夏熱冬冷地區(qū)既有居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境與節(jié)能優(yōu)化研究

汪文靜，方廷勇，榮 鼐，朱曙光

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

近年來，隨著我國人民生活水平的日益提高，從城市到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，居民對(duì)于室內(nèi)居住熱環(huán)境的舒適性要求也隨之提高。然而和城市建筑相比，農(nóng)村自建房受經(jīng)濟(jì)條件和施工隊(duì)的施工水平的制約，建房時(shí)很少考慮熱舒適問題，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往不進(jìn)行保溫處理，導(dǎo)致住宅熱工性能差，并且為了維持室內(nèi)熱環(huán)境所需能耗大[1-2]。

文章擬采用Ecotect軟件對(duì)宿州市埇橋區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)一自建居民住宅進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)該既有住宅建筑設(shè)計(jì)的熱工和能耗缺陷，并給出改造措施。Ecotect軟件是由Autodesk公司開發(fā)的建筑性能分析軟件，是一款建筑物理環(huán)境模擬的工具。Ecotect 涵蓋熱、風(fēng)、光、聲、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響與可視度等方面[3](P4)。方案中，在Ecotect軟件中建模以后，通過計(jì)算機(jī)模擬分析該建筑模型各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，找出該自建住宅存在的問題，并具體提出優(yōu)化方案；通過對(duì)優(yōu)化后的住宅進(jìn)行模擬，對(duì)比分析優(yōu)化方案的可行性。

1 自建住宅概況

宿州市位于安徽北部，參照GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，宿州市屬于Ⅱ級(jí)區(qū)域指標(biāo)中的夏熱冬冷A區(qū)，四季分明，其中夏冬兩季時(shí)間相對(duì)較長，熱工分析時(shí)應(yīng)著重考慮。根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50785—2012非人工冷熱源的情況下，Ⅱ級(jí)區(qū)的室內(nèi)體感溫度即宿州市的室內(nèi)體感溫度的上限和下限分別為16 ℃和30 ℃[4]。

通過對(duì)宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)戴安村、祁縣村、石橋村等村落自建住宅的實(shí)地考察，得出該區(qū)早期自建房多為平屋頂單層或雙層住宅，近十多年內(nèi)新增自建房多為雙層或三層樓房，一般就寢空間坐落于二樓，一樓與三樓大多不用于就寢，因此熱工分析時(shí)以二樓環(huán)境作為主要參考對(duì)象。

通過考察，得出該區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀如下：

1)外墻。該區(qū)域自建住宅多為磚混結(jié)構(gòu)，墻體材料為240 mm*115 mm*53 mm實(shí)心黏土磚，仍有個(gè)別農(nóng)戶居住在土坯房，其中采取保溫措施的墻體微乎其微。大多數(shù)墻體為內(nèi)外雙面進(jìn)行水泥砂漿抹灰，正門墻體外側(cè)貼有瓷磚裝飾。

2)窗。自建住宅窗的材質(zhì)情況，主要有木窗、鋁合金窗、鐵窗，其中鋁合金窗所占比例最大，木窗和鐵窗只有少數(shù)早期自建住宅使用，且玻璃多為單層透明玻璃。

3)屋頂。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域屋頂形式中，近十年內(nèi)的自建住宅多為坡屋頂，早期自建房多為平屋頂，且采取保溫措施的住宅比例極少，已采取保溫措施的住宅，保溫措施為吊頂保溫，該種方式是在室內(nèi)吊頂裝飾的龍骨上鋪設(shè)一層輕質(zhì)保溫材料，保溫效果極差。

4)地面。地面采取水磨石、大理石地板磚及木地板磚的形式較多，也有部分房屋采取紅磚鋪墊而后水泥砂漿抹灰的方式，極少有住宅采取地面保溫措施。

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象的選取

選取祁縣鎮(zhèn)一典型農(nóng)戶自建住宅為研究對(duì)象，住宅位于祁縣鎮(zhèn)祁縣一中附近，房屋朝向坐北朝南，該處農(nóng)戶住宅戶與戶之間間隔較大，房屋四周農(nóng)田較多，處于四周通透的狀態(tài)。住宅臥室、客廳等都坐落于二樓，一樓不用于就寢。所選農(nóng)戶住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造詳情見表1。

表1 住宅結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造詳情

2.2 建立模型

該住宅為雙層樓房，為了方便在Ecotect Analysis軟件中建立模型，先把住宅分為七個(gè)區(qū)[5]，分別為一樓大廳(11100 mm*9000 mm),廚房(3000 mm*3400 m)，客廳(3700 mm*9000 mm)，主臥(3700 mm*4500 mm)，次臥1(3700 mm*4500 mm)，次臥2(3700 mm*4500 mm)，衛(wèi)生間(3700 mm*2700 mm)。

按照上述七個(gè)區(qū)域在Ecotect Analysis中的 3D EDITOR 界面進(jìn)行建模。

2.3 賦予材質(zhì)

