圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)渝西農(nóng)村民居空調(diào)能耗的影響

趙 倩 林建泉 黃 忠 段 旻

?

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)渝西農(nóng)村民居空調(diào)能耗的影響

趙 倩1林建泉2黃 忠2段 旻1

（1.重慶大學(xué)城市科技學(xué)院 重慶 402167； 2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045）

選取重慶渝西農(nóng)村民居建筑的典型設(shè)計(jì)方案作為研究對(duì)象，通過(guò)能耗模擬軟件DeST-h對(duì)給定建筑4個(gè)能耗影響因子3種水平進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，利用極差的大小評(píng)價(jià)各因數(shù)對(duì)指標(biāo)值的影響程度，并通過(guò)方差分析，比較各因素、各水平的顯著性。結(jié)果表明，外窗的主效應(yīng)顯著（顯著性=0.035，<0.05），對(duì)建筑能耗有較大影響，窗墻比次之（顯著性=0.054，0.05<<0.1），對(duì)建筑能耗有一定的影響，而外墻和屋面的影響則較小，即各因素的主次順序?yàn)椋和獯?窗墻比>外墻>屋面。經(jīng)分析后得出的最佳方案，其建筑能耗模擬結(jié)果與基準(zhǔn)建筑比較，綜合節(jié)能率可高達(dá)39.8%。

能耗模擬；正交試驗(yàn)；方差分析；節(jié)能率

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村居住建筑采用采暖空調(diào)設(shè)備的情況日益普遍，但由于沒(méi)有科學(xué)的設(shè)計(jì)，缺乏相關(guān)建造技術(shù)規(guī)范，加之設(shè)計(jì)和建筑水平較低，導(dǎo)致該地區(qū)的建筑能耗逐年上升[1-3]。因此，在保證農(nóng)村居住建筑使用功能和室內(nèi)熱舒適性要求的前提下，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、合理設(shè)計(jì)外窗和窗墻比等技術(shù)措施對(duì)改善該地區(qū)農(nóng)村居住建筑熱舒適性、降低建筑能耗、提高建筑中的能源利用效率尤為重要。

筆者以重慶渝西農(nóng)村典型居住建筑為例，基于正交試驗(yàn)方法，綜合考慮該地區(qū)資源情況及農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求，選取常用幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法形成正交模擬試驗(yàn)方案，利用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的全年動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件DeST-h（Designer’s Simulation Toolkit Home）對(duì)給定建筑進(jìn)行全年能耗模擬，并通過(guò)直觀分析和方差分析，確定各因素對(duì)該地區(qū)農(nóng)村居住建筑全年能耗的影響程度，比較各因素、各水平的顯著性，以期為該地區(qū)農(nóng)村既有建筑的節(jié)能改造和新建住宅的節(jié)能設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 能耗模擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]和JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]的要求，夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工節(jié)能設(shè)計(jì)，外墻可選擇自保溫、外保溫或內(nèi)保溫三種構(gòu)造形式，屋面可采用木屋架坡屋面、鋼筋混凝土坡屋面或通風(fēng)隔熱屋面三種形式，同時(shí)也對(duì)各朝向窗墻比進(jìn)行了限制。改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變窗墻比會(huì)影響建筑能耗[6]，因此，筆者根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，綜合考慮重慶渝西地區(qū)當(dāng)?shù)刭Y源情況及農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求，選取常用幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法進(jìn)行比較研究，具體構(gòu)造及熱工參數(shù)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)表

進(jìn)行建筑能耗模擬時(shí)，選取以上4個(gè)因數(shù)，若每個(gè)因數(shù)取3個(gè)水平，如表1所示，則需做64次模擬試驗(yàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，本文采用正交試驗(yàn)法簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，提高效率。表2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)、窗墻比等各因素和水平取值。根據(jù)表2可知，選用L9（34）型正交表，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[7]，將各參數(shù)輸入相應(yīng)位置，可得出模擬試驗(yàn)方案共計(jì)9組，具體如表3所示。

表2 因素及水平取值

表3 正交試驗(yàn)計(jì)劃表

2 計(jì)算模型

2.1 建筑信息

選取重慶渝西地區(qū)農(nóng)村民居建筑中的一種典型設(shè)計(jì)方案作為研究對(duì)象，該建筑坐北朝南，共2層，一層層高為3.3m，二層層高為3m，建筑空調(diào)總面積為213.3m2，其建筑平面圖如圖1所示。

2.2 模型簡(jiǎn)化

為了滿足DeST-h的建模要求，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)原有建筑物理模型作一些簡(jiǎn)化：

（1）曬臺(tái)和檐廊的簡(jiǎn)化：由于曬臺(tái)和檐廊都是敞開(kāi)的，與室外空間直接接觸，故在建模時(shí)將其直接簡(jiǎn)化為室外處理。

