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基于村鎮(zhèn)建筑調(diào)研數(shù)據(jù)的自遮陽與太陽房分析（建筑）

                                    范昕杰

                            華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

摘要：本文介紹廣西、上海、山東、遼寧四個(gè)地區(qū)村鎮(zhèn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣、室內(nèi)期望溫度的調(diào)研結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前村鎮(zhèn)的建筑熱工性能，能耗水平及居民對(duì)室內(nèi)溫度的要求。隨后基于調(diào)研得到的室內(nèi)期望溫度等數(shù)據(jù)，模擬分析自遮陽與太陽房對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響作用，在比較不同自遮陽與太陽房的設(shè)置形式后獲得了一些有用結(jié)論，對(duì)于村鎮(zhèn)繼續(xù)開展示范工程建設(shè)和推進(jìn)建筑節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)建筑期望溫度自遮陽太陽房

0  引言

    隨著村鎮(zhèn)居民生活水平日益改善，建筑能耗大幅增加。然而現(xiàn)有建設(shè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)由于村鎮(zhèn)社會(huì)環(huán)境與生活習(xí)慣與城市不同而無法準(zhǔn)確發(fā)揮作用，村鎮(zhèn)建筑節(jié)能亟需專業(yè)指導(dǎo)。村鎮(zhèn)建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)集成與示范課題針對(duì)村鎮(zhèn)建筑特征、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣、室內(nèi)期望溫度等展開了全面調(diào)研，實(shí)地考察了廣西、上海、山東、遼寧等五個(gè)地區(qū)，地域范圍涵蓋了夏熱冬暖、夏熱冬冷、寒冷、嚴(yán)寒四個(gè)氣候區(qū)，收集村鎮(zhèn)建筑的第一手資料，從中歸納的建筑現(xiàn)狀、特點(diǎn)可以為大量村鎮(zhèn)建筑節(jié)能作參考，對(duì)推進(jìn)節(jié)能研究與示范工程的建設(shè)有極大的作用。本文對(duì)這些寶貴的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了部分歸納，并作為分析不同氣候區(qū)自遮陽與太陽房兩個(gè)節(jié)能措施的研究依據(jù)，并將分析結(jié)論用于指導(dǎo)示范工程建設(shè)。

    在調(diào)研基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，本文分析南方地區(qū)自遮陽與北方地區(qū)太陽房利用對(duì)室內(nèi)制冷與采暖負(fù)荷的直接影響。其中南方地區(qū)是以廣西與上海示范區(qū)為代表，北方地區(qū)以山東與遼寧示范區(qū)為代表。

1  村鎮(zhèn)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

    在廣西、上海、山東、遼寧等地村鎮(zhèn)中，課題組走訪了113戶居民，對(duì)當(dāng)?shù)氐湫徒ㄖ�結(jié)構(gòu)體系、外墻材料、屋頂形式、門窗材料等圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)做了調(diào)研。表1為主要調(diào)研結(jié)果，結(jié)果顯示各地的建筑形式多以獨(dú)棟為主，結(jié)構(gòu)基本為磚木結(jié)構(gòu)，僅上海較多采用磚混結(jié)構(gòu)，坡屋頂為最多被采用的形式；外墻從南方向北方依次增厚，廣西村鎮(zhèn)居民屋頂多為上人屋面，采用較多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，上海山東則采用木望板，遼寧在鋼筋混凝土的基礎(chǔ)上加入的原始保溫材料黃土埋草泥用于保溫；外窗上四個(gè)地區(qū)均采用單層窗形式，南方地區(qū)為多用鋁合金門窗，北方地區(qū)沿用木質(zhì)門窗。

    根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果對(duì)熱工性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表2），廣西的各項(xiàng)傳熱系數(shù)最高，沈陽的最低，上海的外墻、屋頂與山東相當(dāng)，但山東的外窗、外門傳熱系數(shù)更小。總體上，村鎮(zhèn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有很大關(guān)系，距離城市的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還有一定差距。

1.2人員與內(nèi)擾

    村鎮(zhèn)住宅多獨(dú)棟獨(dú)戶，房間較多，但由于外出務(wù)工，平均居住人數(shù)僅3人，上海4人，四個(gè)示范區(qū)的戶均人數(shù)見表3。通過對(duì)當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)居民的走訪，發(fā)現(xiàn)日常作息與城市居民不同，白天使用率相對(duì)較高，其中較大原因是家中駐守老幼，他們起居較早，客廳與廚房使用較多。