模型建立完成后，對(duì)模型各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行賦值。一樓正門為雙開鐵門，余下房間的門為單層木質(zhì)門；窗戶材質(zhì)賦值為鋁合金；墻體材質(zhì)為實(shí)心黏土磚；地面材質(zhì)為實(shí)心黏土磚；樓板與屋頂均為鋼筋混凝土預(yù)制板，具體材質(zhì)構(gòu)造見表1所建模型如圖1。

圖1 Ecotect中建立的住宅模型

2.4 熱工分析

在軟件中對(duì)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)賦值以后，載入宿州市氣象資料，分別對(duì)全年最熱日和全年最冷日進(jìn)行模擬計(jì)算，得到逐時(shí)溫度曲線分析圖、被動(dòng)組分得熱分析圖和逐月能耗分析圖，模擬分析時(shí)主臥與次臥輔以空調(diào)作為改善室內(nèi)熱環(huán)境的措施。

圖2、圖3為宿州最熱一天與最冷一天全天逐時(shí)溫度分析曲線，圖形上反映了在24小時(shí)內(nèi)客廳、主臥和次臥區(qū)域的逐時(shí)溫度，以及室外溫度、風(fēng)速、太陽的直射與散射輻射的變化情況。軟件模擬時(shí)，對(duì)于就寢空間主臥與次臥輔以空調(diào)改善室內(nèi)熱環(huán)境，空調(diào)使用時(shí)間設(shè)為每天21:00到5:00，所以主臥與次臥的夜間溫度在曲線圖上趨于平緩，夏季由于室外溫度較高，室內(nèi)在26 ℃左右；冬季由于室外溫度較低，室內(nèi)在18 ℃左右。而對(duì)于不使用輔助措施的時(shí)間段，以及客廳、衛(wèi)生間等無輔助措施的區(qū)域，室內(nèi)溫度隨室外溫度變化而波動(dòng)，且與室外溫度差平均約5 ℃，建筑熱工性能較差。

圖2 最熱日逐時(shí)溫度曲線分析

圖3 最冷日逐時(shí)溫度曲線分析

圖4為被動(dòng)組分得熱分析，從圖形中可以得出，全年中的熱損失有85.1%來自于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而太陽的各種輻射則是全年得熱的主要來源。圖5為逐月能耗分析，圖中表示的是全年中自建住宅每月的能耗。圖形中可以看出，全年里一月份的制暖耗能最多，約2050000 w；而制冷耗能在七月份最多，約300000 w，全年制暖耗能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制冷耗能。

綜合圖4、圖5，可以發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在該住宅的熱舒適環(huán)境與節(jié)能改造上是重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象；由于該建筑在制暖耗能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制冷耗能，優(yōu)化時(shí)應(yīng)注重加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫能力，比如采用雙層中空玻璃代替單層玻璃，墻體增設(shè)保溫材料，這樣利用溫室效應(yīng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱能力可以大幅減少建筑的能耗并且可以更好平衡室外溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響。

圖4 被動(dòng)組分得熱分析

圖5 逐月能耗分析

3 改進(jìn)措施

3.1 屋頂優(yōu)化

對(duì)于建筑頂層房間，通過屋面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量占房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的20%以上[6]。改善屋頂?shù)臒峁きh(huán)境，不僅可以有效地減少該建筑室內(nèi)與室外的換熱狀況，還可以降低室外溫度變化對(duì)于該住宅二樓室內(nèi)溫度的影響。

屋頂?shù)膬?yōu)化措施有很多，例如鋪設(shè)保溫層、屋頂種植植被、屋頂蓄水、通風(fēng)屋面等。對(duì)于該自建住宅，其屋頂為平屋頂，無保溫措施，水平的屋面導(dǎo)致全天里所受日照長，太陽輻照度大，尤其是夏季，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響較大。優(yōu)化模擬時(shí)考慮在該建筑屋頂增設(shè)坡屋頂，采取檐口通風(fēng)的措施，建立通風(fēng)隔熱的隔熱層。該種方式可以在原平屋頂與新增坡屋頂間形成一個(gè)通風(fēng)的空氣層，夏季打開檐口，可利用空氣流動(dòng)的方式帶走部分熱量，并且原先的一次傳熱變?yōu)閮纱蝹鳠幔欢痉忾]檐口，增加屋頂?shù)谋馗魺嵝Ч捎行Ц纳莆蓓敓峁ば阅堋?/p>

