冬季热舒适视角下农村住宅屋顶节能改造设计思考——以郓城县为例

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论文字数:75255 论文编号:sb2022061519270148360 日期:2022-06-29 来源:硕博论文网

本文是一篇建筑论文,本文基于调研结果选择 5 个不同年代的典型住宅,分析其屋顶围护结构存在的问题并提出改造措施,运用 Rhinoceros 6 建模软件与 Ladybug 和 Honeybee 建筑参数化模拟插件进行模拟分析。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及目的意义
1.1.1 研究背景
近年来,国家为解决农村发展中遇到的问题相继出台了多条方针政策,旨在推动农村经济发展、缩小城乡差距。在我国推进全面深化改革之际,农村改革仍是的一个重点。为解决我国能源浪费问题,在党的十八报告中提出大力推进生态文明建设和全行业节能减排。党的十九大仍高度重视农村发展,并与 2018 年发布了《乡村振兴战略规划(2018~2022 年)》,强调在推进乡村振兴的进程中注重改善农村居住环境,建设宜居宜业的美丽乡村。

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伴随着乡村振兴战略的进一步推进,城乡发展差距进一步缩小,农民生活水平的持续提高,农村居民对于建筑的要求已经不再是简单的遮风避雨,农村建筑由追求建筑层数的增多、建筑面积的增大,发展到对于建筑室内环境的舒适性要求不断提高。由于我国农村住宅分布广、数量多,并且农村住宅往往由当地工匠凭经验建造而成,对经济性和安全性的考虑较多,建筑节能意识不足,建筑围护结构的热工性能较差,需要消耗较多的能源以营造舒适的室内热环境,造成农村能源消费水平居高不下。
2018 年我国农村住宅的商品能耗为 2.16 亿 tce(吨标准煤当量),占全国当年建筑总能耗的 22%,其中电力消耗为 2623 亿 kw·h,此外农村生物质能消耗约折合 0.9 亿 tce。虽然我国城镇化快速发展,大量人口从乡村转移到城市,但是我国农村人口仍有 5.64 亿,并且农村人均住房面积增加,农村住房规模已经基本稳定在 230 亿 m2 左右[1]。与城市住宅相比,农村住宅由于建筑层数较少,屋顶在围护结构中所占的比重较大,对建筑能耗的影响较大。与其他围护结构相比,屋顶的构造比较复杂,在使用过程中更容易出现漏雨等问题。屋顶作为建筑顶部的围护结构,受太阳照射时间长,提高的屋顶的热工性能可以有效防止夏季建筑室内过热和冬季室内热量的流失,因此屋顶节能设计对于建筑节能和室内热环境改善都至关重要。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外既有建筑节能改造研究现状
1、国外研究现状
(1)农村住宅节能研究美国和欧洲许多发达国家的农业发展相对较快,这些国家自上世纪五十年代起便开始了针对乡村居住环境的研究。这些发达国家的乡村民居大都遵循因地制宜的原则,尊重该村落自身的环境和人文条件。例如德国和日本政府要求新建或改建的乡村住宅在保护乡村风貌的基础上还要预留出一定的发展和改造空间。
随着建筑节能研究的不断深入,农村民居的节能引起了越来越多学者的重视。Paolo Maria Congedo 等人以意大利南部的农村住宅为例,通过对农宅的改造,总结适用于农村住宅的节能改造措施,并针对意大利南部地区的气候条件有针对性的提出了较为全面的改造方案[2]。Vale, Brenda 认为农村住宅在设计时应该遵循因地制宜和可持续发展等原则,并提出了一系列更新策略[3]。Yan-qiu CUI 认为解决农村住宅能源消耗量大的问题可以有效提升农村整体经济,其通过研究提出了相当精炼的能源设计策略[4]。
(2)屋顶节能研究
在城市发展理念改变的背景下,欧美等发达国家开始重视既有建筑屋顶的节能改造。来自印度尼西亚安达拉斯大学工业工程系的教授 L.Susanti 等研究发现自然通风屋顶能够有效改善工厂建筑热环境并降低工厂建筑能耗。在早八点至晚六点期间,单层实体屋顶内表面的温度要高于架空屋顶上表面的温度[5]。
来自法国荷属圭亚那大学可再生能源研究小组的教授 T.Soubdhan 等通过实验计算方式,对热带气候下的屋顶隔热材料性能进行研究[6]。
Theodore G.Theodosiou 等研究了种植屋顶在夏季的隔热降温性能,研究得出了一些影响屋顶冷却效果的种植屋顶特征[7]。
1959 年,美国的一位建筑师加利福尼亚的凯泽中心 6 层高的建筑顶部建造了一座占地面积达 1.2 公顷的空中花园,开创了既有建筑屋顶空间利用的先河,之后便开始了各种形式的屋顶改造[8]。
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第 2 章 热舒适相关理论研究
2.1 热舒适的影响因素
热舒适的影响因素主要包括室内环境因素和人的因素两类。室内环境因素主要包括:空气温度、平均辐射温度、相对湿度和空气流速;人的因素主要包括;服装热阻和新陈代谢率[46]。
2.1.1 环境因素
1、空气温度