村鎮(zhèn)居民家用電器的擁有量還未跟上城市水平，照明、設(shè)備的使用與城市公建、住宅存在較大不同，照明功率與電器設(shè)備功率的密度普遍較低。表4對(duì)四個(gè)地區(qū)的家電器擁有量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，節(jié)能燈已經(jīng)普及，燈具的功率多為40 W，電視機(jī)多為21英寸彩電，功率約100 W;家用冰箱功率150～180 W，洗衣機(jī)容量為2公斤的功率為250 W，電腦功率300 W，其它家電設(shè)備包括電腦、吸塵器、微波爐、電飯煲等，功率合計(jì)在200 W左右。各個(gè)示范區(qū)中，上海村鎮(zhèn)電視機(jī)，電腦的擁有量高于其他地區(qū)，廣西在這幾個(gè)地區(qū)中的擁有水平相對(duì)最低，遼寧與山東相當(dāng)。以上數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確地提供了村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)熱擾的水平度，相應(yīng)的設(shè)備和照明功率密度是在以上調(diào)研結(jié)果下得出的。

1.3期望溫度

    村鎮(zhèn)居民由于生活習(xí)慣的差異，并不適用城市慣用標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。為了解冬夏季對(duì)室內(nèi)舒適溫度的要求，專門對(duì)村鎮(zhèn)居民做了調(diào)研，調(diào)研的樣本分布如表5。調(diào)研中接近500多名村鎮(zhèn)居民接受了問卷調(diào)查，盡量多的選擇不同年齡與性別的居民作為樣本以反映對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的不同要求，同時(shí)記錄受試者的衣著情況。

    調(diào)查樣本的年齡層次在40歲上下，接受調(diào)查與測試時(shí)被調(diào)查人員處于靜坐狀態(tài)。受試人員的夏冬季衣著量與氣候區(qū)類型基本相似，廣西衣著量最少，山東、遼寧衣著量最多。

    期望溫度是在以上樣本空間，逐步改變室內(nèi)溫度，調(diào)查滿意度分布，通過回歸分析得到，具體如下表。例如上海，當(dāng)冬季室內(nèi)溫度處于11.3℃時(shí)，居民的熱不接受程度最低，可認(rèn)定達(dá)到室內(nèi)最佳舒適溫度。在進(jìn)一步的分析中，表6溫度作為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

2  分析軟件

    采用能耗分析軟件eQUEST對(duì)建筑進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。eQUEST是一款于DOE-2.2基礎(chǔ)上開發(fā)的建筑能耗分析軟件，可以根據(jù)輸入的建筑情況（包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、供暖空調(diào)方式、室內(nèi)人員活動(dòng)規(guī)律等）和室內(nèi)設(shè)定溫度值的要求，動(dòng)態(tài)計(jì)算出建筑物的各時(shí)段負(fù)荷、能耗情況。

3  自遮陽分析

    南方地區(qū)夏季太陽輻射強(qiáng)烈，對(duì)室內(nèi)負(fù)荷影響較大，遮陽是減弱此影響的重要手段。在廣西、上海當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)住宅中，往往設(shè)置有自遮陽的形式。圖1為南方地區(qū)典型村鎮(zhèn)建筑剖面圖，圖中在建筑南向，一層廳堂上方設(shè)置二層露臺(tái)，用于日常晾曬用途，露臺(tái)盡頭設(shè)有挑檐的，挑檐從二層樓板向南出挑，此設(shè)計(jì)可以為一層起到遮陽的作用。以下分析將對(duì)這種自遮陽形式——露臺(tái)出挑長度對(duì)室內(nèi)累積冷負(fù)荷的影響做出分析。

    典型村鎮(zhèn)建筑形式中，一層的客廳(層高3.2 m)是露臺(tái)自遮陽直接影響的區(qū)域。熱負(fù)荷影響分析的變化條件為挑檐的出挑長度（從露臺(tái)向南向伸出的長度），寬度、設(shè)計(jì)形式以及材料均不發(fā)生變化。設(shè)置的計(jì)算條件如表7所示，一般認(rèn)為2m以內(nèi)為較合理的挑檐長度，高于2m的挑檐不做計(jì)算比較。另外，為更真實(shí)反映村鎮(zhèn)建筑的情況中分析室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)擾及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等參數(shù)均參照上一節(jié)的調(diào)研結(jié)果。

