不同房屋朝向的能耗影響研究

【摘要】本文研究了成都地區(qū)晴朗的夏至日日中至日落時(shí)間段內(nèi)西向和南向房屋保持室內(nèi)舒適溫度的能耗區(qū)別。室內(nèi)溫度變化的因素主要包括空氣對(duì)流引起的熱交換、墻體等受熱區(qū)域溫度升高對(duì)室內(nèi)造成的熱傳導(dǎo)和太陽(yáng)光和其它熱源對(duì)室內(nèi)造成的熱輻射，其中太陽(yáng)光線(xiàn)直接造成的熱輻射影響較大。朝西的住宅在夏季下午陽(yáng)光入社角度大，照射時(shí)間長(zhǎng)，造成室內(nèi)溫度快速上升，為了調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度而大量使用空調(diào)將大大提高建筑能耗。本文對(duì)特定時(shí)間西向和南向住宅所受的日照輻射量進(jìn)行量化計(jì)算，從而進(jìn)一步推算室內(nèi)溫度變化和保持舒適溫度所產(chǎn)生的能耗差異讓人可以直觀和深刻的了解房屋朝向差異造成的能耗影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)房屋朝向?qū)δ芎牡挠绊懱岢鼍植扛倪M(jìn)建議，促進(jìn)成都市建筑能耗的降低，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】能耗；熱輻射影響；建筑布局；建筑朝向；建筑節(jié)能；降低用電量；朝向與能耗差異

受極端高溫天氣影響，今年8月，成都電網(wǎng)負(fù)荷第十余次刷新歷史記錄、最大用電負(fù)荷超過(guò)1100萬(wàn)千瓦，較去年增長(zhǎng)大幅躍升約20%，成都地區(qū)3座500kV變電站重載運(yùn)行、17座220千伏變電站、22座110千伏變電站滿(mǎn)載或重載運(yùn)行。中心城區(qū)高新、南部、西南部片區(qū)，郊縣的雙流、大邑、邛崍、崇州、溫江片區(qū)供電形勢(shì)非常緊張，供電壓力巨大，電力部門(mén)采取了限制工業(yè)用電保障居民用電，局部地區(qū)實(shí)行輪流限電等措施，給工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來(lái)了極大的不便。

電力負(fù)荷的上升最主要的原因在于居民空調(diào)用電的大幅增加，在氣溫一定的情況下，建筑本身是否節(jié)能則是空調(diào)用電變化的主要因素。影響建筑節(jié)能的因素很多，包括建筑材料是否使用了保溫節(jié)能的材料，建筑布局和設(shè)計(jì)是否充分考慮了通風(fēng)散熱的因素，建筑朝向是否合理等。從筆者在各地游歷學(xué)習(xí)的觀察來(lái)看，我國(guó)的大部分城市對(duì)于建筑的朝向都十分重視，特別是北方城市，南向、男偏東的建筑最受歡迎，在北方城市基本沒(méi)有北向建筑，在南方城市基本沒(méi)有西向建筑，而成都市并未對(duì)建筑朝向方面進(jìn)行嚴(yán)格要求，特別是較新的住宅小區(qū)出現(xiàn)了大量西向住宅，西曬現(xiàn)象嚴(yán)重，建筑能耗大幅增加。

在影響建筑能耗的幾個(gè)因素上，建筑材料的選取受到造價(jià)的限制可調(diào)節(jié)的范圍較小，改進(jìn)建筑設(shè)計(jì)、優(yōu)化建筑朝向則是相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理的方向。筆者查閱了相關(guān)的資料，雖然在很多國(guó)家、部門(mén)的規(guī)定中有很多關(guān)于建筑日照方面的要求，但少有人能夠從量化的角度論述不同朝向房屋在能耗方面的具體差異。本文的目的在于通過(guò)對(duì)能耗差異的量化測(cè)算讓更多的普通人能夠了解房屋朝向?qū)ㄖ芎牡挠绊?，從而影響?gòu)買(mǎi)者對(duì)房屋的選擇，進(jìn)而引導(dǎo)市場(chǎng)推出更多更加節(jié)能的建筑，實(shí)現(xiàn)低碳生活。

