趙靈犀 歐陽金龍

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夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅夏季室內熱環(huán)境調查及節(jié)能改造方案優(yōu)化設計

趙靈犀 歐陽金龍

（四川大學建筑與環(huán)境學院 成都 610065）

為了解當前夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅的室內熱環(huán)境現(xiàn)狀，根據(jù)湖北省當陽市某新農(nóng)宅調研數(shù)據(jù)和室內、外溫濕度實測結果，分析其室內熱環(huán)境；結合測試結果，通過正交試驗設計和空調能耗模擬手段對影響新農(nóng)宅能耗的多個因素進行量化分析，提出節(jié)能改造措施。實測表明：新農(nóng)宅夏季室內平均溫度為31.5℃，平均濕度為77.4%，且隨著樓層越高室內平均溫度越高，波動幅度越大，而相對濕度變低，波動幅度變大。能耗模擬表明：考慮節(jié)能措施時，應優(yōu)先考慮新農(nóng)宅外墻的熱工性能，即降低傳熱系數(shù)，其次可考慮提高外窗以及屋頂?shù)臒峁ば阅堋?/p>

新農(nóng)宅；正交設計；節(jié)能改造；能耗模擬

0 引言

當前農(nóng)村住宅多自發(fā)建造，缺乏規(guī)劃和設計，而且由于看重經(jīng)濟性，極少采用建筑圍護結構的保溫隔熱措施，大部分還是依靠建筑本身和自然資源來調節(jié)室內熱環(huán)境，其熱環(huán)境質量較差。2017年，我國農(nóng)村地區(qū)常住人口總數(shù)約為5.77億人，占總人口比重的41.48%[1]。農(nóng)村地區(qū)的能源生產(chǎn)與消費是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分[2]。并且由于農(nóng)村的經(jīng)濟水平有限，住宅能耗較高和室內舒適度基本被忽略[3]。但隨著農(nóng)村居民生活水平的漸漸提高，逐漸不滿足于過去的居住環(huán)境，對農(nóng)宅舒適度的要求變得也越來越高，轉而追求更舒適、更具有現(xiàn)代特色的居住模式，故新農(nóng)宅的建設已經(jīng)成為趨勢。近年來，已有相繼有一些針對夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)宅室內熱環(huán)境的研究[4-8]，農(nóng)宅熱舒適度調查的研究[9-11]，農(nóng)村居住建筑現(xiàn)狀調查與能耗分析[12]，以及不同地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能改造的研究[13-15]和農(nóng)村居住建筑人行為對建筑空調能耗的影響[16]。但我國不同地區(qū)的農(nóng)村居民生活方式大相徑庭，氣候特點也迥然相異，故這些研究遠遠不夠。為了解和掌握夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅的室內熱環(huán)境現(xiàn)狀和建筑能耗情況，本文將選取湖北省當陽市區(qū)某新農(nóng)宅作為研究對象，通過現(xiàn)場測量、實地調研、正交試驗設計、能耗模擬等研究手段，定量分析夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅建筑室內熱環(huán)境現(xiàn)狀并提出切實可行的節(jié)能改造方案進行能耗模擬分析。

1 案例農(nóng)宅的介紹

選取湖北省當陽市某新農(nóng)宅（見圖1）為研究對象，屬于夏熱冬冷地區(qū)，地理位置見圖2；圍護結構熱工參數(shù)見表1，農(nóng)宅平面結構與測點布置見圖3；本次研究的流程見圖4。

圖1 案例農(nóng)宅外形圖

圖2 湖北省當陽市地理位置

表1 圍護結構熱工參數(shù)

2 案例農(nóng)宅的溫濕度測量

采用TESTO-174H溫濕度自記儀，對室內熱環(huán)境進行實測。測試時間選在2017/8/18～2017/8/22（夏季）。此自記儀溫度測量范圍：-20～50℃，準確度：±0.5℃；濕度測量范圍：0～100%RH，精度：±3%RH?？紤]案例農(nóng)宅戶型、熱擾、人體活動空間等因素，將室內測點置于各房間的幾何中心附近，室外測點置于院壩，測點離地高度為1.5m。

3 案例農(nóng)宅的實測結果整理及分析

根據(jù)實測期間內的實際氣候狀況，選擇有效實測期間內的2017/8/20的數(shù)據(jù)進行整理及分析，由于實際情況的限制，實測時間在并非處于最熱月，故該測試不能完全代表最熱的極端溫度狀況，但該數(shù)據(jù)是在實際情況下遇到的氣候狀況，具有普遍代表性。

