基于Ecotect 的農(nóng)村被動式太陽房建筑能耗模擬研究*

李博帆，谷文英，李 松，張 碩，劉 源，宋振東，袁建明

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132000；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

隨著中國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施和發(fā)展，農(nóng)村居民的居住環(huán)境越來越受到人們的關(guān)注，它的發(fā)展和改善也是鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵[1]。在中國東北地區(qū)，農(nóng)村居住建筑多，公共建筑少，且依傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)建造而成，多數(shù)建筑沒有科學(xué)依據(jù)。由于大部分農(nóng)村地區(qū)距離城市遙遠(yuǎn)，不具備配套的集中供暖管網(wǎng)，且村民在建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)、材料熱工性能、朝向和保溫等方面沒有太多了解，導(dǎo)致農(nóng)戶多采用大量燃燒生物質(zhì)、煤炭等采暖方式，能源消耗量大，采暖效益低，環(huán)境污染嚴(yán)重，居住舒適度沒有較大提高[2-3]。

為解決東北地區(qū)農(nóng)村冬季采暖能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，國內(nèi)外學(xué)者在建筑節(jié)能、太陽能利用方面進(jìn)行了大量研究[4]，其中被動式太陽能采暖技術(shù)因具有技術(shù)成本低、可行性高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為中國建筑節(jié)能技術(shù)的重點(diǎn)研究對象。

本文以長春地區(qū)典型農(nóng)村被動式太陽能住宅為研究對象，基于Ecotect 軟件進(jìn)行建筑能耗模擬，通過采取不同的節(jié)能措施比較和研究能耗對建筑的影響，在合理布局的基礎(chǔ)上，得出適用于長春地區(qū)農(nóng)村住宅的建筑策略。

1 模型建立

1.1 氣候特點(diǎn)

長春地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)B 區(qū)，位于北緯43.90°，東經(jīng)125.22°，海拔高度為236 m，采暖度日數(shù)為4642 d。全年日照時(shí)數(shù)為2400～2600 h。降水量少，云量少，日照多，相應(yīng)的地面接受的太陽輻射較多。長春市處于太陽能資源的三級區(qū)，年輻射總量為4785.95～5360.02 MJ/（m2·年）[5]。

1.2 模型概況

本文選取長春市農(nóng)村地區(qū)典型單層農(nóng)村被動式太陽能住宅建立基礎(chǔ)模型。建筑面積為148.64 m2，外墻厚370 mm，內(nèi)墻厚150 mm，墻體材料均為實(shí)心黏土磚，且內(nèi)外側(cè)抹20 mm 厚水泥砂漿。天花板進(jìn)行10 mm石膏板吊頂，并設(shè)置50 mm 隔熱層。門采用橡木實(shí)心材料，窗體為塑鋼材質(zhì)，且設(shè)置6 mm 厚單層普通玻璃。基礎(chǔ)模型平面圖和立體圖分別如圖1 和2 所示。

圖1 基礎(chǔ)模型建筑平面圖（單位：mm）

圖2 基礎(chǔ)模型建筑立體圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬條件假定

軟件區(qū)域基本參數(shù)設(shè)置：人員服裝熱阻值為0.6，室內(nèi)溫度為18 ℃、濕度為60%時(shí)，室內(nèi)的風(fēng)速為1.5 m/s，房間的占用情況設(shè)置為4 人。從當(dāng)年11 月1日至次年4 月15 日持續(xù)供暖。同時(shí)選擇Weather Tool中典型的長春地區(qū)氣象數(shù)據(jù)。

2.2 建筑能耗模擬結(jié)果與分析

2.2.1 不同玻璃材質(zhì)模擬結(jié)果與分析

在窗戶保溫良好的情況下，選用3 種常用窗戶玻璃材質(zhì)進(jìn)行模擬，其構(gòu)造和熱工參數(shù)如表1 所示。

表1 玻璃材質(zhì)熱工參數(shù)表

采用3 種不同材質(zhì)玻璃的被動式太陽能住宅建筑能耗如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)建筑采用普通單層玻璃窗時(shí)，采暖季能耗最大。采用普通雙層玻璃時(shí)，建筑能耗較大幅度減少。主要因?yàn)榭諝鈯A層的存在，減少了室內(nèi)外熱量傳遞。而鍍了Low-e 膜的雙層玻璃，其建筑能耗最小，但與普通雙玻結(jié)構(gòu)玻璃相比，建筑能耗僅降低了2%，差異不大。與單層普通玻璃相比，建筑能耗降低了26%，差異明顯。

圖3 不同透光材質(zhì)下建筑能耗對比圖

2.2.2 不同窗墻比模擬結(jié)果分析

在無地形限制的情況下，長春地區(qū)農(nóng)村住宅朝向以南北為主。窗戶的布局直接影響南墻的太陽輻射的熱量，同時(shí)也影響南北墻的夜間熱損失。在保溫良好情況下，通過設(shè)置南北墻不同窗墻比，對比分析建筑能耗。

