邵 妮 娜，　張 吉 禮，　馬 良 棟

( 大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連　116024 )

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遼南地區(qū)農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵 妮 娜，張 吉 禮，馬 良 棟*

( 大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連116024 )

摘要：面向遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅，對(duì)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、冬季室內(nèi)熱環(huán)境等方面展開(kāi)實(shí)地調(diào)研，提出基于自然室溫的農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)值模擬分析研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)各參數(shù)、平面布局、住宅體型對(duì)室內(nèi)溫度的影響．結(jié)果表明：南向窗墻比是影響室內(nèi)溫度的主要因素，南向窗戶尺寸是農(nóng)村住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．依據(jù)獲得的各參數(shù)最佳組合，提出一套適用于遼寧南部地區(qū)的優(yōu)化住宅，為該地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)提供理論指導(dǎo)．

關(guān)鍵詞：農(nóng)村住宅；住宅優(yōu)化；正交試驗(yàn)；低能耗；TRNSYS

0引言

近幾年，節(jié)能、低碳、可持續(xù)已成為社會(huì)發(fā)展的主流．據(jù)2012年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑總能耗為8.62億tce，農(nóng)村住宅能耗占建筑總能耗的1/3，其單位面積用能11 kgce/m2，更是高于城鎮(zhèn)住宅的單位面積用能9 kgce/m2[1]．農(nóng)村住宅建造不規(guī)范，外墻、屋頂、門(mén)窗仍采用傳統(tǒng)做法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差，冬季冷風(fēng)滲透嚴(yán)重等，皆是農(nóng)村用能量大、能耗強(qiáng)度高的主要原因[2-5]．優(yōu)化住宅熱工性能、規(guī)范農(nóng)村住宅建造是降低農(nóng)村住宅能耗、實(shí)現(xiàn)農(nóng)村住宅可持續(xù)發(fā)展的重要手段．

本文以遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅為例，在實(shí)地調(diào)研了解農(nóng)村住宅現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法分析研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度的影響，確定室內(nèi)溫度的主次要影響因素及各參數(shù)的最佳組合形式，以此得到適用于遼寧南部地區(qū)的優(yōu)化住宅，為該地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)提供理論指導(dǎo)．

1農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

為獲取農(nóng)村住宅平面布局及圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建造施工、室內(nèi)熱環(huán)境等情況，課題組于2013年8月面向大連市安波鎮(zhèn)4個(gè)典型村102戶住戶展開(kāi)調(diào)研，并于2014年1月19日至2月25日連續(xù)測(cè)試5戶典型傳統(tǒng)住宅臥室溫度，拍攝記錄墻面溫度．

圖1為遼寧南部地區(qū)典型農(nóng)村住宅外觀及室內(nèi)布局形式．從調(diào)研情況來(lái)看，遼寧南部地區(qū)農(nóng)村住宅外墻、屋頂、門(mén)窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)做法．外墻以磚石結(jié)構(gòu)為主，無(wú)保溫措施，傳熱系數(shù)約3.24 W/(m2·K)．窗戶多采用單層塑鋼、木質(zhì)窗框，木窗由當(dāng)?shù)啬竟ぜ庸ざㄗ?，密閉性差，使用一段時(shí)間后易發(fā)生變形，冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，傳熱系數(shù)為3.5～5.8 W/(m2·K)．屋頂以“檁子+椽子”為構(gòu)架，其上敷設(shè)8 mm石瓦，無(wú)保溫措施，傳熱系數(shù)約0.95 W/(m2·K)．整體而言，住宅保溫隔熱性能差，不利于營(yíng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境．除此之外，由于住宅進(jìn)深較短，在5～6 m，不論采用當(dāng)?shù)剌^常見(jiàn)的“一明兩暗式”或部分住宅采用的“南北通透式”平面布局，北向墻體冷輻射均會(huì)直接影響住宅熱環(huán)境，降低室溫．

(a) 　　(b)

圖2給出了測(cè)試期間住宅室內(nèi)外溫度分布狀況，農(nóng)村住宅室內(nèi)溫度整體偏低，絕大部分溫度處在9～14 ℃，部分住宅溫度甚至在4～12 ℃，住宅冬季較冷．為改善住宅熱環(huán)境，降低采暖能耗，有必要從影響室內(nèi)溫度的因素著手，對(duì)農(nóng)村住宅進(jìn)行優(yōu)化．

