遼南地區(qū)農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計

邵 妮 娜，　張 吉 禮，　馬 良 棟

( 大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連　116024 )

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遼南地區(qū)農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計

邵 妮 娜，張 吉 禮，馬 良 棟*

( 大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連116024 )

摘要：面向遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅，對住宅圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、冬季室內(nèi)熱環(huán)境等方面展開實地調(diào)研，提出基于自然室溫的農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計方法，并基于正交試驗設(shè)計通過數(shù)值模擬分析研究圍護結(jié)構(gòu)各參數(shù)、平面布局、住宅體型對室內(nèi)溫度的影響．結(jié)果表明：南向窗墻比是影響室內(nèi)溫度的主要因素，南向窗戶尺寸是農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計的重點．依據(jù)獲得的各參數(shù)最佳組合，提出一套適用于遼寧南部地區(qū)的優(yōu)化住宅，為該地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)提供理論指導(dǎo)．

關(guān)鍵詞：農(nóng)村住宅；住宅優(yōu)化；正交試驗；低能耗；TRNSYS

0引言

近幾年，節(jié)能、低碳、可持續(xù)已成為社會發(fā)展的主流．據(jù)2012年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國建筑總能耗為8.62億tce，農(nóng)村住宅能耗占建筑總能耗的1/3，其單位面積用能11 kgce/m2，更是高于城鎮(zhèn)住宅的單位面積用能9 kgce/m2[1]．農(nóng)村住宅建造不規(guī)范，外墻、屋頂、門窗仍采用傳統(tǒng)做法，圍護結(jié)構(gòu)保溫性能差，冬季冷風(fēng)滲透嚴重等，皆是農(nóng)村用能量大、能耗強度高的主要原因[2-5]．優(yōu)化住宅熱工性能、規(guī)范農(nóng)村住宅建造是降低農(nóng)村住宅能耗、實現(xiàn)農(nóng)村住宅可持續(xù)發(fā)展的重要手段．

本文以遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅為例，在實地調(diào)研了解農(nóng)村住宅現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法分析研究圍護結(jié)構(gòu)各參數(shù)對室內(nèi)溫度的影響，確定室內(nèi)溫度的主次要影響因素及各參數(shù)的最佳組合形式，以此得到適用于遼寧南部地區(qū)的優(yōu)化住宅，為該地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)提供理論指導(dǎo)．

1農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

為獲取農(nóng)村住宅平面布局及圍護結(jié)構(gòu)、建造施工、室內(nèi)熱環(huán)境等情況，課題組于2013年8月面向大連市安波鎮(zhèn)4個典型村102戶住戶展開調(diào)研，并于2014年1月19日至2月25日連續(xù)測試5戶典型傳統(tǒng)住宅臥室溫度，拍攝記錄墻面溫度．

圖1為遼寧南部地區(qū)典型農(nóng)村住宅外觀及室內(nèi)布局形式．從調(diào)研情況來看，遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅外墻、屋頂、門窗等圍護結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)做法．外墻以磚石結(jié)構(gòu)為主，無保溫措施，傳熱系數(shù)約3.24 W/(m2·K)．窗戶多采用單層塑鋼、木質(zhì)窗框，木窗由當?shù)啬竟ぜ庸ざㄗ?，密閉性差，使用一段時間后易發(fā)生變形，冷風(fēng)滲透嚴重，傳熱系數(shù)為3.5～5.8 W/(m2·K)．屋頂以“檁子+椽子”為構(gòu)架，其上敷設(shè)8 mm石瓦，無保溫措施，傳熱系數(shù)約0.95 W/(m2·K)．整體而言，住宅保溫隔熱性能差，不利于營造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境．除此之外，由于住宅進深較短，在5～6 m，不論采用當?shù)剌^常見的“一明兩暗式”或部分住宅采用的“南北通透式”平面布局，北向墻體冷輻射均會直接影響住宅熱環(huán)境，降低室溫．

(a) 　　(b)

圖2給出了測試期間住宅室內(nèi)外溫度分布狀況，農(nóng)村住宅室內(nèi)溫度整體偏低，絕大部分溫度處在9～14 ℃，部分住宅溫度甚至在4～12 ℃，住宅冬季較冷．為改善住宅熱環(huán)境，降低采暖能耗，有必要從影響室內(nèi)溫度的因素著手，對農(nóng)村住宅進行優(yōu)化．

