基于村鎮建筑調研數據的自遮陽與太陽房分析（建筑）

                                    范昕杰

                            華東建筑設計研究院有限公司

摘要：本文介紹廣西、上海、山東、遼寧四個地區村鎮建筑圍護結構、生活習慣、室內期望溫度的調研結果，統計了當前村鎮的建筑熱工性能，能耗水平及居民對室內溫度的要求。隨后基于調研得到的室內期望溫度等數據，模擬分析自遮陽與太陽房對室內負荷的影響作用，在比較不同自遮陽與太陽房的設置形式后獲得了一些有用結論，對于村鎮繼續開展示范工程建設和推進建筑節能具有現實意義。

關鍵詞：村鎮建筑期望溫度自遮陽太陽房

0  引言

    隨著村鎮居民生活水平日益改善，建筑能耗大幅增加。然而現有建設規范與標準由于村鎮社會環境與生活習慣與城市不同而無法準確發揮作用，村鎮建筑節能亟需專業指導。村鎮建筑節能關鍵技術集成與示范課題針對村鎮建筑特征、圍護結構、生活習慣、室內期望溫度等展開了全面調研，實地考察了廣西、上海、山東、遼寧等五個地區，地域范圍涵蓋了夏熱冬暖、夏熱冬冷、寒冷、嚴寒四個氣候區，收集村鎮建筑的第一手資料，從中歸納的建筑現狀、特點可以為大量村鎮建筑節能作參考，對推進節能研究與示范工程的建設有極大的作用。本文對這些寶貴的調研結果進行了部分歸納，并作為分析不同氣候區自遮陽與太陽房兩個節能措施的研究依據，并將分析結論用于指導示范工程建設。

    在調研基礎數據上，本文分析南方地區自遮陽與北方地區太陽房利用對室內制冷與采暖負荷的直接影響。其中南方地區是以廣西與上海示范區為代表，北方地區以山東與遼寧示范區為代表。

1  村鎮住宅圍護結構特點

1.1圍護結構形式

    在廣西、上海、山東、遼寧等地村鎮中，課題組走訪了113戶居民，對當地典型建筑結構體系、外墻材料、屋頂形式、門窗材料等圍護結構參數做了調研。表1為主要調研結果，結果顯示各地的建筑形式多以獨棟為主，結構基本為磚木結構，僅上海較多采用磚混結構，坡屋頂為最多被采用的形式；外墻從南方向北方依次增厚，廣西村鎮居民屋頂多為上人屋面，采用較多鋼筋混凝土結構形式，上海山東則采用木望板，遼寧在鋼筋混凝土的基礎上加入的原始保溫材料黃土埋草泥用于保溫；外窗上四個地區均采用單層窗形式，南方地區為多用鋁合金門窗，北方地區沿用木質門窗。

    根據圍護結構調研結果對熱工性能進行了統計（表2），廣西的各項傳熱系數最高，沈陽的最低，上海的外墻、屋頂與山東相當，但山東的外窗、外門傳熱系數更小。總體上，村鎮圍護結構的傳熱系數與當地的氣候條件有很大關系，距離城市的節能標準還有一定差距。

1.2人員與內擾

    村鎮住宅多獨棟獨戶，房間較多，但由于外出務工，平均居住人數僅3人，上海4人，四個示范區的戶均人數見表3。通過對當地村鎮居民的走訪，發現日常作息與城市居民不同，白天使用率相對較高，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。

村鎮居民家用電器的擁有量還未跟上城市水平，照明、設備的使用與城市公建、住宅存在較大不同，照明功率與電器設備功率的密度普遍較低。表4對四個地區的家電器擁有量進行了統計，統計中發現，節能燈已經普及，燈具的功率多為40 W，電視機多為21英寸彩電，功率約100 W;家用冰箱功率150～180 W，洗衣機容量為2公斤的功率為250 W，電腦功率300 W，其它家電設備包括電腦、吸塵器、微波爐、電飯煲等，功率合計在200 W左右。各個示范區中，上海村鎮電視機，電腦的擁有量高于其他地區，廣西在這幾個地區中的擁有水平相對最低，遼寧與山東相當。以上數據較為準確地提供了村鎮建筑室內熱擾的水平度，相應的設備和照明功率密度是在以上調研結果下得出的。

1.3期望溫度

    村鎮居民由于生活習慣的差異，并不適用城市慣用標準的室內設計溫度。為了解冬夏季對室內舒適溫度的要求，專門對村鎮居民做了調研，調研的樣本分布如表5。調研中接近500多名村鎮居民接受了問卷調查，盡量多的選擇不同年齡與性別的居民作為樣本以反映對室內熱環境的不同要求，同時記錄受試者的衣著情況。