（2）陽(yáng)臺(tái)的簡(jiǎn)化：由于敞開(kāi)式陽(yáng)臺(tái)作為室內(nèi)空間向室外空間的延伸，與室外空間直接接觸，雖不是封閉空間，但仍存在陽(yáng)臺(tái)圍墻，故建模時(shí)將陽(yáng)臺(tái)簡(jiǎn)化為室外處理，把陽(yáng)臺(tái)圍墻簡(jiǎn)化為室內(nèi)與陽(yáng)臺(tái)連接的門(mén)窗的水平外遮陽(yáng)設(shè)施[8]。

（3）樓梯間的簡(jiǎn)化：由于樓梯間與堂屋未設(shè)置隔斷，所以將樓梯間和堂屋視為一個(gè)房間。

經(jīng)簡(jiǎn)化后，在DeST-h中的模型如圖2所示。

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1 室內(nèi)熱擾參數(shù)設(shè)定

在建筑能耗模擬計(jì)算中，建筑物室內(nèi)發(fā)熱量通常采用人體、照明和設(shè)備這三種熱源作為代表[9]，由于這三種熱源作用于室內(nèi)熱環(huán)境的方式不同，因此對(duì)其室內(nèi)發(fā)熱量的描述方式也不一樣。根據(jù)規(guī)范[4,5]要求，綜合考慮建筑戶型、房間功能、家庭人員以及家庭結(jié)構(gòu)四因素，室內(nèi)熱擾參數(shù)取值情況見(jiàn)表4。

表4 室內(nèi)熱擾參數(shù)取值情況

備注：儲(chǔ)藏間按空房間處理。

2.3.2 通風(fēng)參數(shù)及作息設(shè)定

對(duì)于住宅建筑，自然通風(fēng)的合理利用不僅可以保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且還可以降低建筑能耗。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果[10,11]發(fā)現(xiàn)，在夏熱冬冷地區(qū)，多數(shù)人在過(guò)渡季和夏季會(huì)傾向于通過(guò)開(kāi)啟門(mén)窗來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，而在冬季則會(huì)通過(guò)關(guān)閉門(mén)窗開(kāi)啟空調(diào)來(lái)滿足室內(nèi)熱舒適性要求。因此，在DeST-h模擬建筑能耗時(shí)的通風(fēng)設(shè)定中，只考慮房間與室外的通風(fēng)，在關(guān)窗時(shí)風(fēng)量取0.5次/時(shí)，開(kāi)窗時(shí)風(fēng)量取10次/h[12]，具體通風(fēng)風(fēng)量及作息設(shè)定情況見(jiàn)表5。

表5 通風(fēng)風(fēng)量及作息設(shè)定情況

2.3.3 空調(diào)參數(shù)及作息設(shè)定

本模型中，只有臥室（主/次臥）和起居室設(shè)定為空調(diào)房間，其余均為非空調(diào)房間?？照{(diào)參數(shù)設(shè)定參照J(rèn)GJ 134—2010標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]：夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃，空調(diào)制冷開(kāi)啟溫度上限為29℃，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃，空調(diào)制熱開(kāi)啟溫度為16℃，濕度上限為65%，濕度下限為30%，空調(diào)計(jì)算期為當(dāng)年6月15日至8月31日，采暖計(jì)算期為當(dāng)年12月1日至次年2月28日。人員、燈光、設(shè)備以及空調(diào)作息設(shè)定情況如表6所示。

表6 人員、燈光、設(shè)備以及空調(diào)作息設(shè)定情況

備注：廚房和衛(wèi)生間的作息時(shí)間均按系統(tǒng)缺省狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

2.4 模擬結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)置條件，通過(guò)DeST-h對(duì)給定建筑進(jìn)行模擬計(jì)算，可得出各試驗(yàn)工況下給定建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，其結(jié)果匯總見(jiàn)表7。

表7 不同試驗(yàn)工況模擬結(jié)果匯總表

3 結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析通常有兩種方法，一種是直觀分析法，也稱極差分析法，另一種是方差分析法[13]。筆者分別采用這兩種方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 直觀分析

圖3為外墻、外窗、屋面和窗墻比各因素與全年累計(jì)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷和冷熱負(fù)荷之間的關(guān)系圖。根據(jù)四個(gè)極差數(shù)的大小，可看出各個(gè)因數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

