桑國臣, 王文康, 朱軼韻, 趙 欽, 方 倩(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

墻體作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的主體部分,其熱工性能對建筑熱損失及室內(nèi)溫度具有顯著的影響[1-2]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對太陽能采暖建筑的墻體熱工設(shè)計做了細(xì)致的研究,推動了鄉(xiāng)村太陽能采暖建筑的發(fā)展。但現(xiàn)有研究多是在單一空間的基礎(chǔ)上進行被動式太陽能建筑墻體熱工設(shè)計,雖然在一定程度上簡化了其傳熱過程,但對建筑功能區(qū)劃下各房間室內(nèi)溫度隨外墻熱工性能變化的差異性考慮不足[3]。被動式太陽能采暖建筑集熱總量相對有限,若將有限的太陽能資源均勻地分配給每個房間,將會導(dǎo)致整個室內(nèi)溫度降低[4-5]。為此,可將熱能利用與房間功能相匹配,通過合理的室內(nèi)分區(qū)來有效利用有限的熱能資源,實現(xiàn)對被動式太陽能建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)。而室內(nèi)空間的劃分需要通過內(nèi)隔墻來實現(xiàn),因此,內(nèi)隔墻的熱工性能對室內(nèi)熱能的非均勻化調(diào)節(jié)起著非常重要的作用。在室內(nèi)空間分區(qū)模式下,研究內(nèi)外墻體熱工性能對不同使用功能房間室內(nèi)溫度的影響規(guī)律,以持續(xù)提高主要房間溫度,兼顧輔助房間溫度為目的,探索太陽能建筑墻體熱工設(shè)計方法,以期為多空間太陽能建筑的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

本文以拉薩地區(qū)太陽能建筑為例,分析內(nèi)外墻體熱工性能對室內(nèi)空間分區(qū)模式下鄉(xiāng)村太陽能建筑室內(nèi)溫度的影響規(guī)律,探索該模式下太陽能建筑的熱工設(shè)計方法,以期為被動式太陽能采暖鄉(xiāng)村建筑墻體熱工設(shè)計提供一定的借鑒。

1 采暖期室內(nèi)外氣象參數(shù)與基礎(chǔ)模型

1.1 室外邊界條件

建筑外圍護結(jié)構(gòu)不僅存在與室外空氣的熱交換,還要受到太陽的輻射,其中包括太陽直射輻射、天空散射輻射、地面的反射輻射與長波輻射等[6]。

拉薩地處青藏高原,海拔高、日照時間長且天空透明度好,其每年的太陽輻射總量超過8 160 MJ/m2,全年日照時數(shù)達3 000 h以上[7],是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)。與一般內(nèi)陸地區(qū)相比,拉薩地區(qū)不同朝向的太陽輻射強度差異性尤為突出。為更準(zhǔn)確地反映出不同朝向太陽輻射強度的差異性對太陽能建筑的影響,應(yīng)采用“室外綜合溫度”作為太陽能建筑墻體熱工設(shè)計時的外邊界條件。

室外綜合溫度的計算[6]:

(1)

由文獻[9]中的典型氣象年數(shù)據(jù)可知拉薩地區(qū)采暖期室外空氣溫度與太陽輻射強度,將其平均值代入式(1)中,可求得拉薩地區(qū)不同朝向的室外綜合溫度值,如表1所示。

表1 拉薩地區(qū)采暖期室外綜合溫度平均值Tab.1 Average sol-air temperature of heating period in Lhasa area

