基于村镇建筑调研数据的自遮阳与太阳房分析（建筑）
范昕杰
华东建筑设计研究院有限公司
摘要：本文介绍广西、上海、山东、辽宁四个地区村镇建筑围护结构、生活习惯、室内期望温度的调研结果，统计了当前村镇的建筑热工性能，能耗水平及居民对室内温度的要求。随后基于调研得到的室内期望温度等数据，模拟分析自遮阳与太阳房对室内负荷的影响作用，在比较不同自遮阳与太阳房的设置形式后获得了一些有用结论，对于村镇继续开展示范工程建设和推进建筑节能具有现实意义。
关键词：村镇建筑期望温度自遮阳太阳房
0 引言
随着村镇居民生活水平日益改善，建筑能耗大幅增加。然而现有建设规范与标准由于村镇社会环境与生活习惯与城市不同而无法准确发挥作用，村镇建筑节能亟需专业指导。村镇建筑节能关键技术集成与示范课题针对村镇建筑特征、围护结构、生活习惯、室内期望温度等展开了全面调研，实地考察了广西、上海、山东、辽宁等五个地区，地域范围涵盖了夏热冬暖、夏热冬冷、寒冷、严寒四个气候区，收集村镇建筑的第一手资料，从中归纳的建筑现状、特点可以为大量村镇建筑节能作参考，对推进节能研究与示范工程的建设有极大的作用。本文对这些宝贵的调研结果进行了部分归纳，并作为分析不同气候区自遮阳与太阳房两个节能措施的研究依据，并将分析结论用于指导示范工程建设。
在调研基础数据上，本文分析南方地区自遮阳与北方地区太阳房利用对室内制冷与采暖负荷的直接影响。其中南方地区是以广西与上海示范区为代表，北方地区以山东与辽宁示范区为代表。
1 村镇住宅围护结构特点
1.1围护结构形式
在广西、上海、山东、辽宁等地村镇中，课题组走访了113户居民，对当地典型建筑结构体系、外墙材料、屋顶形式、门窗材料等围护结构参数做了调研。表1为主要调研结果，结果显示各地的建筑形式多以独栋为主，结构基本为砖木结构，仅上海较多采用砖混结构，坡屋顶为最多被采用的形式；外墙从南方向北方依次增厚，广西村镇居民屋顶多为上人屋面，采用较多钢筋混凝土结构形式，上海山东则采用木望板，辽宁在钢筋混凝土的基础上加入的原始保温材料黄土埋草泥用于保温；外窗上四个地区均采用单层窗形式，南方地区为多用铝合金门窗，北方地区沿用木质门窗。
根据围护结构调研结果对热工性能进行了统计（表2），广西的各项传热系数最高，沈阳的最低，上海的外墙、屋顶与山东相当，但山东的外窗、外门传热系数更小。总体上，村镇围护结构的传热系数与当地的气候条件有很大关系，距离城市的节能标准还有一定差距。
1.2人员与内扰
村镇住宅多独栋独户，房间较多，但由于外出务工，平均居住人数仅3人，上海4人，四个示范区的户均人数见表3。通过对当地村镇居民的走访，发现日常作息与城市居民不同，白天使用率相对较高，其中较大原因是家中驻守老幼，他们起居较早，客厅与厨房使用较多。
村镇居民家用电器的拥有量还未跟上城市水平，照明、设备的使用与城市公建、住宅存在较大不同，照明功率与电器设备功率的密度普遍较低。表4对四个地区的家电器拥有量进行了统计，统计中发现，节能灯已经普及，灯具的功率多为40 W，电视机多为21英寸彩电，功率约100 W;家用冰箱功率150～180 W，洗衣机容量为2公斤的功率为250 W，电脑功率300 W，其它家电设备包括电脑、吸尘器、微波炉、电饭煲等，功率合计在200 W左右。各个示范区中，上海村镇电视机，电脑的拥有量高于其他地区，广西在这几个地区中的拥有水平相对最低，辽宁与山东相当。以上数据较为准确地提供了村镇建筑室内热扰的水平度，相应的设备和照明功率密度是在以上调研结果下得出的。
1.3期望温度
村镇居民由于生活习惯的差异，并不适用城市惯用标准的室内设计温度。为了解冬夏季对室内舒适温度的要求，专门对村镇居民做了调研，调研的样本分布如表5。调研中接近500多名村镇居民接受了问卷调查，尽量多的选择不同年龄与性别的居民作为样本以反映对室内热环境的不同要求，同时记录受试者的衣着情况。
调查样本的年龄层次在40岁上下，接受调查与测试时被调查人员处于静坐状态。受试人员的夏冬季衣着量与气候区类型基本相似，广西衣着量最少，山东、辽宁衣着量最多。
期望温度是在以上样本空间，逐步改变室内温度，调查满意度分布，通过回归分析得到，具体如下表。例如上海，当冬季室内温度处于11.3℃时，居民的热不接受程度最低，可认定达到室内最佳舒适温度。在进一步的分析中，表6温度作为室内设计温度。
