夏热冬冷地区新农宅夏季室内热环境调查及节能改造方案优化设计

赵灵犀 欧阳金龙



夏热冬冷地区新农宅夏季室内热环境调查及节能改造方案优化设计

赵灵犀 欧阳金龙

（四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

为了解当前夏热冬冷地区新农宅的室内热环境现状，根据湖北省当阳市某新农宅调研数据和室内、外温湿度实测结果，分析其室内热环境；结合测试结果，通过正交试验设计和空调能耗模拟手段对影响新农宅能耗的多个因素进行量化分析，提出节能改造措施。实测表明：新农宅夏季室内平均温度为31.5℃，平均湿度为77.4%，且随着楼层越高室内平均温度越高，波动幅度越大，而相对湿度变低，波动幅度变大。能耗模拟表明：考虑节能措施时，应优先考虑新农宅外墙的热工性能，即降低传热系数，其次可考虑提高外窗以及屋顶的热工性能。

新农宅；正交设计；节能改造；能耗模拟

0 引言

当前农村住宅多自发建造，缺乏规划和设计，而且由于看重经济性，极少采用建筑围护结构的保温隔热措施，大部分还是依靠建筑本身和自然资源来调节室内热环境，其热环境质量较差。2017年，我国农村地区常住人口总数约为5.77亿人，占总人口比重的41.48%[1]。农村地区的能源生产与消费是我国能源战略的重要组成部分[2]。并且由于农村的经济水平有限，住宅能耗较高和室内舒适度基本被忽略[3]。但随着农村居民生活水平的渐渐提高，逐渐不满足于过去的居住环境，对农宅舒适度的要求变得也越来越高，转而追求更舒适、更具有现代特色的居住模式，故新农宅的建设已经成为趋势。近年来，已有相继有一些针对夏热冬冷地区农宅室内热环境的研究[4-8]，农宅热舒适度调查的研究[9-11]，农村居住建筑现状调查与能耗分析[12]，以及不同地区农宅节能改造的研究[13-15]和农村居住建筑人行为对建筑空调能耗的影响[16]。但我国不同地区的农村居民生活方式大相径庭，气候特点也迥然相异，故这些研究远远不够。为了解和掌握夏热冬冷地区新农宅的室内热环境现状和建筑能耗情况，本文将选取湖北省当阳市区某新农宅作为研究对象，通过现场测量、实地调研、正交试验设计、能耗模拟等研究手段，定量分析夏热冬冷地区新农宅建筑室内热环境现状并提出切实可行的节能改造方案进行能耗模拟分析。

1 案例农宅的介绍

选取湖北省当阳市某新农宅（见图1）为研究对象，属于夏热冬冷地区，地理位置见图2；围护结构热工参数见表1，农宅平面结构与测点布置见图3；本次研究的流程见图4。

图1 案例农宅外形图

图2 湖北省当阳市地理位置

表1 围护结构热工参数

2 案例农宅的温湿度测量

采用TESTO-174H温湿度自记仪，对室内热环境进行实测。测试时间选在2017/8/18～2017/8/22（夏季）。此自记仪温度测量范围：-20～50℃，准确度：±0.5℃；湿度测量范围：0～100%RH，精度：±3%RH。考虑案例农宅户型、热扰、人体活动空间等因素，将室内测点置于各房间的几何中心附近，室外测点置于院坝，测点离地高度为1.5m。

3 案例农宅的实测结果整理及分析

根据实测期间内的实际气候状况，选择有效实测期间内的2017/8/20的数据进行整理及分析，由于实际情况的限制，实测时间在并非处于最热月，故该测试不能完全代表最热的极端温度状况，但该数据是在实际情况下遇到的气候状况，具有普遍代表性。

图3 案例农宅平面结构与测点布置

图4 农宅研究路线

3.1 夏季室内、外空气温度和相对湿度实测结果与分析

在农宅中，因居民休息活动的区域主要集中在第一层，故选取第一层中的卧室、客厅和室外几个典型测点数据进行分析。室内、外空气温度和相对湿度实测结果见图5、6。分析可得以下结论：

（1）在有效实测期间内，室内最高温度是32.7℃，最低温度为30.1℃，平均温度为31.5℃左右，室内空气温度大于28.0℃，白天最高室温都逼近人体皮肤临界温度33℃，会有炎热的感觉，室内热环境很差。