當(dāng)南墻窗墻比設(shè)置范圍為0.3～0.7 時(shí)，建筑能耗如圖4 所示。由圖4 可知，南北墻窗墻比增加，建筑能耗增加。相同窗墻比時(shí)，北墻能耗比南墻能耗大。因?yàn)槟蠅δ軌蚪邮芴栞椛錈幔滋炜色@得更多來自陽光的能量，能有效增加白天房間溫度，從而抵消一部分能耗。而北墻全年無太陽光直射，只有能耗損失。

圖4 南北墻不同窗墻比能耗對比圖

2.3 不同附加陽光間進(jìn)深模擬結(jié)果分析

附加陽光間進(jìn)深是陽光間的南向墻體到建筑南向墻體的距離，不同的進(jìn)深會影響陽光照射到房間內(nèi)的位置，進(jìn)而影響建筑能耗。通過基礎(chǔ)模型設(shè)置凸出式附加陽關(guān)間，對進(jìn)深分別為0.3 m、0.5 m、0.9 m、1.2 m和1.5 m 的附加陽光間進(jìn)行模擬，如圖5 所示。

圖5 不同附加陽光間進(jìn)深的建筑能耗對比圖

由圖5 可知，隨著附加陽光間進(jìn)深增加，建筑能耗增加。主要因?yàn)楦郊雨柟忾g進(jìn)深增加，東西墻體增加，照射到建筑南墻上的陽光減少，室內(nèi)直接供熱量減少。且附加陽光間進(jìn)深增加其體積也隨之加大，雖然儲熱空間增大，但自身熱量損失速度也隨之加快，大于附加陽光間的熱量增加速度。

2.4 不同墻體材料模擬結(jié)果分析

墻體作為被動式太陽房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其熱量流失較大，因此墻體保溫性能對被動式建筑節(jié)能起著關(guān)鍵作用。為進(jìn)一步提高墻體的保溫性能，可在墻體中適量添加保溫隔熱材料，從而增強(qiáng)墻體蓄熱能力，降低住宅建筑能耗。長春市農(nóng)村被動式太陽房建筑墻體結(jié)構(gòu)分為夯實(shí)土墻和磚墻2 種。夯實(shí)土墻包括300 mm夯實(shí)土墻和500 mm 夯實(shí)土墻，磚墻分為雙層磚腔灰泥墻、內(nèi)抹泥外混凝土型及砌筑型。通過基礎(chǔ)模型設(shè)置墻體材料，分別對表2 中的4 種墻體材質(zhì)進(jìn)行模擬。

表2 玻璃材質(zhì)熱工參數(shù)表

不同墻體材料的建筑能耗對比如圖6 所示。由圖6可知，當(dāng)被動式太陽房建筑墻體采用工況1 時(shí)，其冬季采暖季的建筑能耗最大，采用工況3 時(shí)冬季采暖季建筑能耗最小，其建筑能耗比工況1 降低了約38%，主要原因?yàn)楣r3 墻體中設(shè)置了隔熱層，大大降低了室內(nèi)向室外的傳熱能力。工況2 和工況4 建筑耗比工況1 分別降低了約10%和28%。與工況3 相比，工況2 和工況4 的建筑能耗分別增加了31%和14%。主要因?yàn)楹煌翂宛ね链u墻的傳熱能力均小于磚混墻體，而與設(shè)置了隔熱層的墻體相比其傳熱能力增加。說明隔熱層設(shè)置在墻體中能夠充分起到保溫作用，節(jié)能效果明顯。

圖6 不同墻體材料的建筑能耗對比圖

3 結(jié)論

基于本模型的長春地區(qū)農(nóng)村被動式太陽能建筑，在不考慮其他影響因素的情況下，改變玻璃材質(zhì)、南北墻窗墻比和附加陽光間進(jìn)深對冬季建筑采暖能耗影響顯著。

通過對比不同材質(zhì)的玻璃窗，建筑能耗情況為low-e 型中空玻璃<普通中空玻璃<普通單層玻璃。因此，對于本模型的被動式太陽能建筑選擇普通中空玻璃經(jīng)濟(jì)適用性更高。

通過對比南北墻窗墻比，得出建筑能耗隨南北墻窗墻比增加而增加，且相同窗墻比情況下北墻能耗高于南墻。因此，選擇較小窗墻比為宜。

通過改變附加陽光間進(jìn)深尺寸，得出建筑能耗隨陽光間進(jìn)深增加而增大。當(dāng)不考慮人體活動空間時(shí)，進(jìn)深較小為宜。

通過對不同建筑墻體材料，建筑能耗差異顯著。采用設(shè)置隔熱層的墻體建筑能耗最小，但是后期維護(hù)較為麻煩且造價(jià)高。300 mm 穩(wěn)定夯土墻價(jià)格低廉，但冬季晝夜溫差大，房間舒適度較低。350 mm 實(shí)心黏土磚+20 mm 厚水泥砂漿墻體建筑能耗比普通磚墻和夯土墻小且成本相對較低，適用范圍廣，作為新建建筑或原有建筑的被動式改造，可優(yōu)先考慮。