圖3 因素與不同指標(biāo)關(guān)系圖

對(duì)全年累計(jì)冷負(fù)荷而言，各因素的影響程度：窗墻比>外窗>外墻>屋面，其中窗墻比的極差最大，其次是外窗，說(shuō)明窗墻比和外窗對(duì)該地區(qū)農(nóng)村居住建筑夏季冷負(fù)荷的影響是主要的。相比之下，外墻和屋面的影響較小。同理，可看出，各因素對(duì)全年累計(jì)熱負(fù)荷的影響程度排序?yàn)椋和獯?外墻>屋面>窗墻比，其中外窗的極差最大，其次是外墻，說(shuō)明對(duì)該地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季熱負(fù)荷影響較大的是外窗和外墻，而屋面和窗墻比的影響則較小。而對(duì)于全年冷熱總負(fù)荷而言，其影響程度為：外窗>窗墻比>外墻>屋面，即外窗和窗墻比對(duì)該地區(qū)農(nóng)村居住建筑全年冷熱總負(fù)荷的影響較大。

從圖3各因素的變化趨勢(shì)還可直觀看出，當(dāng)僅考慮夏季冷負(fù)荷時(shí)，最優(yōu)方案為A3、B3、C1、D1；當(dāng)僅考慮冬季熱負(fù)荷，最優(yōu)方案為A2、B3、C1、D1；若綜合考慮全年冷熱總負(fù)荷，最優(yōu)方案則為A3、B3、C1、D1。

3.2 方差分析

直觀分析主要通過(guò)極差的大小來(lái)評(píng)價(jià)各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度，但無(wú)法分析各因素水平變化對(duì)指標(biāo)值的顯著差別，也無(wú)法區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異是因各因素所取水平的不同而引起，還是因存在試驗(yàn)誤差而引起[14]。方差分析是將試驗(yàn)條件不同所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與偶然因素所引起的試驗(yàn)結(jié)果的差異進(jìn)行區(qū)分，可以彌補(bǔ)直觀分析上的不足。

表8 方差數(shù)據(jù)分析結(jié)果

在正交設(shè)計(jì)中，若無(wú)重復(fù)實(shí)驗(yàn)且無(wú)空白項(xiàng)時(shí)，常選取極差或均方最小值作為誤差估計(jì)[15]。以全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷為指標(biāo)值，由圖3可知，屋面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響最小，可把它當(dāng)作誤差估計(jì)，用以檢驗(yàn)其他因素作用的顯著性，方差數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表8?？梢钥闯觯蛩谹的主效應(yīng)最顯著，即外窗對(duì)全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷有較大的影響（顯著性=0.035，<0.05），其次是窗墻比，它對(duì)全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷也有一定的影響（=0.054，0.05<<0.1），而外墻對(duì)全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷影響不大（=0.479，>0.1）。

正交試驗(yàn)中，不僅需要考慮各因素對(duì)指標(biāo)值的顯著性，還應(yīng)該考慮單個(gè)因素各水平之間對(duì)指標(biāo)值的顯著性。因外窗和窗墻比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，其主效應(yīng)較顯著，因此以外窗和窗墻比這兩個(gè)因素進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 外窗和窗墻比的單因素均值和配對(duì)比較

圖4（a）可以看出，B3均數(shù)最小，且B3

圖4（b）可以看出，D1均數(shù)最小，且D1

綜合以上方差分析結(jié)果可知，各因數(shù)水平對(duì)建筑全年冷熱總負(fù)荷指標(biāo)影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篈3>A2>A1，B3>B2>B1，C1>C2>C3，D1>D2>D3，其中B因素（外窗）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，D因素（窗墻比）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，而外墻和屋面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大，其各因素的主次順序?yàn)锽>D>A>C，即外窗>窗墻比>外墻>屋面，因此，可確定最佳方案為A3、B3、C1、D1，這與極差分析的結(jié)果是一致的。

3.3 最佳方案節(jié)能率

重慶渝西地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，需要兼顧夏季供冷和冬季供暖，因此，應(yīng)以全年冷熱總負(fù)荷作為考量指標(biāo)更為合理。根據(jù)上述分析得出的最優(yōu)方案的參數(shù)要求，利用DeST-h對(duì)給定建筑進(jìn)行能耗模擬，并將結(jié)果與基準(zhǔn)建筑模擬結(jié)果進(jìn)行比較，具體見(jiàn)圖5。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并結(jié)合農(nóng)村實(shí)際情況，基準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下：外墻傳熱系數(shù)取1.5W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取0.8W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)取3.2W/(m2·K)，窗墻比取0.3，其余熱工參數(shù)與表1相同。

圖5 最佳方案與基準(zhǔn)建筑結(jié)果比較

圖5可以看出，采用最佳方案較基準(zhǔn)建筑，全年累計(jì)冷負(fù)荷節(jié)能率達(dá)到39.6%，全年累計(jì)熱負(fù)荷節(jié)能率達(dá)到40.1%，全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷綜合節(jié)能率可達(dá)39.8%。由此可以看出，合理改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)和改變窗墻比等措施將有利于提高建筑能源利用率。

