夏热冬冷地区农宅节能设计分析

汪令鑫 杜传梅 张露露

摘 要：随着农村居住建筑面积的不断增大，对农宅进行建筑节能设计变得尤为重要。本文以位于夏热冬冷地区的岳西县某农宅为研究对象，利用Dest-h软件建立模型并进行模拟计算，通过控制变量法分别研究建筑朝向、南向窗墙比、层高对全年累计冷负荷、全年累计热负荷以及全年累计总负荷的影响，得出了适合该地区农宅的最佳朝向和南向窗墙比、层高对建筑能耗的影响规律。再通过正交试验，对外墙材料、外窗材料、南向窗墙比以及层高四个因素分别选取三个水平进行模拟计算，得到了各因素对能耗影响的大小顺序，并给出了适宜该地区农宅节能设计的组合方案，给当地农宅建筑节能设计提供参考。

关键词：夏热冬冷地区;农宅;建筑节能设计;Dest-h;正交试验

中图分类号：TU241.4  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）02-0045-05

0 引言

随着近几年我国经济的高速发展，在“乡村振兴”“全面脱贫”等政策的扶持下，农村地区的经济和生活水平较过去有了显著提高，一座座新建的小楼房记录着时代的变迁。据资料显示，截止2017年，在我国已经建成的建筑面积中，农村的居住建筑占比33.99%，面积达到了218.37亿平方米[1]。伴随着农村经济的发展，这一比例还有上升的趋势。但另一方面，随着农村建筑面积的逐渐增大，农村住宅的能耗问题也变得日益突出，由于没有详细的规章制度以及在农村地区建筑节能意识相对淡薄，农村自建楼房节能效果差，造成了不必要的能耗。根据住房和城乡建设部印发的《建筑节能与绿色发展“十三五”规划》，在“十三五”期间，要推动建筑节能从城镇扩展到农村，使得农村建筑节能实现新突破。因此，对农村住宅进行建筑节能设计是实现可持续发展的关键一环，也是本文研究的目的所在。

1 模拟条件

本文以位于大别山腹地的岳西县当地自建农宅为研究对象，通过前期实地考察了解到当地自建农宅的建筑特点，根据实际情况利用清华大学自主研发的能耗模拟软件Dest—h[2]对选取的农宅进行建模并模拟计算，探究在不同建筑朝向、南向窗前比、层高、外墙材料、外窗材料等因素对建筑能耗的影响，并给出适合该地区的最佳设计方案，从而给该地区农宅的建筑节能设计提供参考。

岳西县位于安徽省安庆市，是典型的夏热冬冷地区气候。在实地考察中发现，该地区农宅都是自建建筑，层高大，布局简单，围护结构热工性能差，这是因为在建造时很少按照该地区的相关规范，从而节能效果不理想。本文选取当地某三层自建农宅进行建模，该农宅整体布局呈矩形，每层层高均为3.2m，长12m，宽9m，坐北朝南，南向窗墙比为0.3。房间的类型根据实际情况设置。利用Dest-h软件对该住宅进行建模如图1所示：

建立模型后，采用控制变量法利用软件对建筑朝向、南向窗墙比、层高的变化进行模拟计算得出各因素变化对该农宅的能耗影响。

2 模拟分析

2.1 朝向分析

在实地考察中发现，岳西当地农宅的朝向以坐北朝南居多，但也存在部分坐东朝西或者坐西朝东的农宅。通过走访了解，当地百姓在建筑住宅时，几乎不会考虑建筑朝向对能耗的影响，更多地考虑的是建筑的采光以及因地制宜的条件。由《安徽省农房设计技术导则》中规定可知该地区农宅的适宜朝向为接近朝南方向。因此，在进行农村住宅建筑节能设计时，应考虑到建筑朝向对建筑能耗的影响并选择最佳的朝向。

2.1.1 研究方法

为了研究该地区不同建筑朝向对建筑能耗的影响，通过控制变量法，利用Dest-h软件模拟计算在不同朝向下该农宅模型的建筑负荷。以正西顺时针转至正东为计算范围，以10°为计算步长，即每转动10°进行一次能耗模拟计算，得出在不同朝向下对应的全年累计热负荷、全年累计冷负荷以及总负荷，从而得出初步粗略的最佳朝向范围和相应的负荷变化曲线。再根据得出的最佳朝向范围，每转动1°进行一次负荷模拟计算，得出适合该地区的最佳朝向和适宜朝向范围以及对应的负荷变化曲线[3]。

2.1.2 朝向对全年累计冷负荷影响分析

由图2可以看出，岳西地区农宅在建筑朝向由正西向正东顺时针变化时，全年累计冷负荷大致呈余弦曲线变化。在朝向由正西向正南变化时，全年累计冷负荷逐渐降低并在正南时达到最低8213.53kw·h。当建筑朝向为正东时，全年累计冷负荷达到最大值10349.63kw·h。从图中变化趋势图还可以看出，在朝向由正南向正东或正西变化时，全年累计冷负荷均逐渐增大，这是因为在朝向变化时太阳相对建筑的位置发生了变化，导致进入室内的阳光增多提高了室内温度，从而增加了夏季冷负荷。

