基于建筑形式的卫藏地区乡村住宅节能设计方法

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由于卫藏地区人口的增长和经济条件的快速好转,乡村居民对居住面积和居住舒适度的要求提高,乡村住宅的数量显著增长。乡村住宅多为居民自发建造,传统民居建筑热环境营造技术未能在自发改建扩建过程中被充分传承,而建筑设计理论的更新落后于建材更新普及,导致现有住宅虽然人均面积扩大、功能分区细化,但热舒适性却不如传统民居;同时,乡村居民对热舒适性的要求却提高了,导致乡村住宅的采暖能耗显著增长。卫藏地区脆弱的自然环境、稀缺的常规能源与居民热舒适需求之间的矛盾日益尖锐。卫藏地区是典型的强太阳辐射地区,采用高效的被动式设计方法,有可能实现采暖能耗的大幅降低。这不仅是乡村振兴战略在建筑学领域的具体目标,也对保护和改善卫藏地区自然环境具有重要的意义。本文对卫藏地区的乡村住宅进行了文献调研,重点对拉萨周边的乡村住宅进行了实地调研。首先,以减少北立面的热损失和增加南立面与屋顶的集热面为设计思想,通过分析传统民居的形式特征,并参考被动式太阳房设计理论和经验,列举出了8个可能降低住宅采暖能耗的建筑形式设计元素。其次,收集了卫藏地区各地区乡村住宅的朝向、层数层高、平面类型和尺寸、功能布局、构造做法等信息,以总结各地区乡村住宅的基本特征,并为接下来的典型住宅热环境测试、典型住宅建模和建筑形式优化研究提供基础信息。选取了拉萨市周边的蔡公堂乡的一处典型新建住宅——尼玛卓玛宅作为测试对象,进行了建筑测绘和冬季的室内外温度测试,获得了该类型住宅冬季室内热环境的客观参数,为下文的模拟软件的验证提供数据。使用Sketch Up平台及其Open Studio热环境模拟插件组,对实测的尼玛卓玛宅进行模型建立,并使用Energy Plus软件计算其自然运行状态下的室内温度。通过实测温度和模拟温度的对比,验证了软件平台及其模型参数设置的准确性,为优化研究提供可靠的软件及模型参数。基于对卫藏地区典型住宅的调研和总结,建立4个地区典型住宅的参数化模型。对8个建筑形式设计元素应用在4个地区典型住宅的情况分别设计了系列模型,并进行采暖季采暖能耗的模拟计算。通过对计算结果的分析发现,其中有3个对节能有显著贡献,包括北向封闭走廊、屋顶附加阳光间、南向窗墙比(WWR)。选取正交实验为优化方法,利用Minitab软件自带的标准正交表,分别对各地区典型住宅节能效果显著的建筑形式设计元素进行正交实验,获取采暖能耗最低的最优方案。各地区的最优方案可节约50-80%的供热能耗。根据实验结果,提出了卫藏地区各地区乡村住宅的节能设计方法。本文为建筑形式设计节能效果的规律性研究,研究结果可为强太阳辐射地区乡村住宅的节能设计提供参考。今后可开展建筑形式设计的热工机理研究。
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