4 結(jié)論

以重慶渝西地區(qū)農(nóng)村民居建筑中的典型設(shè)計(jì)方案作為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源情況，選取GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)能耗模擬軟件DeST-h對(duì)給定建筑4個(gè)能耗影響因子3種水平進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

（1）窗墻比對(duì)建筑夏季冷負(fù)荷的影響最大，而對(duì)冬季熱負(fù)荷的影響則最小，因此，在滿足采光前提下可通過(guò)減少窗墻比來(lái)降低夏季冷負(fù)荷，提高節(jié)能率。

（2）外窗對(duì)建筑夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷的影響均較大。因此建筑在兼顧夏季供冷和冬季供暖時(shí)，需注意夏季通風(fēng)散熱，冬季防風(fēng)保溫。

（3）外墻對(duì)建筑冬季熱負(fù)荷的影響較對(duì)夏季冷負(fù)荷的影響大，而屋面對(duì)建筑夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷的影響均較小。

（4）綜合考慮全年冷熱總負(fù)荷，外窗的主效應(yīng)顯著（=0.035，<0.05），對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響；窗墻比次之（=0.054，0.05<<0.1），對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，而外墻和屋面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大，即各因素的主次順序?yàn)椋和獯?窗墻比>外墻>屋面。

（5）通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果分析得出的最佳方案，較基準(zhǔn)建筑，其全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷綜合節(jié)能率可高達(dá)39.8%。因此，合理改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)和改變窗墻比等措施有利于提高建筑能源利用率。

[1] 楊子江.夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2013.

[2] 鄒瑜,宋波,劉晶.對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的解讀[J].暖通空調(diào),2013,43(5):77-81.

[3] 陳永.我國(guó)農(nóng)村建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能任務(wù)分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011,(22):275-277.

[4] GB/T 50824-2013,農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[5] JCJ 134-2010,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[6] 黃鶯,王昭俊.基于DeST-h對(duì)夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)宅能耗的分析[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2016,43(6):85-87.

[7] 任露泉.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[M].北京:高等教育出版社,2001.

[8] 劉猛,張會(huì)福,粟珩,等.重慶新農(nóng)村典型民居的節(jié)能性能[J].土木建筑與環(huán)境工程,2014,36(2):75-83.

[9] 清華大學(xué)DeST開(kāi)發(fā)組.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法—DeST[M].北京:中國(guó)建筑出版社,2013.

[10] 范宏武,陸善后,李德榮,等.居住建筑單元能耗標(biāo)識(shí)工況研究[J].建筑節(jié)能,2008,(5):13-16.

[11] 李楠.夏熱冬冷地區(qū)人員行為對(duì)住宅建筑能耗的影響研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[12] 張曉亮,朱光俊,江億.建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST第13講宅模擬優(yōu)化實(shí)例[J].暖通空調(diào),2005,35(8):65-72.

[13] 彭海濱.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析方法[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009,36(12):39-40.

[14] 郝拉娣,張嫻,劉琳.科技論文中正交試驗(yàn)結(jié)果分析方法的使用[J].編輯學(xué)報(bào),2007,19(5):340-341.

[15] 鄧振偉,于萍,陳玲.SPSS軟件在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析中的應(yīng)用[J].電腦學(xué)習(xí),2009,(5):15-17.

Impacts of the Thermal Performance of Envelop Enclosure on Air-conditioning Energy Consumption of Rural Residential Buildings inYuxi Zone of Chongqing

Zhao Qian1Lin Jianquan2Huang Zhong2Duan Min1

( 1.School of Civil Engineering; City College of Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 402167; 2.Faculty of Urban Construction, and Environmental Engineering; Chongqing University, Chongqing, 400045 )

The typical design project obtained from rural residential buildings in a YuXi zone of Chongqing was selected as a research object. Based on the orthogonal experiment method,the whole year energy consumption of the buliding in four impact factors and three levels was calculated by the simulation software DeST-h (Designer’s Simulation Toolkit Home). Through direct analysis of the results,the effect of different factors was evaluated by the range of each factor,and the significance was compared between different factors and levels by variance analysis. The results show that the main effect of outside windows is remarkable(=0.035,<0.05), which has a great influence on building energy consumption, followed by window-wall ratio(=0.054, 0.05<<0.1), which has some influence and exterior walls and roof have less influence.Therefore, the important order of each factor is: Outside Windows > window-wall ratio > exterior walls > roof. Then, Compared the annual energy consumpation between the best with refrence building, on average, there is a 39.8% energy saving potential.

energy consumption simulation; orthogonal experiment; variance analysis; fractional energy saving

1671-6612（2018）06-643-08

TU241.4/TU831.6/TU834.1

A

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1602301）

趙 倩（1987-），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與能源應(yīng)用，E-mail：zhaoqian0608@126.com

2018-02-24