）無(wú)天井現(xiàn)代農(nóng)宅可用局部架空的方式改善室內(nèi)外熱環(huán)境，隨著底層架空率的增加，1.5 m高度處的室外平均溫度降低，平均風(fēng)速增大。架空部位對(duì)優(yōu)化效果也有一定的影響，南向架空最佳，依次是西向、東西和北向。

4）現(xiàn)代農(nóng)宅屋頂構(gòu)造加設(shè)30 mm XPS隔熱層后，有天井多層住宅節(jié)能率為26.6%，無(wú)天井多層住宅全年的節(jié)能率可達(dá)34.1%。

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（編輯胡英奎）

2015-03-14

National Natural Science Foundation of China（No.51388005）

Author brief：Jin Ling（1980- ），Ph D，main research interests：thermal environment and energy saving，（E-mail）jinling＿208＠126.com.

Optimization analysis on indoor thermal environment of rural residential buildings in Guangdong Province

JinLing1，ZhaoLihua2，MengQinglin2，LiKunming2，WangHao2
（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，P.R.China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，P.R.China）

New-built rural residential buildings in Guangdong province have the tendency of multilayer and courtyard disappearance，resulting in the change of the indoor thermal environment.Three typical buildings are selected to measure the parameters of indoor thermal environment in order to understand the status quo of indoor thermal environment in new-built rural residential buildings in Guangdong.It＇s found that there are several defects count against indoor thermal environment on the basis of comparative analysis.Thus，optimizations were made for design strategies such as shading，insulation and natural ventilation in low-rise buildings with／without patios.There are effective measures to improve the indoor thermal environment in summer of low-rise buildings with patios like the shading roof，increasing height of skylight and skylight placed under the wind direction.Numerical analysis was conducted to quantify the energy and comfort performance of these design strategies.Stilt floor was found to be a good way to build semi-open spaces in low－rise buildings without patios.

rural residential building；thermal environment；courtyard；computer-aided analysis

TU111.3

A

1674-4764（2015）03-0116-11

10.11835／j.issn.1674-4764.2015.03.016

2015-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金（51388005）

金玲（1980-），女，博士，主要從事建筑熱環(huán)境與節(jié)能研究，（E-mail）jinling＿208＠126.com。