未来陕南乡村建筑热工性能模拟研究

雷 鸣 杨菁怡 倪逢燕 王璐溦 冯兵颖 陈 婕

陕西理工大学土木工程与建筑学院

1 前言

所谓陕南是指陕西南部地区，陕南地区从西往东依次的是汉中、安康、商洛三个地市。陕南气候湿润温和，四季分明，雨季降水量充沛[1]。主要受冬夏季风的影响，在陕南冬夏时间长，春秋时间短。而冬季严寒少雨，夏季多雨多有伏旱，春季暖和干燥，秋季凉爽湿润并多有阴雨出现，常年平均气温多达15℃～17℃。陕南乡村民居建筑与其文化、气候、资源等紧密相连[2]。

在冬季气候寒冷、夏季炎热的情况下，陕南民居建筑大多存在墙体和屋顶等结构的保温与隔热性能差这一问题，导致室内舒适性较差，能源消耗过高，还会使建筑耐久性变差；还由于陕南地区降水充沛，因此在防雨、防潮、通风、散热这一方面也需要考虑全面[3]。通过多方面调研与研究分析发现陕南乡村民居建筑存在较多问题，还需要做进一步改善。

该文章主要对汉中的乡村民居建筑的热工性能进行调研和研究分析，探讨如何为当地居民创造良好的舒适的室内环境，采取合理、有效的技术措施改善建筑热环境，以满足人们的生活需求[4]。而建筑的热工性能是影响建筑室内空间的物理性能的主要因素之一，通过Ecotect 软件分析建筑的各项热工性能，模拟并计算陕南民居建筑的热环境情况，从中找出问题，并提出相应的整改措施，以求在建筑寿命内，能够最大化节约能源、保护资源、减少污染，为人们提供健康舒适的室内空间[5]。希望此调研能为未来的陕南乡村居民建筑热工环境提供参考，未来的陕南乡村居民建筑能够达到可持续化、可自然化[6]。

2 概况

2.1 项目概况

小组实际调研发现陕南地区传统民居建筑类型多为：店居式民居（街屋）、独立式院落民居以及大部分地区的乡村农舍。

因为汉中地区乡村多为“独立式院落民居”，所以我们选择汉中地区最具有代表性的传统民居“独立式院落民居”这一建筑类型为例。在同一个建筑模型中，我们通过模拟置换各个构建的新旧做法，并且通过使用Ecotect 程序进而对陕南地区典型乡村建筑的物理热环境进行分析，从而得到一种更适用于陕南地区的未来乡村建筑类型。

2.2 ECOTECT模型分析

在模拟软件Ecotect里建立常见的陕南独立式院落民居模型，如图1 所示，根据该建筑的门窗类型、墙体围护结构构造、屋顶的构造做法进行对应调整，导入汉中的气象数据进行热工分析。

图1 Ecotect模型图

图2 Ecotect 3D可编辑页面

2.2.1 门、窗类型的构造分析

窗户的主要作用为采光与通风。在窗户尺寸要求上，既要满足通风、采光和日照要求，还要符合建筑模数协调的要求。由于窗户在不同构造中的尺寸大小、窗框材质、窗框位置和玻璃厚度都不同，或多或少会对建筑热环境造成一定影响。在进行建筑模型的热工分析时，我们主要通过模拟置换窗户构件的新旧做法对该建筑模型的热工性能进行分析，在Ecotect 模拟实验中，我们将原本为“6mm 单玻铝窗”的窗户置换成“6mm玻璃+30mm空气间层+6mm玻璃”的窗户，来分析不同的窗户下的辐射热量情况。

2.2.2 墙体围护结构的构造分析

墙体的主要功能为保温、隔热和隔声。墙体的细部构造分为过梁、窗台、防潮层、勒脚、散水。建筑外墙保温主要是由聚合物砂浆、玻璃纤维网格布等材料复合而成的保温层来完成。在进行该建筑模型的热工分析时，我们主要通过模拟置换墙体构件的新旧做法啦进行该建筑模型的热工分析，在Ecotect模拟实验中，我们将原本为“10mm抹灰层+110mm实心粘土砖+10mm 抹灰层”的外墙置换成“10mm 水泥砂浆+75mmEPS+370mm 实心粘土砖+10mm 水泥砂浆”的墙体，去分析不同构造做法下的辐射热量情况。