圖2　測(cè)試期間住宅室內(nèi)外溫度

2基于自然室溫的農(nóng)村住宅優(yōu)化

2.1研究方法

目前，國(guó)內(nèi)外建筑優(yōu)化、改造及設(shè)計(jì)大多以建筑冷熱負(fù)荷為研究基準(zhǔn)，通過(guò)設(shè)定室內(nèi)溫度在規(guī)范要求的范圍內(nèi)模擬建筑全年總耗熱量，以耗熱量的大小判斷確定最優(yōu)方案[6-9]．農(nóng)村住宅由于面積小，自身耗熱量相對(duì)較低，受模擬計(jì)算誤差影響，不同模擬條件下的住宅耗熱量相差不大，因此對(duì)于農(nóng)村住宅而言，通過(guò)判定耗熱量大小確定住宅是否最優(yōu)并不理想．

被動(dòng)式住宅旨在通過(guò)提高住宅自身性能而非過(guò)多依賴其他手段降低能源消耗量，使室內(nèi)溫度滿足住戶要求，室內(nèi)溫度不能滿足要求時(shí)再在此基礎(chǔ)之上借助其他手段．當(dāng)住宅無(wú)采暖時(shí)，室內(nèi)溫度的高低反映出住宅的性能優(yōu)劣，此時(shí)室內(nèi)溫度即為自然室溫，其數(shù)值越高，住宅性能越好．在東北農(nóng)村，受生活模式、生活習(xí)慣的影響，農(nóng)戶對(duì)不同房間的溫度需求不同[10]，主臥的溫度需求明顯高于其他房間．這就要求農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量提高主臥溫度．為此本文在住宅無(wú)熱源情況下進(jìn)行模擬，以各房間自然溫度作為模擬目標(biāo)，通過(guò)比較模擬目標(biāo)值確定住宅最優(yōu)方案．

建筑室內(nèi)溫度的影響因素眾多，涉及墻體、屋頂、門(mén)窗等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、平面布局、體型系數(shù)等，而體型系數(shù)又受住宅進(jìn)深、開(kāi)間、高度控制，若每個(gè)因素有3種取值，則共有37種方案，即2 187種，若采用能耗模擬軟件進(jìn)行研究則意味著相當(dāng)大的工作量．為降低模擬分析工作量，提高研究效率，這里采用正交試驗(yàn)指導(dǎo)模擬．

2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)?zāi)芊褚陨倭康脑囼?yàn)次數(shù)較準(zhǔn)確地反映結(jié)果，關(guān)鍵在于因素及對(duì)應(yīng)水平值的選取[11-12]．考慮到初期對(duì)問(wèn)題的簡(jiǎn)化以及研究時(shí)間、模擬規(guī)模，選定9個(gè)影響因素，表1給出了模擬因素及水平．根據(jù)選取的因素及水平選用L18(2×37)正交表．

表1　正交試驗(yàn)?zāi)M因素及對(duì)應(yīng)水平

2.3模擬工況

本文采用TRNSYS(transient system simulation program，瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序)軟件進(jìn)行研究，TRNSYS最初由美國(guó)威斯康星大學(xué)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，后經(jīng)歐洲一些研究所逐步完善，是目前使用較廣、可靠性較高的商業(yè)軟件．建筑模型平面布局采用遼寧南部地區(qū)農(nóng)村最常見(jiàn)的典型四間房形式(平面圖見(jiàn)圖1(b))，外墻為300 mm水泥實(shí)心磚，砂漿厚20 mm；屋頂為鋼筋混凝土，屋面敷設(shè)灰色玻纖瓦；采用EPS(聚苯板)保溫，受其價(jià)格及傳熱系數(shù)變化率的綜合制約，外墻、屋頂?shù)谋貙舆x用投入產(chǎn)出比較高的40、60、80 mm 3種厚度；窗戶類型共3種，單框單層塑鋼、雙框單層塑鋼、單框雙層塑鋼．氣象參數(shù)取軟件自帶的大連典型氣象年數(shù)據(jù)．農(nóng)村住宅屬低層建筑，冷風(fēng)滲透可忽略熱壓，只考慮風(fēng)壓作用，通過(guò)滲透次數(shù)來(lái)確定，其數(shù)值為房間不同朝向的冷風(fēng)滲透空氣量與該房間體積之比，其中冷風(fēng)滲透空氣量為當(dāng)?shù)厥彝馄骄L(fēng)速下每米門(mén)窗縫隙滲入室內(nèi)的空氣量、門(mén)窗縫隙計(jì)算長(zhǎng)度與滲透空氣量的朝向修正系數(shù)三者之積．模擬在住宅無(wú)熱源情況下進(jìn)行，即自然室溫下，其結(jié)果以建筑主臥平均自然溫度及其他房間平均自然溫度為指標(biāo)，采用綜合平衡法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析．綜合平衡法先對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，找出各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)的水平值，再將各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)的水平值綜合平衡，進(jìn)而確定兼顧各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能好的因素組合．

