论文部分内容阅读
【摘要】本文研究了成都地区晴朗的夏至日日中至日落时间段内西向和南向房屋保持室内舒适温度的能耗区别。室内温度变化的因素主要包括空气对流引起的热交换、墙体等受热区域温度升高对室内造成的热传导和太阳光和其它热源对室内造成的热辐射，其中太阳光线直接造成的热辐射影响较大。朝西的住宅在夏季下午阳光入社角度大，照射时间长，造成室内温度快速上升，为了调节室内温度而大量使用空调将大大提高建筑能耗。本文对特定时间西向和南向住宅所受的日照辐射量进行量化计算，从而进一步推算室内温度变化和保持舒适温度所产生的能耗差异让人可以直观和深刻的了解房屋朝向差异造成的能耗影响，并通过实验进行验证。針对房屋朝向对能耗的影响提出局部改进建议，促进成都市建筑能耗的降低，实现低碳发展。
【关键词】能耗；热辐射影响；建筑布局；建筑朝向；建筑节能；降低用电量；朝向与能耗差异
受极端高温天气影响，今年8月，成都电网负荷第十余次刷新历史记录、最大用电负荷超过1100万千瓦，较去年增长大幅跃升约20%，成都地区3座500kV变电站重载运行、17座220千伏变电站、22座110千伏变电站满载或重载运行。中心城区高新、南部、西南部片区，郊县的双流、大邑、邛崃、崇州、温江片区供电形势非常紧张，供电压力巨大，电力部门采取了限制工业用电保障居民用电，局部地区实行轮流限电等措施，给工业生产和居民生活带来了极大的不便。
电力负荷的上升最主要的原因在于居民空调用电的大幅增加，在气温一定的情况下，建筑本身是否节能则是空调用电变化的主要因素。影响建筑节能的因素很多，包括建筑材料是否使用了保温节能的材料，建筑布局和设计是否充分考虑了通风散热的因素，建筑朝向是否合理等。从笔者在各地游历学习的观察来看，我国的大部分城市对于建筑的朝向都十分重视，特别是北方城市，南向、男偏东的建筑最受欢迎，在北方城市基本没有北向建筑，在南方城市基本没有西向建筑，而成都市并未对建筑朝向方面进行严格要求，特别是较新的住宅小区出现了大量西向住宅，西晒现象严重，建筑能耗大幅增加。
在影响建筑能耗的几个因素上，建筑材料的选取受到造价的限制可调节的范围较小，改进建筑设计、优化建筑朝向则是相对经济合理的方向。笔者查阅了相关的资料，虽然在很多国家、部门的规定中有很多关于建筑日照方面的要求，但少有人能够从量化的角度论述不同朝向房屋在能耗方面的具体差异。本文的目的在于通过对能耗差异的量化测算让更多的普通人能够了解房屋朝向对建筑能耗的影响，从而影响购买者对房屋的选择，进而引导市场推出更多更加节能的建筑，实现低碳生活。
1、理论计算
1.1基本概念
太阳辐射总量：地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。
太阳高度角：是指某地的太阳光线与当地地平面的所交的最小线面角，这是以太阳视盘面的几何中心和理想地平线所夹的角度。
太阳方位角：太阳在方位上的角度，它通常被定义为从北方延著地平线顺时针量度的角。
空气比热：是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/（ kg · K ）]，即令1公斤的物质的温度上升1开尔文所需的能量。
1.2计算原理
本次计算的前提条件为室外温度恒定，且计算过程中只考虑因太阳辐射造成的室内温度变化，计算也不考虑随着室内温度升高室内对外散热速度可能加快等方面的影响。
在计算过程中，首先计算对象房屋在设定时间内从太阳接受的辐射热总量，再根据室内空气的质量和比热容，从而计算出室内温度的变化值。
本次计算对比了其它条件均相同的南向建筑和西向建筑在同一时间段内不同的温度变化情况，最后根据确定的空调制冷效率计算出达到舒适的室内温度所需要的能耗差异。
1.3计算过程
（1）房屋模型的选取
本次计算选择室内面积90㎡、建筑平均层高为2.8米，开窗面积，房屋体积为252m?的理想建筑作为分析对象，除开窗方向不同以外，分析对象的其他要素均相同。
（2）太阳总辐射量
