围护结构热工性能对渝西农村民居空调能耗的影响

赵 倩 林建泉 黄 忠 段 旻



围护结构热工性能对渝西农村民居空调能耗的影响

赵 倩1林建泉2黄 忠2段 旻1

（1.重庆大学城市科技学院 重庆 402167； 2.重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400045）

选取重庆渝西农村民居建筑的典型设计方案作为研究对象，通过能耗模拟软件DeST-h对给定建筑4个能耗影响因子3种水平进行正交模拟试验。对试验结果进行直观分析，利用极差的大小评价各因数对指标值的影响程度，并通过方差分析，比较各因素、各水平的显著性。结果表明，外窗的主效应显著（显著性=0.035，<0.05），对建筑能耗有较大影响，窗墙比次之（显著性=0.054，0.05<<0.1），对建筑能耗有一定的影响，而外墙和屋面的影响则较小，即各因素的主次顺序为：外窗>窗墙比>外墙>屋面。经分析后得出的最佳方案，其建筑能耗模拟结果与基准建筑比较，综合节能率可高达39.8%。

能耗模拟；正交试验；方差分析；节能率

0 引言

近年来，随着我国农村经济的发展和农民生活水平的提高，农村居住建筑采用采暖空调设备的情况日益普遍，但由于没有科学的设计，缺乏相关建造技术规范，加之设计和建筑水平较低，导致该地区的建筑能耗逐年上升[1-3]。因此，在保证农村居住建筑使用功能和室内热舒适性要求的前提下，提高围护结构热工性能、合理设计外窗和窗墙比等技术措施对改善该地区农村居住建筑热舒适性、降低建筑能耗、提高建筑中的能源利用效率尤为重要。

笔者以重庆渝西农村典型居住建筑为例，基于正交试验方法，综合考虑该地区资源情况及农村居住建筑节能设计要求，选取常用几种围护结构做法形成正交模拟试验方案，利用清华大学开发的全年动态能耗模拟软件DeST-h（Designer’s Simulation Toolkit Home）对给定建筑进行全年能耗模拟，并通过直观分析和方差分析，确定各因素对该地区农村居住建筑全年能耗的影响程度，比较各因素、各水平的显著性，以期为该地区农村既有建筑的节能改造和新建住宅的节能设计提供理论指导。

1 能耗模拟正交试验设计

根据GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》[4]和JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[5]的要求，夏热冬冷地区农村居住建筑应根据当地资源情况进行围护结构的热工节能设计，外墙可选择自保温、外保温或内保温三种构造形式，屋面可采用木屋架坡屋面、钢筋混凝土坡屋面或通风隔热屋面三种形式，同时也对各朝向窗墙比进行了限制。改变围护结构热工性能和改变窗墙比会影响建筑能耗[6]，因此，笔者根据前期调研结果，综合考虑重庆渝西地区当地资源情况及农村居住建筑节能设计要求，选取常用几种围护结构做法进行比较研究，具体构造及热工参数如表1所示。

表1 围护结构构造及热工参数表

进行建筑能耗模拟时，选取以上4个因数，若每个因数取3个水平，如表1所示，则需做64次模拟试验，耗时较长。因此，本文采用正交试验法简化模拟过程，提高效率。表2为围护结构、窗墙比等各因素和水平取值。根据表2可知，选用L9（34）型正交表，根据正交试验设计法[7]，将各参数输入相应位置，可得出模拟试验方案共计9组，具体如表3所示。

表2 因素及水平取值

表3 正交试验计划表

2 计算模型

2.1 建筑信息

选取重庆渝西地区农村民居建筑中的一种典型设计方案作为研究对象，该建筑坐北朝南，共2层，一层层高为3.3m，二层层高为3m，建筑空调总面积为213.3m2，其建筑平面图如图1所示。

