基于Ecotect 的农村被动式太阳房建筑能耗模拟研究*

李博帆，谷文英，李 松，张 硕，刘 源，宋振东，袁建明

（1.吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118；2.中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132000；3.中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010）

随着中国乡村振兴战略的实施和发展，农村居民的居住环境越来越受到人们的关注，它的发展和改善也是乡村振兴的关键[1]。在中国东北地区，农村居住建筑多，公共建筑少，且依传统经验建造而成，多数建筑没有科学依据。由于大部分农村地区距离城市遥远，不具备配套的集中供暖管网，且村民在建筑的维护结构、材料热工性能、朝向和保温等方面没有太多了解，导致农户多采用大量燃烧生物质、煤炭等采暖方式，能源消耗量大，采暖效益低，环境污染严重，居住舒适度没有较大提高[2-3]。

为解决东北地区农村冬季采暖能耗高、环境污染严重等问题，国内外学者在建筑节能、太阳能利用方面进行了大量研究[4]，其中被动式太阳能采暖技术因具有技术成本低、可行性高、无污染等优点，近年来成为中国建筑节能技术的重点研究对象。

本文以长春地区典型农村被动式太阳能住宅为研究对象，基于Ecotect 软件进行建筑能耗模拟，通过采取不同的节能措施比较和研究能耗对建筑的影响，在合理布局的基础上，得出适用于长春地区农村住宅的建筑策略。

1 模型建立

1.1 气候特点

长春地区属于严寒地区B 区，位于北纬43.90°，东经125.22°，海拔高度为236 m，采暖度日数为4642 d。全年日照时数为2400～2600 h。降水量少，云量少，日照多，相应的地面接受的太阳辐射较多。长春市处于太阳能资源的三级区，年辐射总量为4785.95～5360.02 MJ/（m2·年）[5]。

1.2 模型概况

本文选取长春市农村地区典型单层农村被动式太阳能住宅建立基础模型。建筑面积为148.64 m2，外墙厚370 mm，内墙厚150 mm，墙体材料均为实心黏土砖，且内外侧抹20 mm 厚水泥砂浆。天花板进行10 mm石膏板吊顶，并设置50 mm 隔热层。门采用橡木实心材料，窗体为塑钢材质，且设置6 mm 厚单层普通玻璃。基础模型平面图和立体图分别如图1 和2 所示。

图1 基础模型建筑平面图（单位：mm）

图2 基础模型建筑立体图

2 数值模拟

2.1 模拟条件假定

软件区域基本参数设置：人员服装热阻值为0.6，室内温度为18 ℃、湿度为60%时，室内的风速为1.5 m/s，房间的占用情况设置为4 人。从当年11 月1日至次年4 月15 日持续供暖。同时选择Weather Tool中典型的长春地区气象数据。

2.2 建筑能耗模拟结果与分析

2.2.1 不同玻璃材质模拟结果与分析

在窗户保温良好的情况下，选用3 种常用窗户玻璃材质进行模拟，其构造和热工参数如表1 所示。

表1 玻璃材质热工参数表

采用3 种不同材质玻璃的被动式太阳能住宅建筑能耗如图3 所示。由图3 可知，当建筑采用普通单层玻璃窗时，采暖季能耗最大。采用普通双层玻璃时，建筑能耗较大幅度减少。主要因为空气夹层的存在，减少了室内外热量传递。而镀了Low-e 膜的双层玻璃，其建筑能耗最小，但与普通双玻结构玻璃相比，建筑能耗仅降低了2%，差异不大。与单层普通玻璃相比，建筑能耗降低了26%，差异明显。

图3 不同透光材质下建筑能耗对比图

2.2.2 不同窗墙比模拟结果分析

在无地形限制的情况下，长春地区农村住宅朝向以南北为主。窗户的布局直接影响南墙的太阳辐射的热量，同时也影响南北墙的夜间热损失。在保温良好情况下，通过设置南北墙不同窗墙比，对比分析建筑能耗。

