夏热冬冷地区既有居住建筑室内热环境与节能优化研究

汪文静，方廷勇，荣 鼐，朱曙光

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230000)

近年来，随着我国人民生活水平的日益提高，从城市到乡镇，居民对于室内居住热环境的舒适性要求也随之提高。然而和城市建筑相比，农村自建房受经济条件和施工队的施工水平的制约，建房时很少考虑热舒适问题，建筑围护结构往往不进行保温处理，导致住宅热工性能差，并且为了维持室内热环境所需能耗大[1-2]。

文章拟采用Ecotect软件对宿州市埇桥区某乡镇一自建居民住宅进行模拟分析，发现该既有住宅建筑设计的热工和能耗缺陷，并给出改造措施。Ecotect软件是由Autodesk公司开发的建筑性能分析软件，是一款建筑物理环境模拟的工具。Ecotect 涵盖热、风、光、声、日照、经济性及环境影响与可视度等方面[3](P4)。方案中，在Ecotect软件中建模以后，通过计算机模拟分析该建筑模型各围护结构的热工性能，找出该自建住宅存在的问题，并具体提出优化方案；通过对优化后的住宅进行模拟，对比分析优化方案的可行性。

1 自建住宅概况

宿州市位于安徽北部，参照GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》，宿州市属于Ⅱ级区域指标中的夏热冬冷A区，四季分明，其中夏冬两季时间相对较长，热工分析时应着重考虑。根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T50785—2012非人工冷热源的情况下，Ⅱ级区的室内体感温度即宿州市的室内体感温度的上限和下限分别为16 ℃和30 ℃[4]。

通过对宿州市埇桥区祁县镇戴安村、祁县村、石桥村等村落自建住宅的实地考察，得出该区早期自建房多为平屋顶单层或双层住宅，近十多年内新增自建房多为双层或三层楼房，一般就寝空间坐落于二楼，一楼与三楼大多不用于就寝，因此热工分析时以二楼环境作为主要参考对象。

通过考察，得出该区域围护结构现状如下：

1)外墙。该区域自建住宅多为砖混结构，墙体材料为240 mm*115 mm*53 mm实心黏土砖，仍有个别农户居住在土坯房，其中采取保温措施的墙体微乎其微。大多数墙体为内外双面进行水泥砂浆抹灰，正门墙体外侧贴有瓷砖装饰。

2)窗。自建住宅窗的材质情况，主要有木窗、铝合金窗、铁窗，其中铝合金窗所占比例最大，木窗和铁窗只有少数早期自建住宅使用，且玻璃多为单层透明玻璃。

3)屋顶。调研发现，该区域屋顶形式中，近十年内的自建住宅多为坡屋顶，早期自建房多为平屋顶，且采取保温措施的住宅比例极少，已采取保温措施的住宅，保温措施为吊顶保温，该种方式是在室内吊顶装饰的龙骨上铺设一层轻质保温材料，保温效果极差。

4)地面。地面采取水磨石、大理石地板砖及木地板砖的形式较多，也有部分房屋采取红砖铺垫而后水泥砂浆抹灰的方式，极少有住宅采取地面保温措施。

2 研究方法

2.1 研究对象的选取

选取祁县镇一典型农户自建住宅为研究对象，住宅位于祁县镇祁县一中附近，房屋朝向坐北朝南，该处农户住宅户与户之间间隔较大，房屋四周农田较多，处于四周通透的状态。住宅卧室、客厅等都坐落于二楼，一楼不用于就寝。所选农户住宅围护结构构造详情见表1。

表1 住宅结构与围护结构构造详情

2.2 建立模型

该住宅为双层楼房，为了方便在Ecotect Analysis软件中建立模型，先把住宅分为七个区[5]，分别为一楼大厅(11100 mm*9000 mm),厨房(3000 mm*3400 m)，客厅(3700 mm*9000 mm)，主卧(3700 mm*4500 mm)，次卧1(3700 mm*4500 mm)，次卧2(3700 mm*4500 mm)，卫生间(3700 mm*2700 mm)。