1、理論計(jì)算

1.1基本概念

太陽(yáng)輻射總量：地球表面某一觀測(cè)點(diǎn)水平面上接收太陽(yáng)的直射輻射與太陽(yáng)散射輻射的總和。

太陽(yáng)高度角：是指某地的太陽(yáng)光線(xiàn)與當(dāng)?shù)氐仄矫娴乃坏淖钚【€(xiàn)面角，這是以太陽(yáng)視盤(pán)面的幾何中心和理想地平線(xiàn)所夾的角度。

太陽(yáng)方位角：太陽(yáng)在方位上的角度，它通常被定義為從北方延著地平線(xiàn)順時(shí)針量度的角。

空氣比熱：是熱力學(xué)中常用的一個(gè)物理量，表示物體吸熱或散熱能力。比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越強(qiáng)。它指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量。其國(guó)際單位制中的單位是焦耳每千克開(kāi)爾文[J/（ kg · K ）]，即令1公斤的物質(zhì)的溫度上升1開(kāi)爾文所需的能量。

1.2計(jì)算原理

本次計(jì)算的前提條件為室外溫度恒定，且計(jì)算過(guò)程中只考慮因太陽(yáng)輻射造成的室內(nèi)溫度變化，計(jì)算也不考慮隨著室內(nèi)溫度升高室內(nèi)對(duì)外散熱速度可能加快等方面的影響。

在計(jì)算過(guò)程中，首先計(jì)算對(duì)象房屋在設(shè)定時(shí)間內(nèi)從太陽(yáng)接受的輻射熱總量，再根據(jù)室內(nèi)空氣的質(zhì)量和比熱容，從而計(jì)算出室內(nèi)溫度的變化值。

本次計(jì)算對(duì)比了其它條件均相同的南向建筑和西向建筑在同一時(shí)間段內(nèi)不同的溫度變化情況，最后根據(jù)確定的空調(diào)制冷效率計(jì)算出達(dá)到舒適的室內(nèi)溫度所需要的能耗差異。

1.3計(jì)算過(guò)程

（1）房屋模型的選取

本次計(jì)算選擇室內(nèi)面積90㎡、建筑平均層高為2.8米，開(kāi)窗面積，房屋體積為252m3的理想建筑作為分析對(duì)象，除開(kāi)窗方向不同以外，分析對(duì)象的其他要素均相同。

（2）太陽(yáng)總輻射量

成都位于四川中部地區(qū)，太陽(yáng)輻射的總量取上下限平均值4410Mj/m2，由于夏季太陽(yáng)高度角較高，夏季的太陽(yáng)輻射量取值比平均值高20%，則可以計(jì)算成都地區(qū)夏季單位小時(shí)每平方米地面輻射量為：

4410*1000/365*24*120%=604kJ/㎡*h

即夏季成都地區(qū)受到太陽(yáng)直射的每平米地表每小時(shí)的太陽(yáng)輻射總量為604kj。

（3）不同朝向窗戶(hù)在日中至日落期間接受的太陽(yáng)輻射量

成都緯度為30。67′夏至日成都日中時(shí)間為13：05：36，日落時(shí)間為20：09：23，日中時(shí)太陽(yáng)高度角為82°19′，即正午12點(diǎn)，太陽(yáng)光與南向窗戶(hù)的夾角為7°41′，此時(shí)與西向窗戶(hù)的夾角為0°，日中至日落期間，南向窗戶(hù)與太陽(yáng)光線(xiàn)之間的夾角保持在7°41′，而西向建筑與陽(yáng)光的夾角則由0。逐漸增加值82°19′，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在該時(shí)間段內(nèi)，取太陽(yáng)的平均入攝角度為41°9′。

南向窗戶(hù)的透過(guò)率取15%，吸收并到釋放到室內(nèi)與透過(guò)的熱量合計(jì)取20%；西向窗戶(hù)的透過(guò)率取70%，吸收并到釋放到室內(nèi)與透過(guò)的熱量合計(jì)取75%。

則南向窗戶(hù)在日中至日落期間吸收的總熱量為：604*9*7*sin7°41′*0.2=989Kj

西向窗戶(hù)在日中至日落期間吸收的總熱量為：604*9*7*sin41°9′*0.75=28539Kj

西向窗戶(hù)接收的熱量約等于南向窗戶(hù)接收熱量的18倍。

（4）室內(nèi)溫度上升所需熱量的計(jì)算

25℃空氣的比熱容為1012（下轉(zhuǎn)220頁(yè)）（上接218頁(yè)）J/kg*k，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣密度為1.29kg/m3，室內(nèi)空氣沒(méi)上升一度所需要的熱量為：

