徽州传统民居外窗保温参数模拟研究

王姗姗,李建坤，钟杰

(1.安徽建筑大学 建筑与规划学院，安徽 合肥 230022；2.安徽地平线建筑设计事务有限公司，安徽 合肥 230000)

徽州传统民居是古徽州先人留下的建筑艺术瑰宝，它具有历史、文化、科技、艺术等多方面价值.随着当地居民生活水平的提高，现有传统民居室内环境已无法满足现代人对室内舒适度的需求.为了获得舒适的居住环境，在专业知识匮乏以及专业指导缺失的情况下，当地居民对传统民居进行了自主改造，改造后的传统民居不仅没有有效提升室内的热舒适度，也造成了资源、能源的浪费.本文利用计算机模拟作为分析手段，主要探讨徽州传统民居外窗在不同保温参数下室内舒适度的变化规律，为徽州传统民居可持续发展中室内舒适度改善提供科学的判断依据.

1 研究对象及方法

古徽州位于安徽省南部，地处浙、皖、赣三省的交界处，处于中国原始江南古陆地带的皖南丘陵山地，处在天目山以北、黄山南麓，境内水系发达，名山列峙，由于大致位于地球北纬30度周围，气候温润，四季分明，野生动植物资源相当丰富.冬季太阳辐射照度平均约307 W/m2，最大辐射照度458 W/m2，太阳辐射照度总体较弱；通过对冬季当地风速进行定点监测，测得各时段平均风速分别为2.80 m/s和0.70 m/s.气温低、相对湿度依然较高，且风速相对较大，潮湿、阴冷是古徽州地区冬季气候的显著特征.

门窗作为建筑外墙围护结构构件，轻质、壁薄、透明的特性导致其保温性能较薄弱.徽州传统民居门窗上部多采用透空花格木雕装饰，无密封处理，冷热风易通过缝隙大量渗透到室内，从而影响室内热舒适.在建筑的保温性能外围护结构中，门窗的热损失最大，约占建筑围护结构整体热损失的40%左右.门窗的热工性能指标不仅会影响室内的热舒适，遮阳系数、窗地比等因素也都与室内热舒适有重要联系.优化外窗保温参数，对改善传统民居的室内热环境具有重要现实意义.

计算机仿真模拟是通过对传统民居进行实地测绘，在测得的众多建筑参数中筛选出具有价值的参数，以建立有效的模型，使用Design Builder软件进行仿真动态模拟.结合当地气候参数，在保持其它相关参数一定的情况下，通过改变外窗窗地比、外窗等效平均传热系数，对传统民居冬季室内进行预测模拟，并逐时记录人体热感觉指标PMV-PPD值数据，最后对得到的数据进行分析.

表1 热感觉与PMV值对应表

2 仿真模拟边界条件设置

DesignBuilder 是一款建筑能耗模拟软件，采用EnergyPlus计算程序来进行模拟，模拟环境可以设定为年、月、日、小时及更小的时间间隔，对建筑进行全年的室内温度、湿度、热舒适度等模拟.Design Builder 中自带大量权威性数据资源，数据涵盖世界气象、材料、场地数据等，数据库自定义便捷准确.EnergyPlus 作为一款全面的能耗模拟程序，它的优势主要体现在负荷模拟易操作、能耗模拟全面、模拟输出详细等方面.本模拟研究中相关物理参量的选择与设置见表2所列.

结合传统民居的测绘图纸，选取的房间模型长宽均为3.3 m，高3.0 m，窗地比为1/7，窗高0.9 m.外墙平均传热系数为实测黄山市黟县西递村两栋传统民居平均值1.8 W/(m2·K)，屋顶传热系数平均3.21 W/(m2·K)，内墙传热系数平均为1.94 W/(m2·K)，冬季长袖衬衫毛衣、长内裤毛裤、长裤、夹克、厚底鞋和长袜为服装组合，其他计算参数设置见表2.外窗的等效传热系数是通过对外窗玻璃的类型和空气间层的厚度进行组合获得.

