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        每當由于用電限制通常不允許使用機械氣候控制系統時,在熱帶氣候下,室內房屋溫度就會超過與熱舒適性范圍,尤其是在基礎設施不足以維持生活水平的貧困地區。這項研究旨在解決這種嚴酷氣候條件下的熱高效和可持續建設性替代方案。

研究背景

       由于過度使用不可再生資源,全球能源消耗正在增加。建筑部門被認為是世界能源消耗和溫室氣體排放的最大單一貢獻者。更具體地說,能源需求水平高的住宅部門是我們建筑環境的重要組成部分。因此,對在建筑中自然和能源利用結構有很好的理解是建立在充足的未來能源和氣候變化政策至關重要。關于全球氣候變化,建筑部門的能源消耗和碳排放已成為可持續發展中越來越關鍵的問題。

       節能和環境保護方面的可持續性挑戰是巨大的,需要作出重大改變,不僅是能源的供應方式,而且是能源的消費方式。根據政府間氣候變化專門委員會的第五次評估報告(IPCC AR5),從1880年到2012年,全球平均氣溫上升了0.85攝氏度。建筑物消耗大約37%的全球能源,到2030這個數字預計將上升到42%。因此,住房部門的任何節能措施都將帶來顯著的效益,這意味著,設計電力需求最低、二氧化碳排放量低的建筑物是非常合適的措施。

       設計居住空間的基本目標是確保居住者的熱舒適感,并滿足與其室內活動相適應的能源需求。有大量研究指出了氣候,建筑和建筑物的能源成本等因素之間的相互聯系,這表明在建筑物的設計中應考慮場地的特征,以使其能耗適應環境。在氣候極端炎熱和潮濕的國家,僅通過針對建筑物的建筑設計的被動策略(尤其是在稠密的城市地區),無法實現舒適的室內條件。此外,由于高能耗和投資成本,絕不可能為世界上許多人口安裝熱通風和空調(HVAC)單元。

       減少對住宅部門內部需求的需求在對可持續或“綠色”建筑的巨大投入中顯而易見。這種意識促使人們開發了新的環保材料,并強制要求某些環保技術和建筑系統。

       在這種背景下,我們的研究分析了住宅單元中最具代表性的方案的熱能性能和舒適條件,以被動和可持續的方式解決室內熱舒適問題。通過對加勒比海地區多米尼加共和國的特定應用程序進行了全面的案例研究。作為一個尚未達到一定社會經濟和文化水平的發展中國家,它必須解決國家住房研究所(NIH)和國家統計局(NSO)揭露的72萬套住房短缺的問題。

研究方法

       這項研究的主要目標是針對一種用于高溫和潮濕氣候的房屋,構建并驗證能源模擬模型,如圖1所示,以實現室內舒適條件并減少氣候控制中的能耗電器。這些單層獨棟房屋在惡劣氣候條件下占此類國家住宅部門建筑的很大比例。

圖1 房屋類型

       首先對建筑物的方向進行了詳細的分析,以便更好地控制通過墻壁和開口獲得的太陽能。還討論了懸垂在水平屋頂上的不同組件提供了陰影,以減輕由于直接太陽輻射導致的垂直表面過熱。最后,提出了幾種替代方案,以使用各種隔熱技術來改善屋頂和立面。然后將這些旨在減少整個外殼傳熱的提議與傳統的建設性解決方案進行了比較。這種方法被圖形總結于圖2。

圖2 研究方案

       該模型是通過稱為Design-Builder的能源模擬軟件構建的,其中由EnergyPlus?提供支持,而廣泛用于能源消耗和環境性能分析的研究中。還分析自然通風的效率和開口的影響與建筑物內的熱舒適指數和照明負載的計算一起。

       最初,建立了一個參考模型(RM),并在為期一年的測試活動中對其進行了驗證,并采用了實驗數據,其中包括有關記錄的最高和最低溫度的幾周信息。該模型考慮了這些國家典型的獨立式住宅中照明和少量家用電器的外殼數據、占用和能耗數據。這項分析是根據加勒比同一氣候區的數據進行的,但也可以外推到其他氣候區。