2.2 模型简化

为了满足DeST-h的建模要求，结合实际情况，对原有建筑物理模型作一些简化：

（1）晒台和檐廊的简化：由于晒台和檐廊都是敞开的，与室外空间直接接触，故在建模时将其直接简化为室外处理。

（2）阳台的简化：由于敞开式阳台作为室内空间向室外空间的延伸，与室外空间直接接触，虽不是封闭空间，但仍存在阳台围墙，故建模时将阳台简化为室外处理，把阳台围墙简化为室内与阳台连接的门窗的水平外遮阳设施[8]。

（3）楼梯间的简化：由于楼梯间与堂屋未设置隔断，所以将楼梯间和堂屋视为一个房间。

经简化后，在DeST-h中的模型如图2所示。

2.3 参数设置

2.3.1 室内热扰参数设定

在建筑能耗模拟计算中，建筑物室内发热量通常采用人体、照明和设备这三种热源作为代表[9]，由于这三种热源作用于室内热环境的方式不同，因此对其室内发热量的描述方式也不一样。根据规范[4,5]要求，综合考虑建筑户型、房间功能、家庭人员以及家庭结构四因素，室内热扰参数取值情况见表4。

表4 室内热扰参数取值情况

备注：储藏间按空房间处理。

2.3.2 通风参数及作息设定

对于住宅建筑，自然通风的合理利用不仅可以保证室内空气品质，而且还可以降低建筑能耗。根据文献调研结果[10,11]发现，在夏热冬冷地区，多数人在过渡季和夏季会倾向于通过开启门窗来调节室内温度，而在冬季则会通过关闭门窗开启空调来满足室内热舒适性要求。因此，在DeST-h模拟建筑能耗时的通风设定中，只考虑房间与室外的通风，在关窗时风量取0.5次/时，开窗时风量取10次/h[12]，具体通风风量及作息设定情况见表5。

表5 通风风量及作息设定情况

2.3.3 空调参数及作息设定

本模型中，只有卧室（主/次卧）和起居室设定为空调房间，其余均为非空调房间。空调参数设定参照JGJ 134—2010标准的规定[5]：夏季室内设计温度为26℃，空调制冷开启温度上限为29℃，冬季室内设计温度为18℃，空调制热开启温度为16℃，湿度上限为65%，湿度下限为30%，空调计算期为当年6月15日至8月31日，采暖计算期为当年12月1日至次年2月28日。人员、灯光、设备以及空调作息设定情况如表6所示。

表6 人员、灯光、设备以及空调作息设定情况

备注：厨房和卫生间的作息时间均按系统缺省状态进行设置。

2.4 模拟结果

根据以上设置条件，通过DeST-h对给定建筑进行模拟计算，可得出各试验工况下给定建筑全年累计冷负荷和热负荷，其结果汇总见表7。

表7 不同试验工况模拟结果汇总表

3 结果分析

对正交试验结果的数据分析通常有两种方法，一种是直观分析法，也称极差分析法，另一种是方差分析法[13]。笔者分别采用这两种方法对试验结果进行分析。

3.1 直观分析

图3为外墙、外窗、屋面和窗墙比各因素与全年累计冷负荷、热负荷和冷热负荷之间的关系图。根据四个极差数的大小，可看出各个因数对试验结果的影响程度。

图3 因素与不同指标关系图

对全年累计冷负荷而言，各因素的影响程度：窗墙比>外窗>外墙>屋面，其中窗墙比的极差最大，其次是外窗，说明窗墙比和外窗对该地区农村居住建筑夏季冷负荷的影响是主要的。相比之下，外墙和屋面的影响较小。同理，可看出，各因素对全年累计热负荷的影响程度排序为：外窗>外墙>屋面>窗墙比，其中外窗的极差最大，其次是外墙，说明对该地区农村居住建筑冬季热负荷影响较大的是外窗和外墙，而屋面和窗墙比的影响则较小。而对于全年冷热总负荷而言，其影响程度为：外窗>窗墙比>外墙>屋面，即外窗和窗墙比对该地区农村居住建筑全年冷热总负荷的影响较大。

从图3各因素的变化趋势还可直观看出，当仅考虑夏季冷负荷时，最优方案为A3、B3、C1、D1；当仅考虑冬季热负荷，最优方案为A2、B3、C1、D1；若综合考虑全年冷热总负荷，最优方案则为A3、B3、C1、D1。