圖3 案例農(nóng)宅平面結構與測點布置

圖4 農(nóng)宅研究路線

3.1 夏季室內、外空氣溫度和相對濕度實測結果與分析

在農(nóng)宅中，因居民休息活動的區(qū)域主要集中在第一層，故選取第一層中的臥室、客廳和室外幾個典型測點數(shù)據(jù)進行分析。室內、外空氣溫度和相對濕度實測結果見圖5、6。分析可得以下結論：

（1）在有效實測期間內，室內最高溫度是32.7℃，最低溫度為30.1℃，平均溫度為31.5℃左右，室內空氣溫度大于28.0℃，白天最高室溫都逼近人體皮膚臨界溫度33℃，會有炎熱的感覺，室內熱環(huán)境很差。

（2）室內相對濕度變化范圍為73.0～81.9%，平均值為77.4%；可以看出室內相對濕度變化范圍較大，不符合正常的濕度范圍30.0～60.0%，且平均值大于75.0%。

圖5 室內、外空氣溫度逐時變化

圖6 室內、外空氣濕度逐時變化

3.2 夏季新農(nóng)宅各樓層平均溫度、相對濕度實測結果分析

夏季各樓層平均溫度、相對濕度實測結果見表2；各樓層平均溫度、濕度變化分別見圖7、8。對有效實測數(shù)據(jù)進行分析可得以下結論：

（1）各樓層平均溫度變化趨勢基本相同。第一層變化范圍30.8～32.5℃，平均值31.7℃，變化幅度1.7℃；第二層變化范圍33.8～35.4℃，平均值34.8℃，變化幅度1.6℃；第三層變化范圍34.9～38.6℃，平均值36.9℃，變化幅度3.7℃；由此可知，隨著樓層越高室內溫度越高，波動幅度也變大，因為頂層直接接受太陽輻射。

（2）各樓層相對濕度變化趨勢基本一致。第一層變化范圍73.9～79.6%，平均值76.9%，變化幅度5.7%；第二層變化范圍63.7～68.2%，平均值66.2%，變化幅度4.5%；第三層變化范圍54.9～63.9%，平均值59.4%，變化幅度9.0%；由此可知，樓層越高室內相對濕度越低，波動幅度越大，其主要受溫度變化的影響。

表2 夏季各樓層平均溫度、相對濕度實測結果

圖7 各樓層平均溫度變化圖

圖8 各樓層平均濕度變化圖

4 室內熱環(huán)境與能耗模擬

4.1 模擬方案設計

對新農(nóng)宅的圍護結構進行節(jié)能設計，通過對節(jié)能方案和模擬能耗結果進行比較分析，得出提高圍護保溫、隔熱性能與節(jié)能的有效措施，從而為新農(nóng)宅的實際圍護結構設計提出具有參考意義的措施。

設計中與夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅能耗有關的因素中有：朝向、窗墻比、外窗類型、屋頂構造、外墻構造。模擬方案中研究外墻構造、外窗類型、屋頂構造這3個因素，每個因素有3個水平，因不作方差分析，故不考慮各因素的交互作用。結合朱磊[17]等人對成都住宅建筑節(jié)能的研究思路，選用L9(33)正交表來安排試驗。試驗需要9次模擬計算。正交試驗設計見表3。

表3 空調能耗分析正交表設計

4.2 計算模式

本文以湖北省當陽市區(qū)某新農(nóng)宅為基礎建筑模型。檢查《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》的數(shù)據(jù)[18]，沒有該地區(qū)的數(shù)據(jù)，但根據(jù)實際情況采用靠近該地區(qū)的宜昌氣象數(shù)據(jù)進行模擬，并選取最冷月1月和最熱月7月的典型日的室外氣象參數(shù)對該住宅進行數(shù)值模擬，模擬計算工具采用DeST-h軟件。

根據(jù)筆者調研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)農(nóng)村以人口為3～4人的家庭為主，農(nóng)村住宅需要供暖、空調的僅有臥室；其中人員發(fā)熱量均為53W/人，產(chǎn)濕量均為61g/人·h。室內人員設備等的發(fā)熱量為4.3W/m2，室內照明的發(fā)熱量為0.0141kWh/m2；根據(jù)國家發(fā)布的《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》[19]要求設置冬季房間換氣次數(shù)為1/h，夏季為5/h。同時考慮到農(nóng)村居民樸素與節(jié)儉的生活習慣選擇供暖空調設備控制參數(shù)和運行模式，見表4。研究中為比較上述設計方案的空調節(jié)能率，設研究對象實際設計為方案10作為參照組。正交表各因子水平見表5。