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析討論

表2給出了基于TRNSYS軟件模擬得到的采暖季(12月至次年3月)住宅主臥及其他房間平均溫度情況．

在上述模擬方案中，17號(hào)試驗(yàn)主臥平均溫度及其他房間平均溫度均達(dá)到最大值，然而由于進(jìn)行的18次試驗(yàn)僅占全面試驗(yàn)2×37=4 374的1/243，通過(guò)直接對(duì)比得到的最優(yōu)因素組合并不一定是全面試驗(yàn)中最好的組合．極差分析通過(guò)分組控制其他因素在各組中出現(xiàn)的頻數(shù)相同以保證其對(duì)指標(biāo)影響對(duì)等，通過(guò)比較待研究因素各水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)和的大小確定該因素不同水平的優(yōu)劣程度，通過(guò)對(duì)比各因素極差大小確定因素對(duì)指標(biāo)的影響程度．具體如下：若要求指標(biāo)越大越好，則指標(biāo)和最大時(shí)對(duì)應(yīng)的水平值即為該因素的好水平；因素極差越大，表明該因素對(duì)指標(biāo)影響程度越大．該分析方法在比較某一因素不同水平優(yōu)劣程度及不同因素對(duì)指標(biāo)的影響程度時(shí)消除了其他因素對(duì)指標(biāo)的影響，較直接對(duì)比法能得到更為全面的結(jié)論．極差分析結(jié)果見(jiàn)表3．

表2　正交試驗(yàn)的室內(nèi)溫度模擬結(jié)果

表3　正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、平面布局等不同因素對(duì)住宅室內(nèi)溫度的影響程度不同，本文中農(nóng)村住宅各因素對(duì)室內(nèi)主臥溫度的影響程度依次為南向窗墻比(D)>輔助房間進(jìn)深(G)>住宅進(jìn)深(F)>屋頂保溫層厚度(B)>外墻保溫層厚度(A)>窗戶類型(C)>北向窗墻比(E)>住宅高度(H)；對(duì)輔助房間溫度的影響程度依次為南向窗墻比(D)>屋頂保溫層厚度(B)>窗戶類型(C)>外墻保溫層厚度(A)>住宅進(jìn)深(F)>北向窗墻比(E)>輔助房間進(jìn)深(G)>住宅高度(H)．對(duì)住宅主臥溫度、其他房間溫度而言，南向窗墻比均為主要影響因素，因此對(duì)住宅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化重點(diǎn)為南向窗戶尺寸．

(2)因素D(南向窗墻比)、G(輔助房間進(jìn)深)、F(住宅進(jìn)深)、A(外墻保溫層厚度)、C(窗戶類型)、E(北向窗墻比)、H(住宅高度)分別取D3、G3、F1、A3、C3、E1、H2時(shí)，住宅主臥溫度、其他房間溫度均達(dá)到各因素對(duì)應(yīng)的最大值；因素B(屋頂保溫層厚度)對(duì)其他房間溫度為主要影響因素，對(duì)主臥溫度為次要影響因素，由綜合平衡法的一般原則可知當(dāng)各指標(biāo)的重要性不一樣時(shí)，選取水平應(yīng)保證重要的指標(biāo)[11]，故取B3．經(jīng)綜合平衡，最后得到的較優(yōu)的組合為A3B3C3D3E1F1G3H2．該優(yōu)化組合條件下，采暖期間住宅主臥平均溫度為5.91 ℃，其他房間平均溫度為4.30 ℃，均高于表2中18次模擬溫度．