圖2　測試期間住宅室內(nèi)外溫度

2基于自然室溫的農(nóng)村住宅優(yōu)化

2.1研究方法

目前，國內(nèi)外建筑優(yōu)化、改造及設(shè)計大多以建筑冷熱負荷為研究基準，通過設(shè)定室內(nèi)溫度在規(guī)范要求的范圍內(nèi)模擬建筑全年總耗熱量，以耗熱量的大小判斷確定最優(yōu)方案[6-9]．農(nóng)村住宅由于面積小，自身耗熱量相對較低，受模擬計算誤差影響，不同模擬條件下的住宅耗熱量相差不大，因此對于農(nóng)村住宅而言，通過判定耗熱量大小確定住宅是否最優(yōu)并不理想．

被動式住宅旨在通過提高住宅自身性能而非過多依賴其他手段降低能源消耗量，使室內(nèi)溫度滿足住戶要求，室內(nèi)溫度不能滿足要求時再在此基礎(chǔ)之上借助其他手段．當住宅無采暖時，室內(nèi)溫度的高低反映出住宅的性能優(yōu)劣，此時室內(nèi)溫度即為自然室溫，其數(shù)值越高，住宅性能越好．在東北農(nóng)村，受生活模式、生活習(xí)慣的影響，農(nóng)戶對不同房間的溫度需求不同[10]，主臥的溫度需求明顯高于其他房間．這就要求農(nóng)村住宅設(shè)計時，應(yīng)盡量提高主臥溫度．為此本文在住宅無熱源情況下進行模擬，以各房間自然溫度作為模擬目標，通過比較模擬目標值確定住宅最優(yōu)方案．

建筑室內(nèi)溫度的影響因素眾多，涉及墻體、屋頂、門窗等建筑圍護結(jié)構(gòu)、平面布局、體型系數(shù)等，而體型系數(shù)又受住宅進深、開間、高度控制，若每個因素有3種取值，則共有37種方案，即2 187種，若采用能耗模擬軟件進行研究則意味著相當大的工作量．為降低模擬分析工作量，提高研究效率，這里采用正交試驗指導(dǎo)模擬．

2.2正交試驗設(shè)計

正交試驗?zāi)芊褚陨倭康脑囼灤螖?shù)較準確地反映結(jié)果，關(guān)鍵在于因素及對應(yīng)水平值的選取[11-12]．考慮到初期對問題的簡化以及研究時間、模擬規(guī)模，選定9個影響因素，表1給出了模擬因素及水平．根據(jù)選取的因素及水平選用L18(2×37)正交表．

表1　正交試驗?zāi)M因素及對應(yīng)水平

2.3模擬工況

本文采用TRNSYS(transient system simulation program，瞬時系統(tǒng)模擬程序)軟件進行研究，TRNSYS最初由美國威斯康星大學(xué)開發(fā)設(shè)計，后經(jīng)歐洲一些研究所逐步完善，是目前使用較廣、可靠性較高的商業(yè)軟件．建筑模型平面布局采用遼寧南部地區(qū)農(nóng)村最常見的典型四間房形式(平面圖見圖1(b))，外墻為300 mm水泥實心磚，砂漿厚20 mm；屋頂為鋼筋混凝土，屋面敷設(shè)灰色玻纖瓦；采用EPS(聚苯板)保溫，受其價格及傳熱系數(shù)變化率的綜合制約，外墻、屋頂?shù)谋貙舆x用投入產(chǎn)出比較高的40、60、80 mm 3種厚度；窗戶類型共3種，單框單層塑鋼、雙框單層塑鋼、單框雙層塑鋼．氣象參數(shù)取軟件自帶的大連典型氣象年數(shù)據(jù)．農(nóng)村住宅屬低層建筑，冷風(fēng)滲透可忽略熱壓，只考慮風(fēng)壓作用，通過滲透次數(shù)來確定，其數(shù)值為房間不同朝向的冷風(fēng)滲透空氣量與該房間體積之比，其中冷風(fēng)滲透空氣量為當?shù)厥彝馄骄L(fēng)速下每米門窗縫隙滲入室內(nèi)的空氣量、門窗縫隙計算長度與滲透空氣量的朝向修正系數(shù)三者之積．模擬在住宅無熱源情況下進行，即自然室溫下，其結(jié)果以建筑主臥平均自然溫度及其他房間平均自然溫度為指標，采用綜合平衡法對結(jié)果進行分析．綜合平衡法先對單項指標進行分析，找出各項指標較優(yōu)的水平值，再將各項指標較優(yōu)的水平值綜合平衡，進而確定兼顧各項指標都盡可能好的因素組合．