3.2 方差分析

直观分析主要通过极差的大小来评价各因素对指标的影响程度，但无法分析各因素水平变化对指标值的显著差别，也无法区分试验结果的差异是因各因素所取水平的不同而引起，还是因存在试验误差而引起[14]。方差分析是将试验条件不同所引起的试验结果间的差异与偶然因素所引起的试验结果的差异进行区分，可以弥补直观分析上的不足。

表8 方差数据分析结果

在正交设计中，若无重复实验且无空白项时，常选取极差或均方最小值作为误差估计[15]。以全年累计冷热总负荷为指标值，由图3可知，屋面对试验结果的影响最小，可把它当作误差估计，用以检验其他因素作用的显著性，方差数据分析结果见表8。可以看出，因素A的主效应最显著，即外窗对全年累计冷热总负荷有较大的影响（显著性=0.035，<0.05），其次是窗墙比，它对全年累计冷热总负荷也有一定的影响（=0.054，0.05<<0.1），而外墙对全年累计冷热总负荷影响不大（=0.479，>0.1）。

正交试验中，不仅需要考虑各因素对指标值的显著性，还应该考虑单个因素各水平之间对指标值的显著性。因外窗和窗墙比对试验结果有影响，其主效应较显著，因此以外窗和窗墙比这两个因素进行分析，见图4（a）和图4（b）所示。

图4 外窗和窗墙比的单因素均值和配对比较

图4（a）可以看出，B3均数最小，且B3

图4（b）可以看出，D1均数最小，且D1

综合以上方差分析结果可知，各因数水平对建筑全年冷热总负荷指标影响的强弱顺序为：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C1>C2>C3，D1>D2>D3，其中B因素（外窗）对试验结果影响显著，D因素（窗墙比）对试验结果有一定的影响，而外墙和屋面对试验结果影响不大，其各因素的主次顺序为B>D>A>C，即外窗>窗墙比>外墙>屋面，因此，可确定最佳方案为A3、B3、C1、D1，这与极差分析的结果是一致的。

3.3 最佳方案节能率

重庆渝西地区属于夏热冬冷地区，需要兼顾夏季供冷和冬季供暖，因此，应以全年冷热总负荷作为考量指标更为合理。根据上述分析得出的最优方案的参数要求，利用DeST-h对给定建筑进行能耗模拟，并将结果与基准建筑模拟结果进行比较，具体见图5。依据国标GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》，并结合农村实际情况，基准建筑围护结构参数取值如下：外墙传热系数取1.5W/(m2·K)，屋面传热系数取0.8W/(m2·K)，外窗传热系数取3.2W/(m2·K)，窗墙比取0.3，其余热工参数与表1相同。

图5 最佳方案与基准建筑结果比较

图5可以看出，采用最佳方案较基准建筑，全年累计冷负荷节能率达到39.6%，全年累计热负荷节能率达到40.1%，全年累计冷热总负荷综合节能率可达39.8%。由此可以看出，合理改善围护结构性能参数和改变窗墙比等措施将有利于提高建筑能源利用率。

4 结论

以重庆渝西地区农村民居建筑中的典型设计方案作为研究对象，结合当地资源情况，选取GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中推荐的几种围护结构做法，利用正交试验设计方法，通过能耗模拟软件DeST-h对给定建筑4个能耗影响因子3种水平进行正交模拟试验，得出结论如下：

（1）窗墙比对建筑夏季冷负荷的影响最大，而对冬季热负荷的影响则最小，因此，在满足采光前提下可通过减少窗墙比来降低夏季冷负荷，提高节能率。

（2）外窗对建筑夏季冷负荷和冬季热负荷的影响均较大。因此建筑在兼顾夏季供冷和冬季供暖时，需注意夏季通风散热，冬季防风保温。

（3）外墙对建筑冬季热负荷的影响较对夏季冷负荷的影响大，而屋面对建筑夏季冷负荷和冬季热负荷的影响均较小。

（4）综合考虑全年冷热总负荷，外窗的主效应显著（=0.035，<0.05），对试验结果有较大的影响；窗墙比次之（=0.054，0.05<<0.1），对试验结果有一定的影响，而外墙和屋面对试验结果的影响不大，即各因素的主次顺序为：外窗>窗墙比>外墙>屋面。