3農(nóng)村住宅優(yōu)化對(duì)比

3.1優(yōu)化方案選取

由綜合平衡法得到的優(yōu)化組合具體如下：外墻保溫層厚度為80 mm、屋頂保溫層厚度為80 mm、單框雙層塑鋼、南向窗墻比30%、北向無(wú)窗、住宅進(jìn)深6 m、輔助房間進(jìn)深2 m、住宅高度3 m．理論上該優(yōu)化組合為全面試驗(yàn)的最優(yōu)組合形式，然而住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮實(shí)際情況．上述優(yōu)化組合中，北向無(wú)窗，只能通過(guò)相鄰房間透過(guò)的光提高亮度，房間較暗，不能滿足農(nóng)戶對(duì)住宅亮度的需求．另外研究表明，建筑總進(jìn)深越小對(duì)提高室內(nèi)主要房間溫度越有利，但在北向輔助房間進(jìn)深一定時(shí)，南向主要房間的進(jìn)深也隨之減小，狹小的空間使得農(nóng)戶日?；顒?dòng)受限．為提高房間亮度、滿足農(nóng)戶對(duì)主要房間面積的基本需求，對(duì)優(yōu)化組合參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的方案為北向墻體設(shè)窗戶，窗戶面積盡可能小，窗墻比取10%，住宅進(jìn)深為7 m，其他參數(shù)均不變．調(diào)整后的優(yōu)化方案中，采暖期間住宅主臥平均溫度為5.33 ℃，其他房間平均溫度為3.77 ℃．室內(nèi)溫度較最優(yōu)方案有所降低，但較已進(jìn)行的18次試驗(yàn)均高，可認(rèn)為調(diào)整后的方案較優(yōu)，且調(diào)整后的優(yōu)化方案中房間亮度提高，更貼近農(nóng)戶對(duì)住宅亮度需求．調(diào)整后的優(yōu)化方案平面圖見(jiàn)圖3．

圖3　農(nóng)村住宅優(yōu)化平面圖

3.2優(yōu)化效果

傳統(tǒng)住宅、優(yōu)化住宅、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、體型系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4．較傳統(tǒng)農(nóng)村住宅而言，優(yōu)化后的住宅增設(shè)保溫層，熱工性能得到提高；住宅進(jìn)深、高度變大，體型系數(shù)減小，降低了單位面積耗熱量；平面布局由簡(jiǎn)單的南北通透式轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧牟季中问?，輔助房間的存在相當(dāng)于在南向主要房間與北向墻體之間增設(shè)溫度緩沖空間，南向主要房間溫度提高了近4 ℃．圖4給出了傳統(tǒng)住宅與優(yōu)化住宅在1 d內(nèi)的室內(nèi)溫度對(duì)比情況．

表4　傳統(tǒng)住宅、優(yōu)化住宅、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、體型系數(shù)對(duì)比

注：燒炕時(shí)間為早上7:00～8:00，中午10:00～10:30，晚上16:00～17:00

4結(jié)語(yǔ)

本文提出以溫度為參考標(biāo)準(zhǔn)的住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以室內(nèi)溫度作為模擬目標(biāo)，基于TRNSYS數(shù)值計(jì)算軟件模擬研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、平面布局、住宅體型等對(duì)室內(nèi)溫度的影響，通過(guò)對(duì)比各試驗(yàn)工況下室內(nèi)溫度變化情況，確定了影響室內(nèi)溫度的主次因素：對(duì)于農(nóng)村住宅主臥而言，南向窗墻比為主要影響因素，其次為輔助房間進(jìn)深、住宅進(jìn)深、屋頂保溫層厚度，北向窗墻比和住宅高度對(duì)主臥溫度影響非常??；對(duì)其他次要房間而言，南向窗墻比仍然為主要影響因素，其次為屋頂保溫層厚度、窗戶類型、外墻保溫層厚度、住宅進(jìn)深及北向窗墻比，輔助房間進(jìn)深和住宅高度對(duì)其影響很?。绊懯覂?nèi)溫度的主次因素的確定為住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)找到了行之有效的突破口，設(shè)計(jì)人員在住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)各因素的主次順序來(lái)確定重點(diǎn)優(yōu)化部位．另外，本文提出的優(yōu)化住宅較傳統(tǒng)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、平面布局、體型系數(shù)均有改善，且主要房間溫度提高了近4 ℃，可作為遼寧南部地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)的參考．

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文章編號(hào)：1000-8608(2016)04-0390-06

收稿日期：2015-12-23；修回日期: 2016-05-12．

基金項(xiàng)目:“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAJ10B02-03).

作者簡(jiǎn)介:邵妮娜(1989-)，女，博士生，E-mail:shaonina2012@163.com；馬良棟*(1976-)，男，副教授，E-mail:liangdma@dlut.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TU111.195

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.7511/dllgxb201604010

SHAONi-na,ZHANGJi-li,MALiang-dong*

( School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Abstract：Aiming at rural residence in southern region of Liaoning province, a site survey is carried out on thermal performance of building envelops and indoor thermal environment in winter.And rural residential optimization design method based on natural indoor temperature is given. The influence of parameters of building envelope, plane layout and building shape on indoor temperature is studied through numerical simulation by using orthogonal experimental design. The simulation results indicate that south window to wall ratio is the main factor that influences indoor temperature and the size of south window is the key point for rural residential optimization design. According to the obtained optimal combination of parameters, an optimized residence is proposed, which can be applied to southern region of Liaoning province. It will provide theoretical guidance to new rural construction in this region.

Key words：rural residence; residential optimization; orthogonal experiment; low energy consumption; TRNSYS