成都位于四川中部地区，太阳辐射的总量取上下限平均值4410Mj/m2，由于夏季太阳高度角较高，夏季的太阳辐射量取值比平均值高20%，则可以计算成都地区夏季单位小时每平方米地面辐射量为：
4410*1000/365*24*120%=604kJ/㎡*h
即夏季成都地区受到太阳直射的每平米地表每小时的太阳辐射总量为604kj。
（3）不同朝向窗户在日中至日落期间接受的太阳辐射量
成都纬度为30。67′夏至日成都日中时间为13：05：36，日落时间为20：09：23，日中时太阳高度角为82°19′，即正午12点，太阳光与南向窗户的夹角为7°41′，此时与西向窗户的夹角为0°，日中至日落期间，南向窗户与太阳光线之间的夹角保持在7°41′，而西向建筑与阳光的夹角则由0。逐渐增加值82°19′，为了简化计算，在该时间段内，取太阳的平均入摄角度为41°9′。
南向窗户的透过率取15%，吸收并到释放到室内与透过的热量合计取20%；西向窗户的透过率取70%，吸收并到释放到室内与透过的热量合计取75%。
则南向窗户在日中至日落期间吸收的总热量为：604*9*7*sin7°41′*0.2=989Kj
西向窗户在日中至日落期间吸收的总热量为：604*9*7*sin41°9′*0.75=28539Kj
西向窗户接收的热量约等于南向窗户接收热量的18倍。
（4）室内温度上升所需热量的计算 25℃空气的比热容为1012（下转220页）（上接218页）J/kg*k，标准大气压下的空气密度为1.29kg/m?，室内空气没上升一度所需要的热量为：
1.29*252*1012/1000=328Kj
即室内空气温度上升1℃，需要的热量328Kj。
在不考虑散热的情况下，理论上，9m2西向窗户在日中至日落期间吸收的热量可以使室内温度上升28539/328=87℃
（5）能耗差异计算
按照1匹空调的制冷量2324W计算，1匹空调7小时的制冷量为2324*7/1000=16268w.h，合58564千焦，按照最大功率运行则约3.5小时可以抵消南向窗户直接吸收的热量，耗电0.735kw*3.5h=1.9kwh。即抵消9㎡西向窗户日中至日落的吸热需耗电2度，而同样大小的南向窗户则只需要约0.1度。
2、实验验证
2.1实验条件
本次试验选择成都市某小区两套户型相同、朝向不同的住宅作为实验对象，测定关闭门窗后同一时间段的室内温度变化率及能耗情况，测试时间为下午2点，室外气温为35℃，阳光充足，无云层。
2.2实验过程
实验开始时，关闭房屋所有外部门窗，打开户内房门，拉开窗帘，测量室内温度，1小时后再次测量室内温度，测得温度后选择面积相同、朝向分别为正西和正南的卧室，同时开启空调制冷（空调品牌型号相同），设定相同温度后调整空调制冷功率到最大，测定室内温度降低到设定溫度的时间。
2.3实验结果
根据测定结果，开始测试时室外温度为35℃，关闭门窗后第一次测量，南向房间室内温度为31.7℃，西向房屋室内温度为33.5℃。1小时候第二次测量，南向房屋室内温度为33.8℃，西向房屋室内温度为37.3℃，西向房屋的室内温度高于室外温度。打开所选房间空调后，南向房屋室内温度在13分钟后达到设定的室内温度26℃并稳定，西向房屋在一直保持制冷最大功率的一小时内，室内温度无法降低至目标值，室内温度最低达到27.5℃。西向房屋的能耗显著高于南向房屋。
3、结论与建议
长期以来，成都地区雨雾天气多、日照不足的认识已经深入人心，且由于成都人喜欢到郊外、户外休闲在室内呆的时间较少，故而不太重视住宅朝向对居住舒适度、能耗方面的影响，这也是成都存在大量西向住宅的原因。但随着全球气温的升高，恶劣高热天气频发和成都环境改善以后日照时间的增加，大量存在的西向建筑将大大提高建筑的能耗，不得不成为我们关注的一个重点。
在未来的城市建设中，应当充分考虑西向建筑的能耗影响，尽量避免完全西向的建筑，增加南向和南偏东向的建筑，若必须选用西向建筑是则应当减少建筑玻璃面和窗户的比例，或者选用特殊的隔热玻璃材料。
参考文献：