2.2.3 屋面构造做法分析

屋面的主要功能为承受来自于屋顶的风、雪荷载及屋顶自重、抵御风雨的围护作用以及装饰作用。由于屋顶结构中以泡沫混凝土为主要原料的屋面保温隔热层对建筑热环境有一定影响，在进行该建筑模型的热工分析时，我们主要通过模拟置换屋面构造的新旧做法来进行该建筑模型的热工分析，在Ecotect 模拟实验中，我们将原本为“50mm 瓦片+75mm 空气间层+10mm抹灰层”的屋面构造置换成“50mm瓦片+0.6mm 铝箔+75mm空气间层+10mm抹灰层”的屋面构造，去分析不同构造做法下的辐射热量情况。

表1

（续）表1

3 分析

3.1 新旧建筑围护结构材料和导热系数的关系分析

由于空间内外的导热系数与建筑的围护结构有着密切的关系，本课题组分别对传统老旧建筑（构造设计A）和新型建筑（构造设计B）进行实验。结果如表1 所示。新型建筑围护结构导热系数小，保温效果显著。尤其外墙、窗户以及天花板的导热系数变化大，而门、屋顶以及地板，由于材料改变并不多，效果并不显著。

3.2 建筑围护结构得失热对比分析

通过新旧建筑围护结构得失热对比，显示在一年中旧式建筑整体比新型建筑得热少失热多。模型逐月不同时间段温度变化对比如图3、图4所示。图中可以看出，在没有进行主动供暖的情况下，冬季室外热辐射少，旧式建筑的失热量较多，而在相同环境下的新型建筑失热量较少，围护结构热辐射量变化较为稳定，且保温性能更好。从三月份到十月份，两组建筑模型的得热量缓慢上升，在夏至日达到峰值再下降。通过对夏季的实验数据的对比，我们得到：新型建筑围护结构在该时间段内得热量在0Wh/m2～8000Wh/m2之间，而旧式建筑围护结构得热量在0Wh/m2～11000Wh/m2，新型建筑围护结构得热量比旧式建筑少，室内温度较低，拥有更好的隔热效果。从全年来看，新型建筑围护结构得失热变化比旧式建筑小，室内热量变化更稳定。

图3 旧式建筑围护结构得失热

图4 新型建筑围护结构得失热

3.3 建筑能耗和舒适度分析

陕南地区为夏热冬暖地区，除了气候特征外，建筑围护结构的传热也影响着室内热环境，而室内热环境是影响人体热感觉的重要因素。若从空气温度评价室内热环境，居住建筑室内舒适性标准为18℃～26℃。

图5、图6 是旧式建筑与新型建筑模型（时间百分数Percentage of Time）分析图，逐月能耗/不舒适度是指每个月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比，分别为太热月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比及太冷月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比。

图5 旧式建筑逐月能耗与不舒适度

模拟结果显示该地区旧式建筑的不舒适度峰值一直高于新型建筑，各个月达到舒适温度的时间也少于新型建筑，尤其是在冬季不舒适度更高。旧式建筑室内冬冷夏热，全年的温度变化波动大；新型建筑在五、六、九月的不舒适度为零，室内空气温度能一直达到标准，全年的温度变化小，尤其是夏季，建筑得热少室内温度低，舒适度更高。从实验中看出，建筑围护结构不同构件的构造不仅影响了人体热舒适度，也影响了建筑的整体能耗。新型建筑由于采用更合理的构造做法，能耗更低。旧式建筑能耗高，冬季失热量多，夏季得热量多，舒适度不如新型建筑。

图6 新型建筑逐月能耗与不舒适度

4 结论

①本文根据陕南地区的乡村民居建筑，采用该地区典型通用的户型来利用Ecotect建模软件进行实例的模拟，对其内部空间构造及各个构件的热工参数（主要是传热系数）进行了确定，对比该构造类型的现行的内部空间结构及其各种构件和规定性指标，在模拟计算中对比各项能耗量。

②Ecotect技术是实现建筑节能设计和优化设计的重要手段，也是未来建筑节能设计的发展方向。数字技术应用于建筑节能设计研究和实践中，节约成本，更加高效。

③通过新旧建筑围护结构得失热对比, 旧式建筑整体比新型建筑得热少失热多，新型建筑围护结构得失热变化比旧式建筑小，室内热量变化更稳定，所以新型建筑的舒适度要好于旧式建筑。

④计算机分析结果表明，该地区农村建筑采用适合的技术可有效提高室内热环境质量和减小能耗，本研究可为陕南及同类地区的乡村民居设计提供理论参考。