       首先在幾個方位角(方位)下模擬了這種rm行為,得到了較低室內溫度下的最優解,然后利用這些信息進一步分析為外殼提出的替代方案。對不同懸挑長度進行了遮陽研究。

       上述各種備選方案都與之前被記錄為最熱的夏季參考周有關,它們構成了單獨模擬的一部分,包括外墻和屋頂改進方案,最后是最好的兩種(外墻和屋頂)方案的組合。

研究結論

       在對惡劣氣候下房屋單元的熱能性能進行分析之后,考慮到每座建筑物的方向和現場的天氣條件,我們可以得出以下結論:

1.在氣候惡劣的國家,大多數單戶家庭遠不能提供可接受的室內熱舒適條件,因為這種氣候條件加上傳統的建筑解決方案,它們的外殼容易過熱,導致安裝暖通空調系統,能源消耗嚴重增加。

2.該研究通過在南美多米尼加共和國進行的大型實驗測量測試活動驗證了數值模型(DesignBuilder),與參考模型相比,該模型具有可接受的代表性誤差。該模型處理了本研究中提出的不同解決方案,涉及對屋頂和外立面的作用,旨在通過獨家實施可持續測量來改善室內條件。該程序可以擴展到具有類似特征的其他國家。

3.從確定最佳朝向的研究開始,結果表明,當立面朝向東270°時,內部工作溫度值較低,總熱損失較高,但與其他朝向相比差異最小。

4.在所提出的模型中,高能量損耗(kw)的影響是通過地板的。這是因為這種類型的房屋的傳統基礎很大程度上是用鋼筋混凝土的基礎來解決的,并且有一塊10厘米厚的與地面接觸的鋼筋混凝土板的實心板。這一解決方案大大減少了內部的太陽能負荷,降低了整體能源收益。

5.屋檐一體化作為一種建筑技術,對達到所需的室內熱舒適性沒有顯著幫助。由于包含了不同長度的屋檐,住房單元中的溫度和熱增益都會最小程度地降低,因此在將收益與投資成本進行對比時,會產生一個不具吸引力的解決方案。

6.分析表明,如果只在屋頂上進行操作,那么與只在外墻上進行的操作相比,它將產生更大的室內溫度變化;此外,與屋頂相關的操作更便宜,也更容易執行。

7.對替代屋頂的分析結果表明,與傳統構造方案(參考模型)相比,替代屋頂的舒適時間更長,增加了4.76%到17.86%。熱舒適性百分比最高的替代方案由R4型實現,其中膨脹聚乙烯和礫石用作絕緣材料,意味著相對于參考模型RR成本增加0.97%。

8.對立面備選方案的分析也得出了解決方案,相對于參考模型而言,其室內舒適性條件會有所提高,但工作區域更大,成本效益分析意味著這不是最有利的解決方案:舒適時間的增加從4.76%到6.55%。f3解決方案提供了最高比例的熱舒適性,增加了3.83%的成本,相對于參考模型RF。

9.以c4-f3為代表的屋頂和立面的綜合性能是最接近熱舒適條件的解決方案,在大多數情況下(92.86%)將保持熱舒適條件。相對于參考模型RR-RF,該解決方案只增加了4.80%的成本。

       因此,我們的研究通過一個可完全擴展到其他類似國家的特殊案例研究證明,通過使用可持續的被動建筑圍護方案,有可能達到室內熱舒適水平,在氣候條件惡劣的國家減少房屋的能源消耗,而不實施昂貴和不可持續的暖通空調氣候控制系統。

文章信息

文章信息:

Yokasta García, Jesús Cuadrado, Jesús M. Blanco, Eduardo Roji. Optimizing the indoor thermal behaviour of housing units in hot humid climates: Analysis and modelling of sustainable constructive alternatives, Indoor and Built Environment, 2019, 28 (6): 772–789, https://doi.org/10.1177/1420326X18793965.

關鍵詞:

Energy efficiency, Housing, Sustainability, Thermal comfort, Tropical climate

主要作者簡介

Yokasta García

Department of Mechanical Engineering

School of Engineering

Plaza Ingeniero Torres

Construction Engineering Area

University ofthe Basque Country (UPV/EHU)

Indoor and Built Environment (IBE) 是SCI收錄期刊,刊發與室內以及建成環境質量相關的研究成果,以及這些環境如何影響居住者或工作人員的健康、性能、效率和舒適度。主題范圍包括從城市基礎設施、建筑設計、材料使用,到實驗室研究,如建筑氣流模擬及對健康的影響,等等。

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供稿:何沛文

排版:劉雨薇

副主編:汪芳

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