（2）室内相对湿度变化范围为73.0～81.9%，平均值为77.4%；可以看出室内相对湿度变化范围较大，不符合正常的湿度范围30.0～60.0%，且平均值大于75.0%。

图5 室内、外空气温度逐时变化

图6 室内、外空气湿度逐时变化

3.2 夏季新农宅各楼层平均温度、相对湿度实测结果分析

夏季各楼层平均温度、相对湿度实测结果见表2；各楼层平均温度、湿度变化分别见图7、8。对有效实测数据进行分析可得以下结论：

（1）各楼层平均温度变化趋势基本相同。第一层变化范围30.8～32.5℃，平均值31.7℃，变化幅度1.7℃；第二层变化范围33.8～35.4℃，平均值34.8℃，变化幅度1.6℃；第三层变化范围34.9～38.6℃，平均值36.9℃，变化幅度3.7℃；由此可知，随着楼层越高室内温度越高，波动幅度也变大，因为顶层直接接受太阳辐射。

（2）各楼层相对湿度变化趋势基本一致。第一层变化范围73.9～79.6%，平均值76.9%，变化幅度5.7%；第二层变化范围63.7～68.2%，平均值66.2%，变化幅度4.5%；第三层变化范围54.9～63.9%，平均值59.4%，变化幅度9.0%；由此可知，楼层越高室内相对湿度越低，波动幅度越大，其主要受温度变化的影响。

表2 夏季各楼层平均温度、相对湿度实测结果

图7 各楼层平均温度变化图

图8 各楼层平均湿度变化图

4 室内热环境与能耗模拟

4.1 模拟方案设计

对新农宅的围护结构进行节能设计，通过对节能方案和模拟能耗结果进行比较分析，得出提高围护保温、隔热性能与节能的有效措施，从而为新农宅的实际围护结构设计提出具有参考意义的措施。

设计中与夏热冬冷地区新农宅能耗有关的因素中有：朝向、窗墙比、外窗类型、屋顶构造、外墙构造。模拟方案中研究外墙构造、外窗类型、屋顶构造这3个因素，每个因素有3个水平，因不作方差分析，故不考虑各因素的交互作用。结合朱磊[17]等人对成都住宅建筑节能的研究思路，选用L9(33)正交表来安排试验。试验需要9次模拟计算。正交试验设计见表3。

表3 空调能耗分析正交表设计

4.2 计算模式

本文以湖北省当阳市区某新农宅为基础建筑模型。检查《中国建筑热环境分析专用气象数据集》的数据[18]，没有该地区的数据，但根据实际情况采用靠近该地区的宜昌气象数据进行模拟，并选取最冷月1月和最热月7月的典型日的室外气象参数对该住宅进行数值模拟，模拟计算工具采用DeST-h软件。

根据笔者调研发现，该地区农村以人口为3～4人的家庭为主，农村住宅需要供暖、空调的仅有卧室；其中人员发热量均为53W/人，产湿量均为61g/人·h。室内人员设备等的发热量为4.3W/m2，室内照明的发热量为0.0141kWh/m2；根据国家发布的《农村居住建筑节能设计标准》[19]要求设置冬季房间换气次数为1/h，夏季为5/h。同时考虑到农村居民朴素与节俭的生活习惯选择供暖空调设备控制参数和运行模式，见表4。研究中为比较上述设计方案的空调节能率，设研究对象实际设计为方案10作为参照组。正交表各因子水平见表5。

表4 空调系统设置

表5 正交表因子水平取值

5 模拟结果与分析

5.1 正交试验设计方案结果分析

正交设计表中9种试验方案与参照方案能耗模拟计算结果见表6。

表6 能耗模拟结果

采用极差分析法分析试验1-9，确定其影响重要程度，并进行影响因素主次排序，极差影响结果见表7。

表7 能耗结果极差分析

注：表中*是因素外墙类型、外窗类型、屋顶类型的第*水平所在的试验中对应空调总能耗。

通过对正交试验设计方案的极差分析发现影响夏热冬冷地区新农宅能耗相关影响因素重要程度排序为：外墙类型＞外窗类型＞屋顶类型。故在考虑节能措施时，应首先重点考虑新农宅的外墙的热工性能，即降低传热系数。

