未來陜南鄉(xiāng)村建筑熱工性能模擬研究

雷 鳴 楊菁怡 倪逢燕 王璐溦 馮兵穎 陳 婕

陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

1 前言

所謂陜南是指陜西南部地區(qū)，陜南地區(qū)從西往東依次的是漢中、安康、商洛三個地市。陜南氣候濕潤溫和，四季分明，雨季降水量充沛[1]。主要受冬夏季風(fēng)的影響，在陜南冬夏時間長，春秋時間短。而冬季嚴(yán)寒少雨，夏季多雨多有伏旱，春季暖和干燥，秋季涼爽濕潤并多有陰雨出現(xiàn)，常年平均氣溫多達(dá)15℃～17℃。陜南鄉(xiāng)村民居建筑與其文化、氣候、資源等緊密相連[2]。

在冬季氣候寒冷、夏季炎熱的情況下，陜南民居建筑大多存在墻體和屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)的保溫與隔熱性能差這一問題，導(dǎo)致室內(nèi)舒適性較差，能源消耗過高，還會使建筑耐久性變差；還由于陜南地區(qū)降水充沛，因此在防雨、防潮、通風(fēng)、散熱這一方面也需要考慮全面[3]。通過多方面調(diào)研與研究分析發(fā)現(xiàn)陜南鄉(xiāng)村民居建筑存在較多問題，還需要做進(jìn)一步改善。

該文章主要對漢中的鄉(xiāng)村民居建筑的熱工性能進(jìn)行調(diào)研和研究分析，探討如何為當(dāng)?shù)鼐用駝?chuàng)造良好的舒適的室內(nèi)環(huán)境，采取合理、有效的技術(shù)措施改善建筑熱環(huán)境，以滿足人們的生活需求[4]。而建筑的熱工性能是影響建筑室內(nèi)空間的物理性能的主要因素之一，通過Ecotect 軟件分析建筑的各項熱工性能，模擬并計算陜南民居建筑的熱環(huán)境情況，從中找出問題，并提出相應(yīng)的整改措施，以求在建筑壽命內(nèi)，能夠最大化節(jié)約能源、保護(hù)資源、減少污染，為人們提供健康舒適的室內(nèi)空間[5]。希望此調(diào)研能為未來的陜南鄉(xiāng)村居民建筑熱工環(huán)境提供參考，未來的陜南鄉(xiāng)村居民建筑能夠達(dá)到可持續(xù)化、可自然化[6]。

2 概況

2.1 項目概況

小組實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)陜南地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑類型多為：店居式民居（街屋）、獨立式院落民居以及大部分地區(qū)的鄉(xiāng)村農(nóng)舍。

因為漢中地區(qū)鄉(xiāng)村多為“獨立式院落民居”，所以我們選擇漢中地區(qū)最具有代表性的傳統(tǒng)民居“獨立式院落民居”這一建筑類型為例。在同一個建筑模型中，我們通過模擬置換各個構(gòu)建的新舊做法，并且通過使用Ecotect 程序進(jìn)而對陜南地區(qū)典型鄉(xiāng)村建筑的物理熱環(huán)境進(jìn)行分析，從而得到一種更適用于陜南地區(qū)的未來鄉(xiāng)村建筑類型。

2.2 ECOTECT模型分析

在模擬軟件Ecotect里建立常見的陜南獨立式院落民居模型，如圖1 所示，根據(jù)該建筑的門窗類型、墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、屋頂?shù)臉?gòu)造做法進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)入漢中的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行熱工分析。

圖1 Ecotect模型圖

圖2 Ecotect 3D可編輯頁面

2.2.1 門、窗類型的構(gòu)造分析

窗戶的主要作用為采光與通風(fēng)。在窗戶尺寸要求上，既要滿足通風(fēng)、采光和日照要求，還要符合建筑模數(shù)協(xié)調(diào)的要求。由于窗戶在不同構(gòu)造中的尺寸大小、窗框材質(zhì)、窗框位置和玻璃厚度都不同，或多或少會對建筑熱環(huán)境造成一定影響。在進(jìn)行建筑模型的熱工分析時，我們主要通過模擬置換窗戶構(gòu)件的新舊做法對該建筑模型的熱工性能進(jìn)行分析，在Ecotect 模擬實驗中，我們將原本為“6mm 單玻鋁窗”的窗戶置換成“6mm玻璃+30mm空氣間層+6mm玻璃”的窗戶，來分析不同的窗戶下的輻射熱量情況。

2.2.2 墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造分析

墻體的主要功能為保溫、隔熱和隔聲。墻體的細(xì)部構(gòu)造分為過梁、窗臺、防潮層、勒腳、散水。建筑外墻保溫主要是由聚合物砂漿、玻璃纖維網(wǎng)格布等材料復(fù)合而成的保溫層來完成。在進(jìn)行該建筑模型的熱工分析時，我們主要通過模擬置換墻體構(gòu)件的新舊做法啦進(jìn)行該建筑模型的熱工分析，在Ecotect模擬實驗中，我們將原本為“10mm抹灰層+110mm實心粘土磚+10mm 抹灰層”的外墻置換成“10mm 水泥砂漿+75mmEPS+370mm 實心粘土磚+10mm 水泥砂漿”的墻體，去分析不同構(gòu)造做法下的輻射熱量情況。