    調查樣本的年齡層次在40歲上下，接受調查與測試時被調查人員處于靜坐狀態。受試人員的夏冬季衣著量與氣候區類型基本相似，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，逐步改變室內溫度，調查滿意度分布，通過回歸分析得到，具體如下表。例如上海，當冬季室內溫度處于11.3℃時，居民的熱不接受程度最低，可認定達到室內最佳舒適溫度。在進一步的分析中，表6溫度作為室內設計溫度。

2  分析軟件

    采用能耗分析軟件eQUEST對建筑進行動態模擬。eQUEST是一款于DOE-2.2基礎上開發的建筑能耗分析軟件，可以根據輸入的建筑情況（包括圍護結構材料、供暖空調方式、室內人員活動規律等）和室內設定溫度值的要求，動態計算出建筑物的各時段負荷、能耗情況。

3  自遮陽分析

    南方地區夏季太陽輻射強烈，對室內負荷影響較大，遮陽是減弱此影響的重要手段。在廣西、上海當地傳統住宅中，往往設置有自遮陽的形式。圖1為南方地區典型村鎮建筑剖面圖，圖中在建筑南向，一層廳堂上方設置二層露臺，用于日常晾曬用途，露臺盡頭設有挑檐的，挑檐從二層樓板向南出挑，此設計可以為一層起到遮陽的作用。以下分析將對這種自遮陽形式——露臺出挑長度對室內累積冷負荷的影響做出分析。

    典型村鎮建筑形式中，一層的客廳(層高3.2 m)是露臺自遮陽直接影響的區域。熱負荷影響分析的變化條件為挑檐的出挑長度（從露臺向南向伸出的長度），寬度、設計形式以及材料均不發生變化。設置的計算條件如表7所示，一般認為2m以內為較合理的挑檐長度，高于2m的挑檐不做計算比較。另外，為更真實反映村鎮建筑的情況中分析室內設計溫度、內擾及圍護結構等參數均參照上一節的調研結果。

    圖2為以無挑檐的累積冷負荷作為基準，挑檐長度改變后，廣西、上海在夏季6～8月份累積冷負荷的比例圖形。從圖形可得，當設置挑檐后，客廳的累積冷負荷有明顯的下降趨勢，1.2 m的挑檐可以為上海、廣西的負荷客廳帶來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。當挑檐從1.2 m往更長長度增加時，上海的客廳冷負荷下降幅度分別為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，在較合理的挑檐設置范圍內，上海村鎮建筑夏季每0.3 m的挑檐長度可以為主要影響房間帶來平均3.2%的節能效益；廣西村鎮建筑每0.3 m的挑檐長度可以為主要影響房間帶來平均2.75%的節能效益。

4  太陽房分析

    對于位于寒冷與嚴寒地區的山東和遼寧，冬季供暖是主要訴求，太陽能作為廉價的一次熱源已經在村鎮廣為利用。太陽房因其技術簡易可操作性較高，已逐漸成為村鎮利用太陽能的較好形式。下文對它的節能效果到底如何做了探討。

    圖3為在山東、遼寧當地傳統住宅中加入太陽房設計的典型平面圖，主要分3種太陽房設置形式：1）外凸型：三面都為玻璃，與客廳同寬，進深0.8 m;2）內凹0.8 m型：僅有南向一面為透光玻璃，進深0.8 m;3）內凹1.5 m型：僅有南向一面透光，進深1.5 m。三者都位于建筑南向，緊挨客廳，與客廳與之設有門窗。

    類似挑檐，太陽房對室內的影響集中于客廳，分析僅關注客廳冬季12月至次年2月的累積熱負荷。由于太陽房的設置對于客廳的供暖面積有一定影響，表8對設置不同太陽房時的客廳面積做了統計。累積熱負荷的比較以無太陽房的單位面積累積熱負荷為基準。

    同樣，分析中室內設計溫度、內擾及圍護結構等參數均參照上一節的調研結果。

    圖4結果統計中，設置太陽房使客廳冬季的累積熱負荷得到了下降，遼寧的下降幅度為1.45%-4%，山東為2.96%～7.55%。下降趨勢在內凹0.8 m太陽能房處出現拐點，這是因為當進深過大后，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，太陽房設置于山東比遼寧更具節能效果。

    總體上，在太陽房對冬季累積熱負荷的改善幅度在10%以下，偏北的寒冷地區改善幅度更小。設置形式中內凹型要好于外凸型，但內凹型的進深不可過深，推薦在0.8m左右為宜。

5  結論

    本文較真實地反映了當前中國村鎮住宅建筑的現狀，并運用調研獲得的數據分析了南方露臺自遮陽、北方太陽房對當地村鎮冷、熱負荷的影響程度。主要得到的結論如下：

    1)村鎮的圍護結構熱工性能離現行節能標準還存在一段差距，室內的照明、設備功率較小，村鎮居民對室內溫度的期望要求相比城市要低。

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

    3)太陽房在偏北的寒冷地區對室內負荷改善相對較小，設置形式以內凹型為佳，進深不宜過大，推薦0.8m左右。