1.29*252*1012/1000=328Kj

即室內(nèi)空氣溫度上升1℃，需要的熱量328Kj。

在不考慮散熱的情況下，理論上，9m2西向窗戶(hù)在日中至日落期間吸收的熱量可以使室內(nèi)溫度上升28539/328=87℃

（5）能耗差異計(jì)算

按照1匹空調(diào)的制冷量2324W計(jì)算，1匹空調(diào)7小時(shí)的制冷量為2324*7/1000=16268w.h，合58564千焦，按照最大功率運(yùn)行則約3.5小時(shí)可以抵消南向窗戶(hù)直接吸收的熱量，耗電0.735kw*3.5h=1.9kwh。即抵消9㎡西向窗戶(hù)日中至日落的吸熱需耗電2度，而同樣大小的南向窗戶(hù)則只需要約0.1度。

2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1實(shí)驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)選擇成都市某小區(qū)兩套戶(hù)型相同、朝向不同的住宅作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)定關(guān)閉門(mén)窗后同一時(shí)間段的室內(nèi)溫度變化率及能耗情況，測(cè)試時(shí)間為下午2點(diǎn)，室外氣溫為35℃，陽(yáng)光充足，無(wú)云層。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，關(guān)閉房屋所有外部門(mén)窗，打開(kāi)戶(hù)內(nèi)房門(mén)，拉開(kāi)窗簾，測(cè)量室內(nèi)溫度，1小時(shí)后再次測(cè)量室內(nèi)溫度，測(cè)得溫度后選擇面積相同、朝向分別為正西和正南的臥室，同時(shí)開(kāi)啟空調(diào)制冷（空調(diào)品牌型號(hào)相同），設(shè)定相同溫度后調(diào)整空調(diào)制冷功率到最大，測(cè)定室內(nèi)溫度降低到設(shè)定溫度的時(shí)間。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)定結(jié)果，開(kāi)始測(cè)試時(shí)室外溫度為35℃，關(guān)閉門(mén)窗后第一次測(cè)量，南向房間室內(nèi)溫度為31.7℃，西向房屋室內(nèi)溫度為33.5℃。1小時(shí)候第二次測(cè)量，南向房屋室內(nèi)溫度為33.8℃，西向房屋室內(nèi)溫度為37.3℃，西向房屋的室內(nèi)溫度高于室外溫度。打開(kāi)所選房間空調(diào)后，南向房屋室內(nèi)溫度在13分鐘后達(dá)到設(shè)定的室內(nèi)溫度26℃并穩(wěn)定，西向房屋在一直保持制冷最大功率的一小時(shí)內(nèi)，室內(nèi)溫度無(wú)法降低至目標(biāo)值，室內(nèi)溫度最低達(dá)到27.5℃。西向房屋的能耗顯著高于南向房屋。

3、結(jié)論與建議

長(zhǎng)期以來(lái)，成都地區(qū)雨霧天氣多、日照不足的認(rèn)識(shí)已經(jīng)深入人心，且由于成都人喜歡到郊外、戶(hù)外休閑在室內(nèi)呆的時(shí)間較少，故而不太重視住宅朝向?qū)幼∈孢m度、能耗方面的影響，這也是成都存在大量西向住宅的原因。但隨著全球氣溫的升高，惡劣高熱天氣頻發(fā)和成都環(huán)境改善以后日照時(shí)間的增加，大量存在的西向建筑將大大提高建筑的能耗，不得不成為我們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。

在未來(lái)的城市建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮西向建筑的能耗影響，盡量避免完全西向的建筑，增加南向和南偏東向的建筑，若必須選用西向建筑是則應(yīng)當(dāng)減少建筑玻璃面和窗戶(hù)的比例，或者選用特殊的隔熱玻璃材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]常靜 ， 李永安.《住宅建筑屋面參數(shù)對(duì)采暖能耗的影響研究》

[2]唐易達(dá) ， 黃濤 ， 張承旺. 《綿陽(yáng)地區(qū)窗墻面積比對(duì)住宅建筑能耗的影響研究》

[3]鐘新.《不同朝向窗墻比對(duì)昆明地區(qū)住宅能耗的影響》

[4]楊金煥 ， 毛家俊 ， 陳中華.《不同方位傾斜面上太陽(yáng)輻射量及最佳傾角的計(jì)算》