[1]常静 ， 李永安.《住宅建筑屋面参数对采暖能耗的影响研究》
[2]唐易达 ， 黄涛 ， 张承旺. 《绵阳地区窗墙面积比对住宅建筑能耗的影响研究》
[3]钟新.《不同朝向窗墙比对昆明地区住宅能耗的影响》
[4]杨金焕 ， 毛家俊 ， 陈中华.《不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算》
【关键词】能耗；热辐射影响；建筑布局；建筑朝向；建筑节能；降低用电量；朝向与能耗差异
受极端高温天气影响，今年8月，成都电网负荷第十余次刷新历史记录、最大用电负荷超过1100万千瓦，较去年增长大幅跃升约20%，成都地区3座500kV变电站重载运行、17座220千伏变电站、22座110千伏变电站满载或重载运行。中心城区高新、南部、西南部片区，郊县的双流、大邑、邛崃、崇州、温江片区供电形势非常紧张，供电压力巨大，电力部门采取了限制工业用电保障居民用电，局部地区实行轮流限电等措施，给工业生产和居民生活带来了极大的不便。
电力负荷的上升最主要的原因在于居民空调用电的大幅增加，在气温一定的情况下，建筑本身是否节能则是空调用电变化的主要因素。影响建筑节能的因素很多，包括建筑材料是否使用了保温节能的材料，建筑布局和设计是否充分考虑了通风散热的因素，建筑朝向是否合理等。从笔者在各地游历学习的观察来看，我国的大部分城市对于建筑的朝向都十分重视，特别是北方城市，南向、男偏东的建筑最受欢迎，在北方城市基本没有北向建筑，在南方城市基本没有西向建筑，而成都市并未对建筑朝向方面进行严格要求，特别是较新的住宅小区出现了大量西向住宅，西晒现象严重，建筑能耗大幅增加。
在影响建筑能耗的几个因素上，建筑材料的选取受到造价的限制可调节的范围较小，改进建筑设计、优化建筑朝向则是相对经济合理的方向。笔者查阅了相关的资料，虽然在很多国家、部门的规定中有很多关于建筑日照方面的要求，但少有人能够从量化的角度论述不同朝向房屋在能耗方面的具体差异。本文的目的在于通过对能耗差异的量化测算让更多的普通人能够了解房屋朝向对建筑能耗的影响，从而影响购买者对房屋的选择，进而引导市场推出更多更加节能的建筑，实现低碳生活。
1、理论计算
1.1基本概念
太阳辐射总量：地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。
太阳高度角：是指某地的太阳光线与当地地平面的所交的最小线面角，这是以太阳视盘面的几何中心和理想地平线所夹的角度。
太阳方位角：太阳在方位上的角度，它通常被定义为从北方延著地平线顺时针量度的角。
空气比热：是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/（ kg · K ）]，即令1公斤的物质的温度上升1开尔文所需的能量。
1.2计算原理
本次计算的前提条件为室外温度恒定，且计算过程中只考虑因太阳辐射造成的室内温度变化，计算也不考虑随着室内温度升高室内对外散热速度可能加快等方面的影响。
在计算过程中，首先计算对象房屋在设定时间内从太阳接受的辐射热总量，再根据室内空气的质量和比热容，从而计算出室内温度的变化值。
本次计算对比了其它条件均相同的南向建筑和西向建筑在同一时间段内不同的温度变化情况，最后根据确定的空调制冷效率计算出达到舒适的室内温度所需要的能耗差异。
1.3计算过程
（1）房屋模型的选取
本次计算选择室内面积90㎡、建筑平均层高为2.8米，开窗面积，房屋体积为252m?的理想建筑作为分析对象，除开窗方向不同以外，分析对象的其他要素均相同。
（2）太阳总辐射量
成都位于四川中部地区，太阳辐射的总量取上下限平均值4410Mj/m2，由于夏季太阳高度角较高，夏季的太阳辐射量取值比平均值高20%，则可以计算成都地区夏季单位小时每平方米地面辐射量为：
4410*1000/365*24*120%=604kJ/㎡*h
即夏季成都地区受到太阳直射的每平米地表每小时的太阳辐射总量为604kj。
（3）不同朝向窗户在日中至日落期间接受的太阳辐射量
