基于Energyplus軟件的藏族傳統(tǒng)民居熱環(huán)境分析及更新設(shè)計(jì)

楊靜 次稱 龔伶俐 李?yuàn)檴?/p>

摘 要：文章基于Energyplus軟件分析了四川阿壩州藏族民居熱環(huán)境，結(jié)果表明冬季室內(nèi)舒適性較差。考慮到藏族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，提出了一種被動(dòng)式更新設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的民居冬季室內(nèi)舒適性顯著提升，該更新設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)成本低、改造簡單易行，符合藏族地區(qū)的節(jié)能發(fā)展策略，具有在藏族地區(qū)推廣的高可行性。

關(guān)鍵詞：藏族傳統(tǒng)民居；Energyplus 軟件；陽光房；太陽輻射

中圖分類號(hào)：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0040-04

Abstract： Based on Energyplus software， this paper analyzes the thermal environment of Tibetan dwellings in Aba Prefecture， Sichuan Province. The results show that indoor comfortability is poor in winter. In view of the relatively low level of economic development in Tibetan areas， a passive renewal design scheme is proposed. The indoor comfortableness of residential houses after optimization design has been improved significantly. The updated design scheme is economical and of low cost， simple and easy to reform， in line with the development strategy of energy conservation in Tibetan areas， and has a high feasibility of popularization in Tibetan areas.

Keyword： traditional Tibetan dwellings； Energyplus software； conservatory （winter garden）； solar radiation

1 概述

四川阿壩州藏區(qū)地處青藏高原東南邊，四川、甘肅、青海交界處，地形以高原和高山峽谷為主，全年平均溫度不高，風(fēng)大少雨，有著明顯的干濕季變化。阿壩州溫度相比較四川省內(nèi)其他地區(qū)相對(duì)偏低，居住在阿壩州的藏民一般會(huì)選擇風(fēng)小且陽光充足的地方居住[1]。本文選擇當(dāng)?shù)剌^為典型的藏族民居進(jìn)行研究，房屋共三層，窗洞小，房屋外觀比較封閉。外墻采用石料砌筑墻基，土墻底部厚度在一米以上，越往上的建筑外墻越薄，房屋內(nèi)墻則用木材，藏居為了維護(hù)墻面，在墻面上再涂上一層有碾碎的青稞和黃泥攪拌而成的草泥。屋頂為平屋頂，用黃泥土鋪面，藏居所有的材料都采用當(dāng)?shù)氐氖暮忘S土[2]。

本項(xiàng)目首先對(duì)藏族傳統(tǒng)民居所采用的石材墻體熱工特性進(jìn)行了測試；其次基于準(zhǔn)確性較高的Energyplus軟件對(duì)所測繪的藏族傳統(tǒng)民居的熱環(huán)境進(jìn)行模擬，軟件模擬中輸入實(shí)驗(yàn)測量的熱工參數(shù)值，保證模擬的準(zhǔn)確性；再依據(jù)模擬結(jié)果分析熱環(huán)境較差區(qū)域及產(chǎn)生原因，提出相應(yīng)的綠色建筑更新設(shè)計(jì)方案；分析優(yōu)化后的室內(nèi)熱環(huán)境，并進(jìn)行相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性分析。研究結(jié)果表明：優(yōu)化后的民居內(nèi)部室內(nèi)舒適性顯著提升，所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)造要求簡單、易于改造、經(jīng)濟(jì)造價(jià)低，具有在藏族地區(qū)推廣的高可行性。

2 基于Energyplus軟件的藏族傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境分析

該藏族民居首層為客廳、廚房及儲(chǔ)物室，二層為三個(gè)臥室及儲(chǔ)物間，三層為藏經(jīng)堂及熟食加工間，屋頂為大面積平臺(tái)。本文主要針對(duì)客廳和三個(gè)臥室進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，其余房間因人員活動(dòng)時(shí)間較短不作考慮，詳見圖1。利用Energyplus軟件對(duì)冬季最冷日和夏季最熱日的房間熱環(huán)境進(jìn)行分析。根據(jù)資料顯示，阿壩州冬夏季晝夜溫差都很大，由天氣文件數(shù)據(jù)顯示，冬季最冷日室外最高溫度為1.263℃，最低溫度為-15.825℃。夏季最熱日室外最高溫度為31.1℃，最低溫度為8.363℃。