5.2 节能对比分析

根据试验组的能耗模拟结果计算其节能率，结果见表6。可以发现正交设计方案中9个方案都实现了节能的目的，且节能率都在30%以上，方案7节能率最高，达到52.4%。

其中5个方案节能率达到40%以上且其外窗保温因子水平取值均在“2”或“3”，进一步说明对于新农宅节能改造应提高外窗的热工性能。

6 结论

（1）目前湖北省农宅室内热环境较差，很难满足人体热舒适要求。在夏季，新农宅室内空气平均温度为31.5℃左右，最高室温都逼近人体皮肤临界温度33℃，会有炎热的感觉。室内相对湿度变化范围为73.0～81.9%，不符合正常的湿度范围30～60%。

（2）对于新农宅，楼层越高夏季室内温度越高，波动幅度越大，而相对湿度越低，波动幅度越大。

（3）通过正交试验设计方案的极差分析发现影响夏热冬冷地区新农宅空调能耗相关影响因素重要程度排序为：外墙类型＞外窗类型＞屋顶类型；结合9种方案的节能率，设计人员在进行农宅优化设计时可根据这几个因素的主次顺序来确定重点优化的部分。此外在考虑空调节能措施时，应首先重点考虑新农宅的外墙的热工性能，即降低传热系数。此外还可考虑其他节能措施，可提高外窗以及屋顶的热工性能。

[1] 国家统计局.2017年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201802/t20180228_1585631.html, 2018-02-28.

[2] 田宜水.2013年中国农村能源发展现状与趋势[J].中国能源,2014,36(8):10-14.

[3] 刘政轩.湖南地区农村住宅围护结构调研与保温隔热性能研究[D].长沙:湖南大学,2015.

[4] 曹珍荣,龚光彩,徐春雯.夏热冬冷地区农村居住建筑冬季室内热环境测试[J].暖通空调,2013,43(S1):279-282.

[5] 刘建龙,夏小倩,张海平,谢洁南.湘东地区村镇住宅室内热环境调查分析[J].湖南工业大学学报,2013,27(04):34-40.

[6] 雷亚平,林忠平.四川盆地地区农村住宅冬季热环境实测与评价[J].建筑科学,2009,25(12):39-43,66.

[7] 宋平,唐鸣放,郑开丽.重庆农村住宅热环境实测与评价[J].建筑科学,2015,(6):118-123.

[8] 彭小云,王凯.农村住宅热环境测试研究[J].四川建筑科学研究,2014,40(2):317-319.

[9] 张齐,张其林,雷克.基于实测的不同地域村镇住宅热舒适度研究[J].建筑科学,2014,(10):135-140.

[10] 李慧星,吴珊,冯国会,等.农村被动式住宅通风换气对室内热舒适性影响模拟分析[J].建筑节能,2016,(7):1-5.

[11] 周淋萱,何颖东,李念平,等.湘西地区冬季农村住宅热舒适调查[J].建筑科学,2016,(10):29-33.

[12] 孟曦,王索,王彩霞,等.西部农村地区居住环境与能耗现场调研分析[J].四川建筑科学研究,2016,(4):129-133.

[13] 卢玫珺,王桂秀,范伊.寒冷地区既有农村住宅节能改造方案优化设计[J].新型建筑材料,2009,(10):45-47.

[14] 邵妮娜,张吉礼,马良栋.辽南地区农村住宅优化设计[J].大连理工大学学报,2016,(4):390-395.

[15] 张丽丽,刘飞,侯佳汶,等.鲁西南地区既有农宅室内热环境优化研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2016,(1):122-127.

[16] 赵倩,林建泉,黄忠,等.重庆农村居住建筑人行为对建筑空调能耗的影响[J].制冷与空调,2017,31(6):627-635.

[17] 朱磊,余南阳.成都住宅建筑实现节能65%目标的影响因素研究[J].制冷与空调,2017,31(6):636-641.

[18] 宋芳婷,诸群飞,吴如宏,等.中国建筑热环境分析专用气象数据集[C].全国暖通空调制冷2006学术年会资料集,2006:252.

[19] GB/T50824—2013,农村居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

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

国家自然科学基金面上项目资助（51578350）

赵灵犀（1993.05-），男，在读硕士研究生，E-mail：27650614@qq.com

欧阳金龙（1976.12-），男，博士，教授，E-mail：ow761202@scu.edu.cn

2018-05-31