当南墙窗墙比设置范围为0.3～0.7 时，建筑能耗如图4 所示。由图4 可知，南北墙窗墙比增加，建筑能耗增加。相同窗墙比时，北墙能耗比南墙能耗大。因为南墙能够接受太阳辐射热，白天可获得更多来自阳光的能量，能有效增加白天房间温度，从而抵消一部分能耗。而北墙全年无太阳光直射，只有能耗损失。

图4 南北墙不同窗墙比能耗对比图

2.3 不同附加阳光间进深模拟结果分析

附加阳光间进深是阳光间的南向墙体到建筑南向墙体的距离，不同的进深会影响阳光照射到房间内的位置，进而影响建筑能耗。通过基础模型设置凸出式附加阳关间，对进深分别为0.3 m、0.5 m、0.9 m、1.2 m和1.5 m 的附加阳光间进行模拟，如图5 所示。

图5 不同附加阳光间进深的建筑能耗对比图

由图5 可知，随着附加阳光间进深增加，建筑能耗增加。主要因为附加阳光间进深增加，东西墙体增加，照射到建筑南墙上的阳光减少，室内直接供热量减少。且附加阳光间进深增加其体积也随之加大，虽然储热空间增大，但自身热量损失速度也随之加快，大于附加阳光间的热量增加速度。

2.4 不同墙体材料模拟结果分析

墙体作为被动式太阳房建筑围护结构构件，其热量流失较大，因此墙体保温性能对被动式建筑节能起着关键作用。为进一步提高墙体的保温性能，可在墙体中适量添加保温隔热材料，从而增强墙体蓄热能力，降低住宅建筑能耗。长春市农村被动式太阳房建筑墙体结构分为夯实土墙和砖墙2 种。夯实土墙包括300 mm夯实土墙和500 mm 夯实土墙，砖墙分为双层砖腔灰泥墙、内抹泥外混凝土型及砌筑型。通过基础模型设置墙体材料，分别对表2 中的4 种墙体材质进行模拟。

表2 玻璃材质热工参数表

不同墙体材料的建筑能耗对比如图6 所示。由图6可知，当被动式太阳房建筑墙体采用工况1 时，其冬季采暖季的建筑能耗最大，采用工况3 时冬季采暖季建筑能耗最小，其建筑能耗比工况1 降低了约38%，主要原因为工况3 墙体中设置了隔热层，大大降低了室内向室外的传热能力。工况2 和工况4 建筑耗比工况1 分别降低了约10%和28%。与工况3 相比，工况2 和工况4 的建筑能耗分别增加了31%和14%。主要因为夯土墙和黏土砖墙的传热能力均小于砖混墙体，而与设置了隔热层的墙体相比其传热能力增加。说明隔热层设置在墙体中能够充分起到保温作用，节能效果明显。

图6 不同墙体材料的建筑能耗对比图

3 结论

基于本模型的长春地区农村被动式太阳能建筑，在不考虑其他影响因素的情况下，改变玻璃材质、南北墙窗墙比和附加阳光间进深对冬季建筑采暖能耗影响显著。

通过对比不同材质的玻璃窗，建筑能耗情况为low-e 型中空玻璃<普通中空玻璃<普通单层玻璃。因此，对于本模型的被动式太阳能建筑选择普通中空玻璃经济适用性更高。

通过对比南北墙窗墙比，得出建筑能耗随南北墙窗墙比增加而增加，且相同窗墙比情况下北墙能耗高于南墙。因此，选择较小窗墙比为宜。

通过改变附加阳光间进深尺寸，得出建筑能耗随阳光间进深增加而增大。当不考虑人体活动空间时，进深较小为宜。

通过对不同建筑墙体材料，建筑能耗差异显著。采用设置隔热层的墙体建筑能耗最小，但是后期维护较为麻烦且造价高。300 mm 稳定夯土墙价格低廉，但冬季昼夜温差大，房间舒适度较低。350 mm 实心黏土砖+20 mm 厚水泥砂浆墙体建筑能耗比普通砖墙和夯土墙小且成本相对较低，适用范围广，作为新建建筑或原有建筑的被动式改造，可优先考虑。