Energyplus是由美國能源部在兩個(gè)舊有的軟件BLAST和DOE-2基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的新型能耗模擬軟件，具有BLAST和DOE-2的優(yōu)點(diǎn)。Energyplus是一個(gè)用來模擬建筑物及其通風(fēng)供熱等系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，從而預(yù)測其全年逐時(shí)能耗以及全年運(yùn)行總能耗的軟件。在其中，眾多影響建筑能耗的環(huán)境條件，例如土壤傳熱、天空散射、墻體的傳熱傳濕、自然通風(fēng)、遮陽、室內(nèi)照明等，均采用算法得以體現(xiàn)[3]。本文基于Energyplus軟件計(jì)算時(shí)均采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方式，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

藏族傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)值詳見表1，房間面積及窗戶面積值詳見表2，其中石材墻體的熱工參數(shù)為實(shí)際測量值，泥土、木材、玻璃熱工參數(shù)為手冊(cè)推薦值。圖2和3為Energyplus軟件模擬得到的各個(gè)房間夏季最熱日及冬季最冷日逐時(shí)溫度值，可見全天的溫度值比較穩(wěn)定，波動(dòng)不大；夏季溫度在20～23℃之間變化，溫度較為適宜；冬季溫度在2.3～6.5℃之間變化，溫度較低，室內(nèi)舒適度較差，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)中，本文主要考慮如何去改善冬天的室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)盡可能少的影響夏季的舒適度。

3 基于Energyplus軟件的藏族傳統(tǒng)民居更新設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案介紹

考慮到藏族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，本文擬不增加主動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備，通過增加陽光房、改善窗材質(zhì)等方式改善室內(nèi)舒適性，具體方案如下，詳見圖4：

（1）利用客廳、臥室二和臥室三的屋檐在一樓和二樓建立被動(dòng)式陽光房，玻璃幕墻的材料為雙層鋼化玻璃（5mm鋼化玻璃加3mm的氬氣加5mm鋼化玻璃）。

（2）在上個(gè)方案的基礎(chǔ)上，把房間原有的窗戶材料改為雙層玻璃（6mm的普通玻璃加3mm的氬氣加6mm的普通玻璃，客廳的小窗除外）。

3.2 優(yōu)化前后房間熱環(huán)境模擬結(jié)果分析

圖5-12為基于Energyplus軟件模擬的優(yōu)化后藏族傳統(tǒng)民居冬季最冷日及夏季最熱日逐時(shí)溫度變化圖。與優(yōu)化前相比，客廳、臥室三冬季室內(nèi)溫度上升顯著，夏季室內(nèi)溫度略有上升，仍處于較為舒適的溫度范圍；臥室二冬季及夏季室內(nèi)溫度均上升明顯，雖然夏季下午3-4點(diǎn)最高溫度較高，但全天平均溫度較為舒適；臥室一因只有一小部分的墻體可以接受到通過陽光房增加的太陽輻射，所以冬季及夏季溫度上升的幅度均相對(duì)較小。綜上，優(yōu)化后的客廳、臥室二和三冬季室內(nèi)舒適性顯著提升，臥室一室內(nèi)舒適性略有提升。優(yōu)化后各房間夏季溫度雖有提高，但是仍處于較為舒適的范圍。

3.3 優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性分析

表3是優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)成本分析，優(yōu)化方案總造價(jià)約為3308.5元，可見該優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)成本較低，適于藏族地區(qū)推廣應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文基于準(zhǔn)確性較高的Energyplus軟件分析了四川阿壩州藏族民居熱環(huán)境，結(jié)果表明民居冬季室內(nèi)溫度偏低、舒適性較差，考慮到藏族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，本文提出了一種被動(dòng)式更新設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的民居冬季室內(nèi)舒適性顯著提升，該更新設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)成本低、改造簡單易行，符合藏族地區(qū)的節(jié)能發(fā)展策略，具有在藏族地區(qū)推廣的高可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡堯，侯雨樂.自然地理因素對(duì)阿壩藏區(qū)傳統(tǒng)民居建筑的影響[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014（9）：170-171.

[2]金東坡.高原上的靜謐——四川省阿壩縣藏族夯土民居[J].華中建筑，2013（3）：143-147.

[3]馮妍，馬智亮.Energyplus的主要功能及輸入數(shù)據(jù)文件分析[A].中國國際數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會(huì)[C].2009.

[4]陶光炎，李?yuàn)檴櫍瑮铎o，等.藏族傳統(tǒng)民居透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（09）：46-48.

[5]韓平.淺談蘇中傳統(tǒng)民居生態(tài)設(shè)計(jì)策略[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（23）：247.