空气温度是影响建筑室内热环境的重要因素之一。室内空气温度的高低是由建筑围护结构的得失热和内表面温度以及建筑通风情况等因素共同决定的,空气温度直接决定人体与周围环境的热平衡,从而对人体热感觉产生重要影响[47]。一般认为舒适的室内温度范围为 20℃-24℃,在此温度范围内,人体主要通过对流和辐射方式进行热交换,从而达到热平衡状态。在相对湿度和空气流速不变的情况下,随着温度升高人体会表现出皮肤温度升高和排汗增加;随着空气温度的降低,人首先会表现出手脚僵硬继而产生疼痛感。因此,适宜的室内空气温度会对人们的生活和工作带来有利影响。
2、平均辐射温度
在室内环境中,人体在与周围空气进行对流换热的同时,还与室内各物体表面进行辐射热交换,因此环境热辐射也会对人体热舒适产生影响。由于建筑围护结构的热工性能以及得失热量存在一定的差距,因此建筑不同围护结构的内表面温度各不相同,同时人体与围护结构表面间的相对位置也会对辐射换热量产生影响。平均辐射温度可以度量环境对人体的总辐射作用,是衡量室内热辐射的指标。由于建筑围护结构热工性能较差导致室内环境较恶劣时,室内辐射温度可能明显高于或者低于空气温度。因此,冬季寒冷地区围护结构内表面温度过低,会加速人体热量散失,从而影响人体热舒适[48]。
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2.2 人体热舒适研究的方式与评价指标
2.2.1 热舒适研究方式
针对人体热舒适,国内外采取的研究方式主要有两种:人工气候实验室研究和实际建筑现场调查研究,这两种方式都存在一定的优势与局限性。
1、人工气候实验室研究
在人工气候实验室中,实验者可以通过空调系统精确地控制室内环境参数,受试者穿着统一的服装,活动状态统一为静坐或者完成给定任务,并针对自身热舒适状况进行评价[28]。
人工气候实验室研究的优势:①在人工气候实验室中,对人体热舒适产生影响的四个环境变量和两个人体自身变量都可以得到精确控制。人工气候实验室研究可以通过控制变量的研究方法,得到某一个环境变量或某几个环境变量组合对人体热舒适的影响。②通过人工气候实验室,可以营造实际建筑中不太容易获得的极端环境条件。通过研究在极端环境下工作的人群的热舒适状况,可以为该人群的健康和生命安全提供保障。③当热环境条件发生变化时,人体的一些生理指标(如皮肤温度、心率变异性等)也会随之发生变化,可以通过这类生理指标来反映人体热舒适性[52]。对人体生理指标进行测试时需要使用专用仪器并要求受试者处于稳定状态,在人工气候实验室中更容易满足生理测试所需条件[45]。
人工气候试验室研究的不足:在人工气候实验室中,环境参数和人自身参数都由实验条件设定,受试者无法进行调节,只能承受环境的变化,因此实验室研究无法体现人体主动适应环境的过程。并且,由于人工气候室实验的对象均为招募而来的受试者,其参与实验的动机和态度与实际建筑中真实工作、生活的人有所不同,这也会在一定程度上影响实验结果的有效性[53]。
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第 3 章 农村住宅现状分析与屋顶改造方案................................. 22
3.1 农村住宅现状调研.......................................22
3.1.1 郓城县气候特征........................................ 22
3.1.2 农村住宅发展沿革....................................... 24
第 4 章 单层夯土民居屋顶改造模拟分析............................... 63
4.1 建筑能耗与围护结构冬季得失热模拟分析..................................63
4.1.1 屋顶改造前后建筑能耗模拟分析........................................... 63
4.1.2 屋顶改造前后建筑围护结构冬季得失热模拟分析......................... 65
第 5 章 单层砖混民居屋顶改造模拟分析....................................... 75
5.1 建筑能耗与围护结构冬季得失热模拟分析...................................75
5.1.1 屋顶改造前后建筑能耗模拟分析.......................................... 75
5.1.2 屋顶改造前后建筑围护结构冬季得失热模拟分析...................... 80
第 6 章 两层新农村住宅屋顶改造模拟分析
6.1 建筑能耗与围护结构冬季得失热模拟分析
6.1.1 屋顶改造前后建筑能耗模拟分析
1、两层砖墙双层屋顶住宅
(1)屋顶改造前建筑能耗模拟分析
案例住宅见表 3.4,建筑为两层,一层层高为 3.4 米,二层为 3 米。建筑墙体采用多孔粘土砖墙,厚度为 240mm。建筑开窗面积较大,为避免门窗热阻较小而导致室内热环境过差,窗户采用双玻中空玻璃窗。建筑屋顶为钢筋混凝土双层屋顶,屋顶热工性能得到改善。在不考虑周边环境对建筑遮挡的情况下,运用能耗模拟软件模拟得到建筑能耗情况(表 6.1)。由模拟结果可以看出,建筑一层的能耗较低,二层的总能耗是一层 3.5 倍。因此与一层相比,二层室内夏热冬冷,舒适度较差。