按照上述七个区域在Ecotect Analysis中的 3D EDITOR 界面进行建模。

2.3 赋予材质

模型建立完成后，对模型各个围护结构材料进行赋值。一楼正门为双开铁门，余下房间的门为单层木质门；窗户材质赋值为铝合金；墙体材质为实心黏土砖；地面材质为实心黏土砖；楼板与屋顶均为钢筋混凝土预制板，具体材质构造见表1所建模型如图1。

图1 Ecotect中建立的住宅模型

2.4 热工分析

在软件中对各围护结构材质赋值以后，载入宿州市气象资料，分别对全年最热日和全年最冷日进行模拟计算，得到逐时温度曲线分析图、被动组分得热分析图和逐月能耗分析图，模拟分析时主卧与次卧辅以空调作为改善室内热环境的措施。

图2、图3为宿州最热一天与最冷一天全天逐时温度分析曲线，图形上反映了在24小时内客厅、主卧和次卧区域的逐时温度，以及室外温度、风速、太阳的直射与散射辐射的变化情况。软件模拟时，对于就寝空间主卧与次卧辅以空调改善室内热环境，空调使用时间设为每天21:00到5:00，所以主卧与次卧的夜间温度在曲线图上趋于平缓，夏季由于室外温度较高，室内在26 ℃左右；冬季由于室外温度较低，室内在18 ℃左右。而对于不使用辅助措施的时间段，以及客厅、卫生间等无辅助措施的区域，室内温度随室外温度变化而波动，且与室外温度差平均约5 ℃，建筑热工性能较差。

图2 最热日逐时温度曲线分析

图3 最冷日逐时温度曲线分析

图4为被动组分得热分析，从图形中可以得出，全年中的热损失有85.1%来自于围护结构，而太阳的各种辐射则是全年得热的主要来源。图5为逐月能耗分析，图中表示的是全年中自建住宅每月的能耗。图形中可以看出，全年里一月份的制暖耗能最多，约2050000 w；而制冷耗能在七月份最多，约300000 w，全年制暖耗能远远大于制冷耗能。

综合图4、图5，可以发现围护结构在该住宅的热舒适环境与节能改造上是重点优化对象；由于该建筑在制暖耗能上远远大于制冷耗能，优化时应注重加强围护结构的保温能力，比如采用双层中空玻璃代替单层玻璃，墙体增设保温材料，这样利用温室效应和围护结构的隔热能力可以大幅减少建筑的能耗并且可以更好平衡室外温度对室内温度的影响。

图4 被动组分得热分析

图5 逐月能耗分析

3 改进措施

3.1 屋顶优化

对于建筑顶层房间，通过屋面传导的热量占房间围护结构传热量的20%以上[6]。改善屋顶的热工环境，不仅可以有效地减少该建筑室内与室外的换热状况，还可以降低室外温度变化对于该住宅二楼室内温度的影响。

屋顶的优化措施有很多，例如铺设保温层、屋顶种植植被、屋顶蓄水、通风屋面等。对于该自建住宅，其屋顶为平屋顶，无保温措施，水平的屋面导致全天里所受日照长，太阳辐照度大，尤其是夏季，对室内热环境影响较大。优化模拟时考虑在该建筑屋顶增设坡屋顶，采取檐口通风的措施，建立通风隔热的隔热层。该种方式可以在原平屋顶与新增坡屋顶间形成一个通风的空气层，夏季打开檐口，可利用空气流动的方式带走部分热量，并且原先的一次传热变为两次传热；冬季封闭檐口，增加屋顶的保温隔热效果，可有效改善屋顶热工性能。