2.4試驗結(jié)果分析討論

表2給出了基于TRNSYS軟件模擬得到的采暖季(12月至次年3月)住宅主臥及其他房間平均溫度情況．

在上述模擬方案中，17號試驗主臥平均溫度及其他房間平均溫度均達到最大值，然而由于進行的18次試驗僅占全面試驗2×37=4 374的1/243，通過直接對比得到的最優(yōu)因素組合并不一定是全面試驗中最好的組合．極差分析通過分組控制其他因素在各組中出現(xiàn)的頻數(shù)相同以保證其對指標影響對等，通過比較待研究因素各水平對應(yīng)指標和的大小確定該因素不同水平的優(yōu)劣程度，通過對比各因素極差大小確定因素對指標的影響程度．具體如下：若要求指標越大越好，則指標和最大時對應(yīng)的水平值即為該因素的好水平；因素極差越大，表明該因素對指標影響程度越大．該分析方法在比較某一因素不同水平優(yōu)劣程度及不同因素對指標的影響程度時消除了其他因素對指標的影響，較直接對比法能得到更為全面的結(jié)論．極差分析結(jié)果見表3．

表2　正交試驗的室內(nèi)溫度模擬結(jié)果

表3　正交試驗極差分析結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)：

(1)圍護結(jié)構(gòu)、平面布局等不同因素對住宅室內(nèi)溫度的影響程度不同，本文中農(nóng)村住宅各因素對室內(nèi)主臥溫度的影響程度依次為南向窗墻比(D)>輔助房間進深(G)>住宅進深(F)>屋頂保溫層厚度(B)>外墻保溫層厚度(A)>窗戶類型(C)>北向窗墻比(E)>住宅高度(H)；對輔助房間溫度的影響程度依次為南向窗墻比(D)>屋頂保溫層厚度(B)>窗戶類型(C)>外墻保溫層厚度(A)>住宅進深(F)>北向窗墻比(E)>輔助房間進深(G)>住宅高度(H)．對住宅主臥溫度、其他房間溫度而言，南向窗墻比均為主要影響因素，因此對住宅進行優(yōu)化設(shè)計時，優(yōu)化重點為南向窗戶尺寸．

(2)因素D(南向窗墻比)、G(輔助房間進深)、F(住宅進深)、A(外墻保溫層厚度)、C(窗戶類型)、E(北向窗墻比)、H(住宅高度)分別取D3、G3、F1、A3、C3、E1、H2時，住宅主臥溫度、其他房間溫度均達到各因素對應(yīng)的最大值；因素B(屋頂保溫層厚度)對其他房間溫度為主要影響因素，對主臥溫度為次要影響因素，由綜合平衡法的一般原則可知當各指標的重要性不一樣時，選取水平應(yīng)保證重要的指標[11]，故取B3．經(jīng)綜合平衡，最后得到的較優(yōu)的組合為A3B3C3D3E1F1G3H2．該優(yōu)化組合條件下，采暖期間住宅主臥平均溫度為5.91 ℃，其他房間平均溫度為4.30 ℃，均高于表2中18次模擬溫度．

3農(nóng)村住宅優(yōu)化對比

3.1優(yōu)化方案選取

由綜合平衡法得到的優(yōu)化組合具體如下：外墻保溫層厚度為80 mm、屋頂保溫層厚度為80 mm、單框雙層塑鋼、南向窗墻比30%、北向無窗、住宅進深6 m、輔助房間進深2 m、住宅高度3 m．理論上該優(yōu)化組合為全面試驗的最優(yōu)組合形式，然而住宅優(yōu)化設(shè)計時還需考慮實際情況．上述優(yōu)化組合中，北向無窗，只能通過相鄰房間透過的光提高亮度，房間較暗，不能滿足農(nóng)戶對住宅亮度的需求．另外研究表明，建筑總進深越小對提高室內(nèi)主要房間溫度越有利，但在北向輔助房間進深一定時，南向主要房間的進深也隨之減小，狹小的空間使得農(nóng)戶日?；顒邮芟蓿疄樘岣叻块g亮度、滿足農(nóng)戶對主要房間面積的基本需求，對優(yōu)化組合參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整后的方案為北向墻體設(shè)窗戶，窗戶面積盡可能小，窗墻比取10%，住宅進深為7 m，其他參數(shù)均不變．調(diào)整后的優(yōu)化方案中，采暖期間住宅主臥平均溫度為5.33 ℃，其他房間平均溫度為3.77 ℃．室內(nèi)溫度較最優(yōu)方案有所降低，但較已進行的18次試驗均高，可認為調(diào)整后的方案較優(yōu)，且調(diào)整后的優(yōu)化方案中房間亮度提高，更貼近農(nóng)戶對住宅亮度需求．調(diào)整后的優(yōu)化方案平面圖見圖3．