全年累计冷负荷占全年累计总负荷百分比简称全年累计冷负荷百分比[4]，其变化趋势也呈近似余弦函数。由图可知，在朝向为南偏西20°时，百分比最低为55.72%，在东偏南20°达到最大值60.23%。从曲线图可以看出，朝向的改变对全年累计冷负荷百分比的影响比较大。

2.1.3 朝向对全年累计热负荷影响分析

由图3可以看出，岳西地区农宅在建筑朝向由正西向正东顺时针变化时，全年累计热负荷大致呈余弦曲線变化。与全年累计冷负荷变化趋势类似，也经历了先减小后增大的过程。当朝向选取为正西时，全年累计热负荷最大，为7239.85kw·h。当朝向由正西向南偏东20°变化时，全年累计热负荷逐渐减小，在南偏东20°时达到最小值6355.37kw·h。当农宅朝向从南偏东20°向正东变化时，全年累计热负荷又逐渐增大，在正东时达到最大。

由图中还可以看出，全年累计热负荷所占全年累计负荷的百分比呈正弦函数变化。在朝向为南偏西30°时达到最大值44.28%，在东偏南20°时达到最小值39.77%。从图中曲线变化趋势可以看出，随着朝向的改变，全年累计热负荷百分比也发生了明显的变化。

2.1.4 朝向对全年累计总负荷影响分析

全年累计总负荷是指全年累计热负荷与全年累计冷负荷之和。从图4中可以看出，随着建筑朝向的改变，全年累计总负荷的变化趋势大致呈余弦函数。当朝向由正西向南偏东10°变化时，全年累计总负荷逐渐降低，在南偏东10°时达到最小值14638.66kw·h。当朝向再由此向正东变化时，全年累计总负荷开始逐渐增大，直到正东时达到最大值17304.58kw·h。因此，在该地区对新建农宅进行朝向选取时，应避免正东正西朝向，尤其是正东朝向。从图中可以看出，适合该地区的最佳朝向应该是在南偏东10°左右，此时的全年累计总负荷最低。为了更加准确地找到最佳朝向，将朝向由正南向南偏东15°以1°为变化步长进行能耗模拟。模拟得出的全年累计总负荷与朝向变化趋势如图5：

从图中可以看出，在朝向由正南向南偏东15°变化时，全年累计总负荷先减小后增大，在南偏东6°时达到最小，为14615.47kw·h。由此可以得出，适合该地区的最佳朝向为南偏东6°。再根据最佳适宜朝向选取的是与最佳朝向负荷差在0.2%以内的角度，得出最佳适宜朝向范围是南偏东3°-南偏东10°。

2.2 南向窗墙比对能耗影响

通过阅读已发表的论文可以得知，改变南向窗墙比对建筑能耗的影响最为显著[5]。因此本文采用控制变量法在保证其他三个方向窗墙比不变的前提下，研究南向窗墙比的变化对建筑能耗的影响。

查阅《安徽省居住建筑节能设计标准》可知该地区南向外窗的窗墙面积比限值为0.45。考虑到农村住宅的实际情况，本文选取南向窗墙比从0.1以0.05为变化步长，研究南向窗墙比从0.1到0.35变化时对建筑负荷的影响。通过控制变量法，只改变南向窗墙比，利用Dest-h软件进行模拟计算得出不同南向窗墙比对应下的全年累计冷负荷、全年累計热负荷以及全年累计总负荷的值，并绘制变化趋势图如图6所示：

从图中可以看出，随着南向窗墙比的增大，全年累计热负荷逐渐减小，而且近似呈线性关系。这是因为随着窗墙比的增大，阳光透过窗户进入室内的辐射量增多，即室内的辐射得热增多从而减少了冬季供暖所需要的热负荷。同理，在夏季，随着阳光辐射的增大，夏季制冷所需提供的冷负荷增大，因而如图中所示，随着南向窗墙比的逐渐增大，全年累计冷负荷也随之增大，且与窗墙比近似呈正相关关系。

综合热负荷和冷负荷来考虑，由于冷负荷随着窗墙比增大变化幅度大于热负荷随窗墙比增大的变化幅度，因此全年累计总负荷呈上升趋势，而且与窗墙比近似呈正相关关系。故在该地区对农宅进行节能设计时，在满足需要的前提下，应尽量避免选取过大的南向穿墙比。南向窗墙比越小，建筑能耗越低。