成都纬度为30。67′夏至日成都日中时间为13：05：36，日落时间为20：09：23，日中时太阳高度角为82°19′，即正午12点，太阳光与南向窗户的夹角为7°41′，此时与西向窗户的夹角为0°，日中至日落期间，南向窗户与太阳光线之间的夹角保持在7°41′，而西向建筑与阳光的夹角则由0。逐渐增加值82°19′，为了简化计算，在该时间段内，取太阳的平均入摄角度为41°9′。
南向窗户的透过率取15%，吸收并到释放到室内与透过的热量合计取20%；西向窗户的透过率取70%，吸收并到释放到室内与透过的热量合计取75%。
则南向窗户在日中至日落期间吸收的总热量为：604*9*7*sin7°41′*0.2=989Kj
西向窗户在日中至日落期间吸收的总热量为：604*9*7*sin41°9′*0.75=28539Kj
西向窗户接收的热量约等于南向窗户接收热量的18倍。
（4）室内温度上升所需热量的计算 25℃空气的比热容为1012（下转220页）（上接218页）J/kg*k，标准大气压下的空气密度为1.29kg/m?，室内空气没上升一度所需要的热量为：
1.29*252*1012/1000=328Kj
即室内空气温度上升1℃，需要的热量328Kj。
在不考虑散热的情况下，理论上，9m2西向窗户在日中至日落期间吸收的热量可以使室内温度上升28539/328=87℃
（5）能耗差异计算
按照1匹空调的制冷量2324W计算，1匹空调7小时的制冷量为2324*7/1000=16268w.h，合58564千焦，按照最大功率运行则约3.5小时可以抵消南向窗户直接吸收的热量，耗电0.735kw*3.5h=1.9kwh。即抵消9㎡西向窗户日中至日落的吸热需耗电2度，而同样大小的南向窗户则只需要约0.1度。
2、实验验证
2.1实验条件
本次试验选择成都市某小区两套户型相同、朝向不同的住宅作为实验对象，测定关闭门窗后同一时间段的室内温度变化率及能耗情况，测试时间为下午2点，室外气温为35℃，阳光充足，无云层。
2.2实验过程
实验开始时，关闭房屋所有外部门窗，打开户内房门，拉开窗帘，测量室内温度，1小时后再次测量室内温度，测得温度后选择面积相同、朝向分别为正西和正南的卧室，同时开启空调制冷（空调品牌型号相同），设定相同温度后调整空调制冷功率到最大，测定室内温度降低到设定溫度的时间。
2.3实验结果
根据测定结果，开始测试时室外温度为35℃，关闭门窗后第一次测量，南向房间室内温度为31.7℃，西向房屋室内温度为33.5℃。1小时候第二次测量，南向房屋室内温度为33.8℃，西向房屋室内温度为37.3℃，西向房屋的室内温度高于室外温度。打开所选房间空调后，南向房屋室内温度在13分钟后达到设定的室内温度26℃并稳定，西向房屋在一直保持制冷最大功率的一小时内，室内温度无法降低至目标值，室内温度最低达到27.5℃。西向房屋的能耗显著高于南向房屋。
3、结论与建议
长期以来，成都地区雨雾天气多、日照不足的认识已经深入人心，且由于成都人喜欢到郊外、户外休闲在室内呆的时间较少，故而不太重视住宅朝向对居住舒适度、能耗方面的影响，这也是成都存在大量西向住宅的原因。但随着全球气温的升高，恶劣高热天气频发和成都环境改善以后日照时间的增加，大量存在的西向建筑将大大提高建筑的能耗，不得不成为我们关注的一个重点。
在未来的城市建设中，应当充分考虑西向建筑的能耗影响，尽量避免完全西向的建筑，增加南向和南偏东向的建筑，若必须选用西向建筑是则应当减少建筑玻璃面和窗户的比例，或者选用特殊的隔热玻璃材料。
参考文献：
[1]常静 ， 李永安.《住宅建筑屋面参数对采暖能耗的影响研究》
[2]唐易达 ， 黄涛 ， 张承旺. 《绵阳地区窗墙面积比对住宅建筑能耗的影响研究》
[3]钟新.《不同朝向窗墙比对昆明地区住宅能耗的影响》
[4]杨金焕 ， 毛家俊 ， 陈中华.《不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算》