西北乡镇民居设计参数与室内热舒适耦合机理研究及应用

The comfort degree of building space mainly depends on the construction and adjustment of indoor thermal environment. Adjusting indoor thermal environment by equipment will increase the energy consumption of buildings in rural areas, and the thermal load of buildings will be affected by architectural design parameters and local climate conditions. Therefore, under the unsteady climate conditions in Northwest China, different architectural design parameters will form different characteristics of indoor thermal environment. Then it affects the indoor thermal comfort and building energy consumption of residents in township areas. Based on the heat transfer mechanism of the envelope structure of new brick-concrete dwellings in Northwest villages and towns, this study aims at building zero-energy-consuming buildings, and clarifies the coupling mechanism between the design parameters and indexes of the dwellings (window-wall ratio wwr, shape coefoficient_, orientation angle of building axis a, depth of indoor space D and net height h of thermal zoning) and the thermal environment of the buildings. At the same time, according to the meteorological parameters and climatic conditions in Northwest China, through computer thermal environment simulation and energy consumption simulation methods to optimize the design parameters, improve the indoor comfort of rural residential buildings in Northwest China, and provide a theoretical basis for the application of rural architectural design in Northwest China.

建筑空间舒适度主要取决于室内热环境的营造与调节，通过设备来调节建筑室内热环境会造成乡镇地区建筑能耗的增高，建筑热负荷会受到建筑设计参数和当地气候条件的影响，因此，在西北非稳态气候条件下，不同的建筑设计参数会形成不同的室内热环境特征，进而影响乡镇地区居民的室内热舒适度和建筑能耗。本研究以趋零能耗建筑营造为目标，以西北乡镇新建砖混民居围护结构的传热机理为依据，阐明乡镇民居建筑设计参数及指标（窗墙比wwr，体形系数ξ，建筑轴线朝向角度α，室内空间进深d与热工分区净高h等）和建筑热环境的耦合机理。同时，研究根据西北地区气象参数及气候条件，通过计算机热环境模拟和能耗模拟的方法来优化建筑设计参数，改善西北乡镇民居建筑室内舒适度，为西北地区乡镇建筑设计应用提出理论依据。

项目的背景：.推进城乡融合与实施乡村振兴战略是我国十三五期间的重点工作之一，建筑行业碳达峰与碳中和也是我国十四五期间的关键任务之一。.主要研究内容：.本研究以打造趋零能耗乡镇居住建筑为目标，以西北乡镇新建砖混民居围护结构的传热机理为依据，通过分析与讨论，阐明了乡镇民居建筑设计参数及指标与建筑热环境的耦合机理。研究根据西北地区气象参数及气候条件，通过计算机热环境模拟和能耗模拟的方法来优化建筑设计参数。本研究提出的基于建筑设计参数优化方法对西北乡镇居住建筑节能提出了有效方法，填补了以往研究的空白。.重要结果：.本研究通过调研与归纳掌握了关中地区地域适应性农宅营建模式与现状。传统农宅在进化的过程中解决了部分问题，也遗失了一些有价值的传统特征，这也是在事物演进过程存在的客观现实。研究通过计算机数值模拟计算了不同建筑设计参数的建筑节能效果和不同围护结构构造设计下的建筑室内采暖能耗，最终提出了关中农村住宅建筑的低采暖能耗节能指标，得出了通过调整关键设计参数是能够有效改善研究对象的热环境条件与能源消耗量的。.关键数据及其科学意义：.（1）不同建筑设计参数的围护结构具有不同的节能优先级。一般情况下，屋顶具有最大的节能潜力，其次是外墙、外窗和遮阳。经计算与模拟，本研究结论建议的外墙和屋顶保温层厚度为30mm至40mm。在围护结构节能改造之后，单位外墙面积的采暖能耗降低值可以达到约8.5W/m2。.（2）对于关中地区农村住宅的外窗，相较于其他朝向的外窗，西向外窗具有最大的节能潜力，西向外窗的单位面积采暖能耗降低值比其他朝向高约3W/m2。当采用保温效果较好的外窗构造时，西向外窗可以明显降低采暖能耗，而南北向的节能效果不明显。多层中空玻璃窗的空气夹层厚度差异对降低建筑供暖能耗影响很小。.（3）设计参数优化方法的使用在有、无保温层情况下分别能够减少78.52%和63.35%的能耗。在冬季采暖负荷较大时实际测量发现需要通过设备进行热补偿的能耗明显下降，降至约三成。