表2 软件参数设置

3 模拟结果及分析

3.1 窗地比变化对室内舒适度的影响

当外墙面积占墙体面积比例为1/4，外窗等效传热系数平均为3.01 W/(m2·K)，墙体传热系数平均为1.79 W/(m2·K)，模拟结果如图1，由图1可以看出，当外窗朝向为北向，随着窗地比从1/12增加到1/2，冬季室内不满意度低于20%的小时数从213 h增加到279 h，提高了63 h.当外窗朝向为东向，随着窗地比从1/12增加到1/2，冬季室内不满意度低于20%的小时数从220 h增加到347 h，提高了127 h.当外窗朝向为南向，随着窗地比从1/12增加到1/2，冬季室内不满意度低于20%的小时数从236 h增加到591 h，提高了355 h.当外窗朝向为西向，随着窗地比从1/12增加到1/2，冬季室内不满意度低于20%的小时数从220 h增加到375 h，提高了155 h.由以上结果可以看出对于不同朝向的外窗，提高窗地比带来的效果也不同，北向最小，东向第三，西向第二，南向最大.

图1 PMV随窗地比变化图

图2 外窗朝向与PMV值关系图

3.2 外窗等效平均传热系数对室内热舒适度的影响

当外墙面积占墙体面积比例为1，外窗等效传热系数平均为3.01 W/(m2·K)，墙体平均传热系数为1.79 W/(m2·K)进行模拟，由图2可以看出，对于不同方向外窗，随着模拟外窗等效传热系数从5.5 W/(m2·K)递减到1 W/(m2·K)，不满意度小于20%的小时数呈现缓慢增加；当传热系数为4.5 W/(m2·K)、3 W/(m2·K)时出现两个最高点，且传热系数为3 W/(m2·K)时不满意度低于20%的小时数最大，说明当外窗等效传热系数为3 W/(m2·K)时，室内热舒适度不满意度低于20%的时间最长.当传热系数相同，南向外窗，不满意度低于20%的小时数最大，北向最小，东向第三，西向第二.说明设置南向外窗对于提高冬季热舒适效果最好.虽然南向外窗传热系数的提高会提高室内热舒适环境，由于模型通过增加外窗的玻璃厚度和空气间层来降低传热系数，同时外窗的遮阳系数不断提高，这就使得外窗的直接辐射的热减少超过了传热系数降低带来的效果，因此，随着南向外窗传热系数的降低不满意度低于20%的小时数呈降低趋势.

图3 外墙面积与PMV值关系图

由图3可以看出，室内热舒适度不满意度的时间随着外窗等效传热系数的减小变化范围在37 h以内.当外窗等效传热系数为3W/(m2·K)，位于各个不满意度区间的小时数分别为43 h、470 h、579 h、696 h、361 h，说明冬季室内热舒适度81%的时间都处于-1.86～1.09范围内.随着外窗等效传热系数从5.5W/(m2·K)减小到1.5W/(m2·K)，室内热舒适度不满意度低于10%的时间增加了4 h，室内热舒适度不满意度在30%～70%范围内增加了21 h，说明随着外窗等效传热系数的减小，室内热舒适状况是整体提高的，不同满意度范围内的小时数提高程度不同.

4 结 论

(1)按相同比例提高不同朝向的外窗窗地比，室内PMV值提高的程度不同，北向最小，东向第三，西向第二，南向最大.外窗改造可参考上述结论，建议根据立面效果适当加大南向外窗面积，保留或小幅度增加其他朝向外窗面积.

(2)保证不满意度在低于20%的情况下，从冬季热舒适度的增加小时数来看，适宜的外窗等效传热系数是3 W/(m2·K).考虑到对传统民居原始风貌的保护和资源的节约，对于外窗材料，建议选择木框中空玻璃窗(6 mm低透光Low-E玻璃+12 mm空气层+6 mm).

(3)本文对于传统民居外窗参数的研究只是针对冬季室内热舒适度的提高，未考虑夏季室内隔热.