2 分析软件
采用能耗分析软件eQUEST对建筑进行动态模拟。eQUEST是一款于DOE-2.2基础上开发的建筑能耗分析软件，可以根据输入的建筑情况（包括围护结构材料、供暖空调方式、室内人员活动规律等）和室内设定温度值的要求，动态计算出建筑物的各时段负荷、能耗情况。
3 自遮阳分析
南方地区夏季太阳辐射强烈，对室内负荷影响较大，遮阳是减弱此影响的重要手段。在广西、上海当地传统住宅中，往往设置有自遮阳的形式。图1为南方地区典型村镇建筑剖面图，图中在建筑南向，一层厅堂上方设置二层露台，用于日常晾晒用途，露台尽头设有挑檐的，挑檐从二层楼板向南出挑，此设计可以为一层起到遮阳的作用。以下分析将对这种自遮阳形式——露台出挑长度对室内累积冷负荷的影响做出分析。
典型村镇建筑形式中，一层的客厅(层高3.2 m)是露台自遮阳直接影响的区域。热负荷影响分析的变化条件为挑檐的出挑长度（从露台向南向伸出的长度），宽度、设计形式以及材料均不发生变化。设置的计算条件如表7所示，一般认为2m以内为较合理的挑檐长度，高于2m的挑檐不做计算比较。另外，为更真实反映村镇建筑的情况中分析室内设计温度、内扰及围护结构等参数均参照上一节的调研结果。
图2为以无挑檐的累积冷负荷作为基准，挑檐长度改变后，广西、上海在夏季6～8月份累积冷负荷的比例图形。从图形可得，当设置挑檐后，客厅的累积冷负荷有明显的下降趋势，1.2 m的挑檐可以为上海、广西的负荷客厅带来14%与11.9%下降。其中，上海的下降幅度要高于广西，这是由于上海的太阳高度角较广西要低，水平挑檐在上海能够遮挡更多的阳光。当挑檐从1.2 m往更长长度增加时，上海的客厅冷负荷下降幅度分别为2.9%和2.3%，广西的下降幅度分别为2.5%和2.1%，两地的比例都趋于减小。
总体上，在较合理的挑檐设置范围内，上海村镇建筑夏季每0.3 m的挑檐长度可以为主要影响房间带来平均3.2%的节能效益；广西村镇建筑每0.3 m的挑檐长度可以为主要影响房间带来平均2.75%的节能效益。
4 太阳房分析
对于位于寒冷与严寒地区的山东和辽宁，冬季供暖是主要诉求，太阳能作为廉价的一次热源已经在村镇广为利用。太阳房因其技术简易可操作性较高，已逐渐成为村镇利用太阳能的较好形式。下文对它的节能效果到底如何做了探讨。
图3为在山东、辽宁当地传统住宅中加入太阳房设计的典型平面图，主要分3种太阳房设置形式：1）外凸型：三面都为玻璃，与客厅同宽，进深0.8 m;2）内凹0.8 m型：仅有南向一面为透光玻璃，进深0.8 m;3）内凹1.5 m型：仅有南向一面透光，进深1.5 m。三者都位于建筑南向，紧挨客厅，与客厅与之设有门窗。
类似挑檐，太阳房对室内的影响集中于客厅，分析仅关注客厅冬季12月至次年2月的累积热负荷。由于太阳房的设置对于客厅的供暖面积有一定影响，表8对设置不同太阳房时的客厅面积做了统计。累积热负荷的比较以无太阳房的单位面积累积热负荷为基准。
同样，分析中室内设计温度、内扰及围护结构等参数均参照上一节的调研结果。
图4结果统计中，设置太阳房使客厅冬季的累积热负荷得到了下降，辽宁的下降幅度为1.45%-4%，山东为2.96%～7.55%。下降趋势在内凹0.8 m太阳能房处出现拐点，这是因为当进深过大后，影响了客厅冬季的采光，而太阳房本身玻璃比例较高，并不能起到非常好的隔热作用。从比例上看，太阳房设置于山东比辽宁更具节能效果。
总体上，在太阳房对冬季累积热负荷的改善幅度在10%以下，偏北的寒冷地区改善幅度更小。设置形式中内凹型要好于外凸型，但内凹型的进深不可过深，推荐在0.8m左右为宜。
5 结论
本文较真实地反映了当前中国村镇住宅建筑的现状，并运用调研获得的数据分析了南方露台自遮阳、北方太阳房对当地村镇冷、热负荷的影响程度。主要得到的结论如下：
1)村镇的围护结构热工性能离现行节能标准还存在一段差距，室内的照明、设备功率较小，村镇居民对室内温度的期望要求相比城市要低。
2)露台自遮阳是南方村镇建筑运用较多的形式，这一形式可以显著减少对受遮挡房间的夏季冷负荷，每0.3 m的挑檐长度在广西、上海分别能减少负荷2.75%与3.2%。
3)太阳房在偏北的寒冷地区对室内负荷改善相对较小，设置形式以内凹型为佳，进深不宜过大，推荐0.8m左右。