表4 空調系統(tǒng)設置

表5 正交表因子水平取值

5 模擬結果與分析

5.1 正交試驗設計方案結果分析

正交設計表中9種試驗方案與參照方案能耗模擬計算結果見表6。

表6 能耗模擬結果

采用極差分析法分析試驗1-9，確定其影響重要程度，并進行影響因素主次排序，極差影響結果見表7。

表7 能耗結果極差分析

注：表中*是因素外墻類型、外窗類型、屋頂類型的第*水平所在的試驗中對應空調總能耗。

通過對正交試驗設計方案的極差分析發(fā)現(xiàn)影響夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅能耗相關影響因素重要程度排序為：外墻類型＞外窗類型＞屋頂類型。故在考慮節(jié)能措施時，應首先重點考慮新農(nóng)宅的外墻的熱工性能，即降低傳熱系數(shù)。

5.2 節(jié)能對比分析

根據(jù)試驗組的能耗模擬結果計算其節(jié)能率，結果見表6?？梢园l(fā)現(xiàn)正交設計方案中9個方案都實現(xiàn)了節(jié)能的目的，且節(jié)能率都在30%以上，方案7節(jié)能率最高，達到52.4%。

其中5個方案節(jié)能率達到40%以上且其外窗保溫因子水平取值均在“2”或“3”，進一步說明對于新農(nóng)宅節(jié)能改造應提高外窗的熱工性能。

6 結論

（1）目前湖北省農(nóng)宅室內熱環(huán)境較差，很難滿足人體熱舒適要求。在夏季，新農(nóng)宅室內空氣平均溫度為31.5℃左右，最高室溫都逼近人體皮膚臨界溫度33℃，會有炎熱的感覺。室內相對濕度變化范圍為73.0～81.9%，不符合正常的濕度范圍30～60%。

（2）對于新農(nóng)宅，樓層越高夏季室內溫度越高，波動幅度越大，而相對濕度越低，波動幅度越大。

（3）通過正交試驗設計方案的極差分析發(fā)現(xiàn)影響夏熱冬冷地區(qū)新農(nóng)宅空調能耗相關影響因素重要程度排序為：外墻類型＞外窗類型＞屋頂類型；結合9種方案的節(jié)能率，設計人員在進行農(nóng)宅優(yōu)化設計時可根據(jù)這幾個因素的主次順序來確定重點優(yōu)化的部分。此外在考慮空調節(jié)能措施時，應首先重點考慮新農(nóng)宅的外墻的熱工性能，即降低傳熱系數(shù)。此外還可考慮其他節(jié)能措施，可提高外窗以及屋頂?shù)臒峁ば阅堋?/p>

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Summer Indoor Thermal Environment Investigation and Optimized Design of Energy Saving Reform Project for New Farmhouse in Hot Summer and Cold Winter Region

Zhao Lingxi Ouyang Jinlong

( College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

To understand the current situation of the indoor thermal environment of new rural houses in hot summer and cold winter regions, the indoor thermal environment was analyzed based on the survey data of a new rural house in Dangyang City, Hubei Province, and the actual indoor and outdoor temperature and humidity measurements; The cross-experimental design and air-conditioning energy consumption simulation methods quantify various factors affecting the energy consumption of new farmhouses and propose energy-saving measures. The measured results show that the average indoor summer temperature of the new farmhouse is 31.5℃, and the average humidity is 77.4%. With higher floors, the higher the average indoor temperature, the greater the fluctuation, and the lower the relative humidity, the larger the fluctuation range. The simulation of energy consumption shows that when considering energy conservation measures, priority should be given to the thermal performance of the exterior walls of new farm houses, thus, to lower the heat transfer coefficient, and secondly, the thermal performance of the outer windows and roofs can be considered.

new farmhouse; orthogonal design; energy-efficiency reconstruction; energy consumption simulation

1671-6612（2018）06-616-07

TU241.4

B

國家自然科學基金面上項目資助（51578350）

趙靈犀（1993.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：27650614@qq.com

歐陽金龍（1976.12-），男，博士，教授，E-mail：ow761202@scu.edu.cn

2018-05-31