2.3 层高对能耗影响

在实地考察中发现，岳西地区农宅的层高大都不满足规范要求，层高较高，大约在3.6m左右，少部分的层高还大于3.6m。这是因为农村自建房大都追求空间大而几乎不考虑层高的增大对建筑能耗带来的影响。因此，本文以0.1m为变化步长，通过控制变量法，利用软件研究层高从3.0m到3.6m逐渐变化时对建筑负荷的影响，并绘制全年累计冷负荷、全年累计热负荷以及全年累计总负荷的变化曲线如图7所示：

由图中可以看出，随着层高的逐渐增大，无论是全年累计冷负荷、全年累计热负荷还是全年累计总负荷都呈增大趋势，而且都近似呈正相关关系。其中，全年累计冷负荷随层高变化幅度小，变化率为4.9%;全年累计热负荷随层高变化幅度大，变化率为18.5%。这说明冬季供暖能耗受层高的影响更大。对于全年累计总负荷，当层高由3.0m增加到3.6m时，近似呈线性增长，变化率为11.2%。这是因为随着建筑层高的增加，无论是夏季制冷还是冬季供暖所需的能耗都在增加，因此，结合规范和模拟结果，该地区农宅的适宜层高为3.0m-3.4m，这样在满足实际需求的前提下也能达到节能的效果。

3 正交试验

在前文中分析了建筑朝向，南向窗墙比以及层高对建筑负荷的影响，但影响建筑能耗的因素还有围护机构的热工性能。因此为了更好地探索适合该地区农宅的节能方案，还应该考虑围护结构对建筑能耗的影响。

正交试验设计是研究多因素水平一种设计方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法[6]。在朝向分析时得出了最佳朝向为南偏东6°，故在进行正交试验时将模型的朝向设置为最佳朝向，研究外墙材料、外窗材料、层高、南向窗墙比等四个因素对建筑能耗的影响。每个因素选取三个水平，选择L9（34）型正交试验表，这样就能用9组实验代替27组全部试验，避免了全部试验所带来的繁琐，同时也能得到准确的分析结果。各因素水平选取如表1。

用A、B、C、D分别表示外墙材料、外窗材料、层高、窗墙比四个因素，A1、A2、A3分别表示因素A的三个水平，因素B、C、D的水平也用此方法表示。则有：

由表2可知，在该设置条件下，外窗材料的选取对建筑全年累计总负荷的影响最大，在该试验条件下，选取外窗材料为标准外窗2.7～0.7节能效果最好，节能率达到14.8%;

由极差分析可知各影响因素对建筑全年累计总负荷的影响大小顺序为外窗材料、外墙材料、层高、南向窗墙比;因此在建筑初期节能规划或对既有建筑进行节能改造时，应首先考虑对外窗和材料进行选取，通过选取合适的材料，能达到很好的节能效果;

同时通过对最优水平分析可知，在该试验条件下，最节能的方案是A1-B2-C1-D1，既外墙材料选取200混凝土+聚苯板内保温，外窗材料选取标准外窗2.7～0.7，层高选取3.0m，南向窗墙比选取0.1。在此方案下，建筑全年累计总负荷为10382.9kw·h，对比参照建筑全年累计总负荷14682.13kw·h，节能率达到了29.3%，可见节能效果显著。

4 结论

（1）岳西地区农宅的最佳建筑朝向为南偏东6°，最佳适宜朝向范围是南偏东3°-南偏东10°;

（2）南向窗墙比越大，建筑能耗越大，而且建筑能耗与南向窗墙比呈正相关关系。因此在满足采光性的前提下尽量不要选取过大的南向窗墙比;

（3）层高越大，建筑能耗越大，在满足实际需要的前提下，应选取相对较低的层高，建议该地区农宅的层高选取范围为3.0m-3.4m;

（4）外墙材料、外窗材料、南向窗墙比，层高对建筑能耗的影响大小顺序为：外窗材料>外墙材料>层高>南向窗墙比;因此在该地区对农宅进行节能设计时应首先考虑外窗材料的选取;

（5）在试验设置条件下，适合该地区农宅建筑节能设计的组合方案是：外墙材料选取200混凝土+聚苯板内保温，外窗材料选取标准外窗2.7～0.7，层高选取3.0m，南向窗墙比选取0.1。

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参考文献：

〔1〕2019中国建筑能耗研究报告[J].建筑，2020（07）：30-39.

〔2〕燕达，谢晓娜，宋芳婷，等.建筑环境设计模拟分析软件DeST 第一讲 建筑模拟技术与DeST发展简介[J].暖通空调，2004（07）：48-56.

〔3〕孙健.五星级商务酒店客房层外窗朝向及窗墙比节能设计研究[D].河北建筑工程院，2018.39-42.

〔4〕孙健.五星级商务酒店客房层外窗朝向及窗墙比节能设计研究[D].河北建筑工程学院，2018. 44.

〔5〕赵亚楠.窗墙比和体形系数对建筑全年动态负荷的影响[J].山东建筑大学学报，2012，34（12）：5-8.

〔6〕宗序平.概率论与数理统计[M].北京：机械工业出版社，2007.