    圖2為以無挑檐的累積冷負(fù)荷作為基準(zhǔn)，挑檐長度改變后，廣西、上海在夏季6～8月份累積冷負(fù)荷的比例圖形。從圖形可得，當(dāng)設(shè)置挑檐后，客廳的累積冷負(fù)荷有明顯的下降趨勢，1.2 m的挑檐可以為上海、廣西的負(fù)荷客廳帶來14%與11.9%下降。其中，上海的下降幅度要高于廣西，這是由于上海的太陽高度角較廣西要低，水平挑檐在上海能夠遮擋更多的陽光。當(dāng)挑檐從1.2 m往更長長度增加時(shí)，上海的客廳冷負(fù)荷下降幅度分別為2.9%和2.3%，廣西的下降幅度分別為2.5%和2.1%，兩地的比例都趨于減小。

    總體上，在較合理的挑檐設(shè)置范圍內(nèi)，上海村鎮(zhèn)建筑夏季每0.3 m的挑檐長度可以為主要影響房間帶來平均3.2%的節(jié)能效益；廣西村鎮(zhèn)建筑每0.3 m的挑檐長度可以為主要影響房間帶來平均2.75%的節(jié)能效益。

4  太陽房分析

    對(duì)于位于寒冷與嚴(yán)寒地區(qū)的山東和遼寧，冬季供暖是主要訴求，太陽能作為廉價(jià)的一次熱源已經(jīng)在村鎮(zhèn)廣為利用。太陽房因其技術(shù)簡易可操作性較高，已逐漸成為村鎮(zhèn)利用太陽能的較好形式。下文對(duì)它的節(jié)能效果到底如何做了探討。

    圖3為在山東、遼寧當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)住宅中加入太陽房設(shè)計(jì)的典型平面圖，主要分3種太陽房設(shè)置形式：1）外凸型：三面都為玻璃，與客廳同寬，進(jìn)深0.8 m;2）內(nèi)凹0.8 m型：僅有南向一面為透光玻璃，進(jìn)深0.8 m;3）內(nèi)凹1.5 m型：僅有南向一面透光，進(jìn)深1.5 m。三者都位于建筑南向，緊挨客廳，與客廳與之設(shè)有門窗。

    類似挑檐，太陽房對(duì)室內(nèi)的影響集中于客廳，分析僅關(guān)注客廳冬季12月至次年2月的累積熱負(fù)荷。由于太陽房的設(shè)置對(duì)于客廳的供暖面積有一定影響，表8對(duì)設(shè)置不同太陽房時(shí)的客廳面積做了統(tǒng)計(jì)。累積熱負(fù)荷的比較以無太陽房的單位面積累積熱負(fù)荷為基準(zhǔn)。

    同樣，分析中室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)擾及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等參數(shù)均參照上一節(jié)的調(diào)研結(jié)果。

    圖4結(jié)果統(tǒng)計(jì)中，設(shè)置太陽房使客廳冬季的累積熱負(fù)荷得到了下降，遼寧的下降幅度為1.45%-4%，山東為2.96%～7.55%。下降趨勢在內(nèi)凹0.8 m太陽能房處出現(xiàn)拐點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)深過大后，影響了客廳冬季的采光，而太陽房本身玻璃比例較高，并不能起到非常好的隔熱作用。從比例上看，太陽房設(shè)置于山東比遼寧更具節(jié)能效果。

    總體上，在太陽房對(duì)冬季累積熱負(fù)荷的改善幅度在10%以下，偏北的寒冷地區(qū)改善幅度更小。設(shè)置形式中內(nèi)凹型要好于外凸型，但內(nèi)凹型的進(jìn)深不可過深，推薦在0.8m左右為宜。

5  結(jié)論

    本文較真實(shí)地反映了當(dāng)前中國村鎮(zhèn)住宅建筑的現(xiàn)狀，并運(yùn)用調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)分析了南方露臺(tái)自遮陽、北方太陽房對(duì)當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)冷、熱負(fù)荷的影響程度。主要得到的結(jié)論如下：

    1)村鎮(zhèn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能離現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還存在一段差距，室內(nèi)的照明、設(shè)備功率較小，村鎮(zhèn)居民對(duì)室內(nèi)溫度的期望要求相比城市要低。

    2)露臺(tái)自遮陽是南方村鎮(zhèn)建筑運(yùn)用較多的形式，這一形式可以顯著減少對(duì)受遮擋房間的夏季冷負(fù)荷，每0.3 m的挑檐長度在廣西、上海分別能減少負(fù)荷2.75%與3.2%。

    3)太陽房在偏北的寒冷地區(qū)對(duì)室內(nèi)負(fù)荷改善相對(duì)較小，設(shè)置形式以內(nèi)凹型為佳，進(jìn)深不宜過大，推薦0.8m左右。