圖3　農(nóng)村住宅優(yōu)化平面圖

3.2優(yōu)化效果

傳統(tǒng)住宅、優(yōu)化住宅、設(shè)計標準圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、體型系數(shù)對比見表4．較傳統(tǒng)農(nóng)村住宅而言，優(yōu)化后的住宅增設(shè)保溫層，熱工性能得到提高；住宅進深、高度變大，體型系數(shù)減小，降低了單位面積耗熱量；平面布局由簡單的南北通透式轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧牟季中问?，輔助房間的存在相當于在南向主要房間與北向墻體之間增設(shè)溫度緩沖空間，南向主要房間溫度提高了近4 ℃．圖4給出了傳統(tǒng)住宅與優(yōu)化住宅在1 d內(nèi)的室內(nèi)溫度對比情況．

表4　傳統(tǒng)住宅、優(yōu)化住宅、設(shè)計標準圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、體型系數(shù)對比

注：燒炕時間為早上7:00～8:00，中午10:00～10:30，晚上16:00～17:00

4結(jié)語

本文提出以溫度為參考標準的住宅優(yōu)化設(shè)計方法，以室內(nèi)溫度作為模擬目標，基于TRNSYS數(shù)值計算軟件模擬研究建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、住宅體型等對室內(nèi)溫度的影響，通過對比各試驗工況下室內(nèi)溫度變化情況，確定了影響室內(nèi)溫度的主次因素：對于農(nóng)村住宅主臥而言，南向窗墻比為主要影響因素，其次為輔助房間進深、住宅進深、屋頂保溫層厚度，北向窗墻比和住宅高度對主臥溫度影響非常??；對其他次要房間而言，南向窗墻比仍然為主要影響因素，其次為屋頂保溫層厚度、窗戶類型、外墻保溫層厚度、住宅進深及北向窗墻比，輔助房間進深和住宅高度對其影響很?。绊懯覂?nèi)溫度的主次因素的確定為住宅優(yōu)化設(shè)計找到了行之有效的突破口，設(shè)計人員在住宅優(yōu)化設(shè)計時可根據(jù)各因素的主次順序來確定重點優(yōu)化部位．另外，本文提出的優(yōu)化住宅較傳統(tǒng)住宅圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、平面布局、體型系數(shù)均有改善，且主要房間溫度提高了近4 ℃，可作為遼寧南部地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)的參考．

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文章編號：1000-8608(2016)04-0390-06

收稿日期：2015-12-23；修回日期: 2016-05-12．

基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAJ10B02-03).

作者簡介:邵妮娜(1989-)，女，博士生，E-mail:shaonina2012@163.com；馬良棟*(1976-)，男，副教授，E-mail:liangdma@dlut.edu.cn.

中圖分類號：TU111.195

文獻標識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201604010

SHAONi-na,ZHANGJi-li,MALiang-dong*

( School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Abstract：Aiming at rural residence in southern region of Liaoning province, a site survey is carried out on thermal performance of building envelops and indoor thermal environment in winter.And rural residential optimization design method based on natural indoor temperature is given. The influence of parameters of building envelope, plane layout and building shape on indoor temperature is studied through numerical simulation by using orthogonal experimental design. The simulation results indicate that south window to wall ratio is the main factor that influences indoor temperature and the size of south window is the key point for rural residential optimization design. According to the obtained optimal combination of parameters, an optimized residence is proposed, which can be applied to southern region of Liaoning province. It will provide theoretical guidance to new rural construction in this region.

Key words：rural residence; residential optimization; orthogonal experiment; low energy consumption; TRNSYS