2.2.3 屋面構(gòu)造做法分析

屋面的主要功能為承受來自于屋頂?shù)娘L(fēng)、雪荷載及屋頂自重、抵御風(fēng)雨的圍護(hù)作用以及裝飾作用。由于屋頂結(jié)構(gòu)中以泡沫混凝土為主要原料的屋面保溫隔熱層對建筑熱環(huán)境有一定影響，在進(jìn)行該建筑模型的熱工分析時，我們主要通過模擬置換屋面構(gòu)造的新舊做法來進(jìn)行該建筑模型的熱工分析，在Ecotect 模擬實驗中，我們將原本為“50mm 瓦片+75mm 空氣間層+10mm抹灰層”的屋面構(gòu)造置換成“50mm瓦片+0.6mm 鋁箔+75mm空氣間層+10mm抹灰層”的屋面構(gòu)造，去分析不同構(gòu)造做法下的輻射熱量情況。

表1

（續(xù)）表1

3 分析

3.1 新舊建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系分析

由于空間內(nèi)外的導(dǎo)熱系數(shù)與建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，本課題組分別對傳統(tǒng)老舊建筑（構(gòu)造設(shè)計A）和新型建筑（構(gòu)造設(shè)計B）進(jìn)行實驗。結(jié)果如表1 所示。新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫效果顯著。尤其外墻、窗戶以及天花板的導(dǎo)熱系數(shù)變化大，而門、屋頂以及地板，由于材料改變并不多，效果并不顯著。

3.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱對比分析

通過新舊建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱對比，顯示在一年中舊式建筑整體比新型建筑得熱少失熱多。模型逐月不同時間段溫度變化對比如圖3、圖4所示。圖中可以看出，在沒有進(jìn)行主動供暖的情況下，冬季室外熱輻射少，舊式建筑的失熱量較多，而在相同環(huán)境下的新型建筑失熱量較少，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱輻射量變化較為穩(wěn)定，且保溫性能更好。從三月份到十月份，兩組建筑模型的得熱量緩慢上升，在夏至日達(dá)到峰值再下降。通過對夏季的實驗數(shù)據(jù)的對比，我們得到：新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在該時間段內(nèi)得熱量在0Wh/m2～8000Wh/m2之間，而舊式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量在0Wh/m2～11000Wh/m2，新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量比舊式建筑少，室內(nèi)溫度較低，擁有更好的隔熱效果。從全年來看，新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱變化比舊式建筑小，室內(nèi)熱量變化更穩(wěn)定。

圖3 舊式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱

圖4 新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱

3.3 建筑能耗和舒適度分析

陜南地區(qū)為夏熱冬暖地區(qū)，除了氣候特征外，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱也影響著室內(nèi)熱環(huán)境，而室內(nèi)熱環(huán)境是影響人體熱感覺的重要因素。若從空氣溫度評價室內(nèi)熱環(huán)境，居住建筑室內(nèi)舒適性標(biāo)準(zhǔn)為18℃～26℃。

圖5、圖6 是舊式建筑與新型建筑模型（時間百分?jǐn)?shù)Percentage of Time）分析圖，逐月能耗/不舒適度是指每個月達(dá)不到舒適溫度的時間總和與該月總共小時數(shù)的百分比，分別為太熱月達(dá)不到舒適溫度的時間總和與該月總共小時數(shù)的百分比及太冷月達(dá)不到舒適溫度的時間總和與該月總共小時數(shù)的百分比。

圖5 舊式建筑逐月能耗與不舒適度

模擬結(jié)果顯示該地區(qū)舊式建筑的不舒適度峰值一直高于新型建筑，各個月達(dá)到舒適溫度的時間也少于新型建筑，尤其是在冬季不舒適度更高。舊式建筑室內(nèi)冬冷夏熱，全年的溫度變化波動大；新型建筑在五、六、九月的不舒適度為零，室內(nèi)空氣溫度能一直達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，全年的溫度變化小，尤其是夏季，建筑得熱少室內(nèi)溫度低，舒適度更高。從實驗中看出，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的構(gòu)造不僅影響了人體熱舒適度，也影響了建筑的整體能耗。新型建筑由于采用更合理的構(gòu)造做法，能耗更低。舊式建筑能耗高，冬季失熱量多，夏季得熱量多，舒適度不如新型建筑。

圖6 新型建筑逐月能耗與不舒適度

4 結(jié)論

①本文根據(jù)陜南地區(qū)的鄉(xiāng)村民居建筑，采用該地區(qū)典型通用的戶型來利用Ecotect建模軟件進(jìn)行實例的模擬，對其內(nèi)部空間構(gòu)造及各個構(gòu)件的熱工參數(shù)（主要是傳熱系數(shù)）進(jìn)行了確定，對比該構(gòu)造類型的現(xiàn)行的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)及其各種構(gòu)件和規(guī)定性指標(biāo)，在模擬計算中對比各項能耗量。

②Ecotect技術(shù)是實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的重要手段，也是未來建筑節(jié)能設(shè)計的發(fā)展方向。數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計研究和實踐中，節(jié)約成本，更加高效。

③通過新舊建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱對比, 舊式建筑整體比新型建筑得熱少失熱多，新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱變化比舊式建筑小，室內(nèi)熱量變化更穩(wěn)定，所以新型建筑的舒適度要好于舊式建筑。

④計算機(jī)分析結(jié)果表明，該地區(qū)農(nóng)村建筑采用適合的技術(shù)可有效提高室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和減小能耗，本研究可為陜南及同類地區(qū)的鄉(xiāng)村民居設(shè)計提供理論參考。