3.2 外墻體優(yōu)化

外墻熱工性能提升的方法主要有兩類，一是利用各種保溫材料構(gòu)建保溫墻體結(jié)構(gòu)，二是構(gòu)建雙層中空的通風(fēng)墻體結(jié)構(gòu)，二者的作用原理和效果有所差異[7]。保溫墻體作用原理是由于保溫材料傳熱系數(shù)小，可以很好地隔離室內(nèi)與室外兩個(gè)存在溫差的空間，有效地減小室內(nèi)與室外熱量的相互影響。而雙層通風(fēng)墻作用原理是利用在外墻外部增設(shè)的與原外墻密封的上下開有可封閉通風(fēng)口的墻體，使得兩墻體間形成一個(gè)可通風(fēng)可封閉的空間。冬季寒冷時(shí)封閉通風(fēng)口形成封閉的空間可起保溫效果，而夏季炎熱時(shí)打開通風(fēng)口，可利用空間內(nèi)空氣的流動(dòng)帶走通道內(nèi)的熱量，從而減少熱量對(duì)屋內(nèi)的傳遞。

該自建住宅的墻體優(yōu)化改造中，由于被調(diào)查區(qū)域部分住宅之間間隔較近，因此不考慮雙層通風(fēng)墻的改進(jìn)措施，而是采取利用保溫材料改善墻體熱工性能的方案，優(yōu)化模擬時(shí)所使用材料為15 mm水泥砂漿抹灰+100 mm EPS板+240 mm黏土實(shí)心磚+20 mm水泥砂漿抹灰。

3.3 窗優(yōu)化

外窗的改造上主要考慮其保溫性能與氣密性[8]。該住宅建筑所采用的是鋁合金單層玻璃窗，然而鋁合金窗易變形，長久使用后，會(huì)導(dǎo)致密封性變差，因而冬季容易滲風(fēng)，降低室內(nèi)熱環(huán)境舒適性，且因?yàn)槭菃螌硬ＡВ募緹醾鲗?dǎo)能力高，對(duì)室內(nèi)溫度影響較大[9]。鋁合金單層玻璃窗無論在夏季還是冬季所能表現(xiàn)出的熱工性能都比較差。

優(yōu)化時(shí)，將單層玻璃改為雙層玻璃窗，在鋁合金邊框窗安裝時(shí)，應(yīng)注重邊框與墻體之間氣密性的處理，以防止長久使用后變形松動(dòng)而導(dǎo)致的氣密性降低，對(duì)于未內(nèi)設(shè)窗簾的住宅，可考慮增設(shè)內(nèi)置窗簾，用于夏季遮陽。夏季應(yīng)勤通風(fēng)，多利用自然風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境。

3.4 優(yōu)化效果模擬分析

將前述自建住宅模型屋頂以及其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)改為優(yōu)化后材料構(gòu)造，進(jìn)行模擬分析。為了方便對(duì)比分析優(yōu)化后與優(yōu)化前的建筑室內(nèi)溫度的變化，在進(jìn)行逐時(shí)溫度分析時(shí)，主臥與客廳以及一樓大廳進(jìn)行優(yōu)化，而次臥不給予優(yōu)化改造，即以主臥代表優(yōu)化后建筑，以次臥代表優(yōu)化前建筑，得到圖6最熱日和圖7最冷日主臥與次臥溫度對(duì)比分析曲線和優(yōu)化后的逐月能耗分析為圖9。

圖6 最熱日溫度對(duì)比分析曲線

圖7 最冷日溫度對(duì)比分析曲線

圖8 逐月能耗分析

圖6圖7中可以看出，夏季最高氣溫時(shí)，主臥溫度相比于次臥溫度降低了1 ℃～2 ℃；冬季最低氣溫時(shí)，主臥溫度相比于次臥溫度升高了2 ℃～3 ℃，說明改善后的建筑較改善前室內(nèi)熱舒適性能有所改善。

圖8為優(yōu)化后的室內(nèi)逐月能耗圖，從圖中可以看到全年里制暖耗能在一月份最多，約600000 w；而制冷耗能在七月份最多，約200000 w。冬季制暖耗能降低了近70%，夏季制冷耗能降低了近33%，說明增設(shè)破屋頂作為隔熱層，改善墻體保溫性能以及優(yōu)化外窗的保溫與氣密性能，可以有效地降低室外溫度對(duì)室外的影響，大大降低用輔助設(shè)施保持室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)所需消耗的能量。

4 結(jié)論

雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造在最冷日和最熱日分析曲線中，并不能在不使用輔助措施制冷制暖的情況下使得室內(nèi)溫度達(dá)到《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50785—2012Ⅱ級(jí)區(qū)上下限16 ℃和30 ℃的要求，但是對(duì)于室內(nèi)與室外熱傳導(dǎo)的改善起到了明顯的效果。

利用增設(shè)的坡屋頂形成隔熱層改善屋頂?shù)谋馗魺嵝阅?，利用保溫材料Eps板改善外墻體的保溫隔熱性能，單層玻璃改為雙層玻璃以及注重鋁合金窗框架氣密性處理改善外窗的保溫能力和氣密性等措施不僅使得住宅的夏冬兩季室內(nèi)溫度有所改善，更是在建筑的節(jié)能上起到了明顯的效果，改造前與改造后的逐月能耗分析數(shù)據(jù)說明，該區(qū)域自建住宅在節(jié)能的改造上擁有著較大的潛力。