3.2 外墙体优化

外墙热工性能提升的方法主要有两类，一是利用各种保温材料构建保温墙体结构，二是构建双层中空的通风墙体结构，二者的作用原理和效果有所差异[7]。保温墙体作用原理是由于保温材料传热系数小，可以很好地隔离室内与室外两个存在温差的空间，有效地减小室内与室外热量的相互影响。而双层通风墙作用原理是利用在外墙外部增设的与原外墙密封的上下开有可封闭通风口的墙体，使得两墙体间形成一个可通风可封闭的空间。冬季寒冷时封闭通风口形成封闭的空间可起保温效果，而夏季炎热时打开通风口，可利用空间内空气的流动带走通道内的热量，从而减少热量对屋内的传递。

该自建住宅的墙体优化改造中，由于被调查区域部分住宅之间间隔较近，因此不考虑双层通风墙的改进措施，而是采取利用保温材料改善墙体热工性能的方案，优化模拟时所使用材料为15 mm水泥砂浆抹灰+100 mm EPS板+240 mm黏土实心砖+20 mm水泥砂浆抹灰。

3.3 窗优化

外窗的改造上主要考虑其保温性能与气密性[8]。该住宅建筑所采用的是铝合金单层玻璃窗，然而铝合金窗易变形，长久使用后，会导致密封性变差，因而冬季容易渗风，降低室内热环境舒适性，且因为是单层玻璃，夏季热传导能力高，对室内温度影响较大[9]。铝合金单层玻璃窗无论在夏季还是冬季所能表现出的热工性能都比较差。

优化时，将单层玻璃改为双层玻璃窗，在铝合金边框窗安装时，应注重边框与墙体之间气密性的处理，以防止长久使用后变形松动而导致的气密性降低，对于未内设窗帘的住宅，可考虑增设内置窗帘，用于夏季遮阳。夏季应勤通风，多利用自然风改善室内热环境。

3.4 优化效果模拟分析

将前述自建住宅模型屋顶以及其他围护结构改为优化后材料构造，进行模拟分析。为了方便对比分析优化后与优化前的建筑室内温度的变化，在进行逐时温度分析时，主卧与客厅以及一楼大厅进行优化，而次卧不给予优化改造，即以主卧代表优化后建筑，以次卧代表优化前建筑，得到图6最热日和图7最冷日主卧与次卧温度对比分析曲线和优化后的逐月能耗分析为图9。

图6 最热日温度对比分析曲线

图7 最冷日温度对比分析曲线

图8 逐月能耗分析

图6图7中可以看出，夏季最高气温时，主卧温度相比于次卧温度降低了1 ℃～2 ℃；冬季最低气温时，主卧温度相比于次卧温度升高了2 ℃～3 ℃，说明改善后的建筑较改善前室内热舒适性能有所改善。

图8为优化后的室内逐月能耗图，从图中可以看到全年里制暖耗能在一月份最多，约600000 w；而制冷耗能在七月份最多，约200000 w。冬季制暖耗能降低了近70%，夏季制冷耗能降低了近33%，说明增设破屋顶作为隔热层，改善墙体保温性能以及优化外窗的保温与气密性能，可以有效地降低室外温度对室外的影响，大大降低用辅助设施保持室内热环境时所需消耗的能量。

4 结论

虽然围护结构的优化改造在最冷日和最热日分析曲线中，并不能在不使用辅助措施制冷制暖的情况下使得室内温度达到《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T50785—2012Ⅱ级区上下限16 ℃和30 ℃的要求，但是对于室内与室外热传导的改善起到了明显的效果。

利用增设的坡屋顶形成隔热层改善屋顶的保温隔热性能，利用保温材料Eps板改善外墙体的保温隔热性能，单层玻璃改为双层玻璃以及注重铝合金窗框架气密性处理改善外窗的保温能力和气密性等措施不仅使得住宅的夏冬两季室内温度有所改善，更是在建筑的节能上起到了明显的效果，改造前与改造后的逐月能耗分析数据说明，该区域自建住宅在节能的改造上拥有着较大的潜力。