（5）通过正交试验结果分析得出的最佳方案，较基准建筑，其全年累计冷热总负荷综合节能率可高达39.8%。因此，合理改善围护结构性能参数和改变窗墙比等措施有利于提高建筑能源利用率。

[1] 杨子江.夏热冬冷地区新农村住宅建筑节能设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2013.

[2] 邹瑜,宋波,刘晶.对国家标准《农村居住建筑节能设计标准》的解读[J].暖通空调,2013,43(5):77-81.

[3] 陈永.我国农村建筑能耗现状与节能任务分析[J].现代农业科技,2011,(22):275-277.

[4] GB/T 50824-2013,农村居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[5] JCJ 134-2010,夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6] 黄莺,王昭俊.基于DeST-h对夏热冬冷地区农宅能耗的分析[J].建筑技术开发,2016,43(6):85-87.

[7] 任露泉.试验优化设计与分析[M].北京:高等教育出版社,2001.

[8] 刘猛,张会福,粟珩,等.重庆新农村典型民居的节能性能[J].土木建筑与环境工程,2014,36(2):75-83.

[9] 清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法—DeST[M].北京:中国建筑出版社,2013.

[10] 范宏武,陆善后,李德荣,等.居住建筑单元能耗标识工况研究[J].建筑节能,2008,(5):13-16.

[11] 李楠.夏热冬冷地区人员行为对住宅建筑能耗的影响研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[12] 张晓亮,朱光俊,江亿.建筑环境设计模拟分析软件DeST第13讲宅模拟优化实例[J].暖通空调,2005,35(8):65-72.

[13] 彭海滨.正交试验设计与数据分析方法[J].计量与测试技术,2009,36(12):39-40.

[14] 郝拉娣,张娴,刘琳.科技论文中正交试验结果分析方法的使用[J].编辑学报,2007,19(5):340-341.

[15] 邓振伟,于萍,陈玲.SPSS软件在正交试验设计、结果分析中的应用[J].电脑学习,2009,(5):15-17.

Impacts of the Thermal Performance of Envelop Enclosure on Air-conditioning Energy Consumption of Rural Residential Buildings inYuxi Zone of Chongqing

Zhao Qian1Lin Jianquan2Huang Zhong2Duan Min1

( 1.School of Civil Engineering; City College of Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 402167; 2.Faculty of Urban Construction, and Environmental Engineering; Chongqing University, Chongqing, 400045 )

The typical design project obtained from rural residential buildings in a YuXi zone of Chongqing was selected as a research object. Based on the orthogonal experiment method,the whole year energy consumption of the buliding in four impact factors and three levels was calculated by the simulation software DeST-h (Designer’s Simulation Toolkit Home). Through direct analysis of the results,the effect of different factors was evaluated by the range of each factor,and the significance was compared between different factors and levels by variance analysis. The results show that the main effect of outside windows is remarkable(=0.035,<0.05), which has a great influence on building energy consumption, followed by window-wall ratio(=0.054, 0.05<<0.1), which has some influence and exterior walls and roof have less influence.Therefore, the important order of each factor is: Outside Windows > window-wall ratio > exterior walls > roof. Then, Compared the annual energy consumpation between the best with refrence building, on average, there is a 39.8% energy saving potential.

energy consumption simulation; orthogonal experiment; variance analysis; fractional energy saving

1671-6612（2018）06-643-08

TU241.4/TU831.6/TU834.1

A

重庆市教委科学技术研究项目（KJ1602301）

赵 倩（1987-），女，硕士，讲师，研究方向为建筑节能与能源应用，E-mail：zhaoqian0608@126.com

2018-02-24