建筑论文参考
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(2)改造为保温屋顶后建筑能耗模拟分析与钢筋混凝土平屋顶和木屋架坡屋顶相比,双层屋顶的热工性能已经有了明显提升,但是距离规范规定值还有一定的差距。为提升屋顶的热工性能可以在坡屋顶上增设保温层,达到进一步节能的目的。
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第 7 章 研究结论与展望
7.1 研究结论
本文通过实地调研发现,郓城县不同年代建造的农村住宅除部分近几年新建建筑开始使用加气混凝土砌块、双玻窗和双层屋顶外,其他建筑围护结构的热工性能均较差,且屋顶的热工性能较墙体更差。围护结构热工性能的不足导致建筑室内热环境较差,必须长期依赖制冷制热设备,造成能源浪费。
基于调研结果选择 5 个不同年代的典型住宅,分析其屋顶围护结构存在的问题并提出改造措施,运用 Rhinoceros 6 建模软件与 Ladybug 和 Honeybee 建筑参数化模拟插件进行模拟分析,并得到以下结论:
1、与城市居民不同,农村居民冬季长期生活在偏冷环境中,对于室内热环境的心理期望较低,较低的室内温度便可以达到心理预期。研究发现,室外温度的变化同样会影响农村居民的心理期望值,室外温度越低,人们对室内温度的期望值越低。
2、研究得到,郓城地区农村居民的冬季实际可接受温度范围为 10.3℃~16.9℃,热中性温度为 13.6℃,而 PMV 模型中计算得到的预测可接受温度范围为12.6℃~23.5℃,热中性温度为 18℃。对比发现居民的实际热舒适温度更低,说明当地居民具有较强的耐寒性。因此,相关标准中建议的农村住宅的室内计算温度14℃,能够满足当地居民的热舒适要求。
3、由于屋顶的热工性能较差,屋顶的冬季失热量高于墙体,且冬季屋顶内表面温度比墙体要低。
参考文献(略)


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