1.2 室內(nèi)熱狀況

課題組于2016年12月26日對一棟具有代表性的建筑進行了室內(nèi)熱環(huán)境測試,如圖1所示。

圖1 典型建筑Fig.1 Typical building

該建筑室內(nèi)空間主要由佛堂、臥室、雜物間、客廳和廚房構(gòu)成,建筑室內(nèi)凈高2.5 m,外墻為500 mm厚土坯墻且外立面粉刷白色涂料,屋頂構(gòu)造從上往下依次為黏土泥、碎石層、細(xì)木條、椽、檁結(jié)構(gòu),約500 mm厚;客廳與廚房之間用隔板分隔,約2.5 mm厚,其余內(nèi)隔墻均為500 mm厚的土坯墻;窗戶為鋁合金單玻窗,所有房間外門均為木門,南向窗墻面積比為0.42,東向為0.2,北向為0.1,客廳與廚房存在輔助熱源,其他房間均無輔助熱源,利用測試儀器持續(xù)測試24小時。該典型建筑的平面圖與室內(nèi)溫度測試值如圖2和圖3所示。

圖2 建筑平面圖Fig.2 Architectural plan

圖3 室內(nèi)溫度測試值Fig.3 Test value of indoor temperature

由圖3可知,南向主要房間的溫度為8.1 ℃(佛堂、臥室的溫度平均值),北向輔助房間的溫度僅為3.6 ℃(兩個儲物間的溫度平均值),比南向房間室內(nèi)平均溫度低4.5 ℃。測試結(jié)果表明,對多空間太陽能建筑的室內(nèi)空間進行合理布局,就可以將有限的太陽能資源更多地分配給南向房間,使得位于建筑南向的主要房間室內(nèi)溫度保持在較高的水平。但建筑室內(nèi)溫度整體水平較低, 若要使得室內(nèi)整體熱環(huán)境質(zhì)量提高,還需改善圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能,減少熱損失。

1.3 基礎(chǔ)建筑模型

根據(jù)課題組近幾年對西藏地區(qū)鄉(xiāng)村太陽能建筑的實地調(diào)研,并結(jié)合文獻[10]～[11]對被動式太陽能建筑的平面形式、窗墻面積比以及圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)下限值的規(guī)定,確定建筑分析模型及圍護結(jié)構(gòu)基本熱工參數(shù),如表2所示。

表2 建筑分析模型及圍護結(jié)構(gòu)基本熱工參數(shù)Tab.2 Building analysis model and basic thermal parameters of enclosure structure

1.4 室內(nèi)空間分區(qū)模式

根據(jù)課題組對拉薩地區(qū)現(xiàn)有被動式太陽能建筑基本空間分區(qū)模式的調(diào)研,并結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用駥κ覂?nèi)空間分區(qū)的意愿,確定了3種適合于當(dāng)?shù)氐牡湫偷目臻g分區(qū)模式,如圖4所示。

圖4 室內(nèi)空間分區(qū)模式Fig.4 Indoor space partition model

2 墻體熱工參數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

2.1 空間分區(qū)模式下的建筑熱平衡分析

多空間太陽能建筑的各房間所處位置不同,自然運行條件下每個房間的得失熱量不同,從而造成各房間空氣溫度也不盡相同。

采暖期內(nèi),第j個房間的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程[12]為:

qcc·j+qI·H·j-qH·T·j-qINF·j=0

(2)

式中,qcc·j為單位建筑面積的集熱量,W/m2;qI·H·j為單位建筑面積的建筑物內(nèi)部得熱, 本文取3.8 W/m2[11];qH·T·j為單位建筑面積通過圍護結(jié)構(gòu)及鄰室隔墻的傳熱量,W/m2;qINF·j為單位建筑面積的空氣滲透耗熱量,W/m2。

根據(jù)建筑室內(nèi)外得失熱量及鄰室之間的傳熱現(xiàn)象,由式(2)進一步整理得到室內(nèi)任一房間(j房間)的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程:

(3)

根據(jù)式(3)可以得出三種室內(nèi)空間分區(qū)模式下所有房間的熱平衡方程。在此基礎(chǔ)上,代入表1、表2、圖4中的相關(guān)參數(shù),分別對各房間的熱平衡方程進行聯(lián)立并整合,得出與三種室內(nèi)空間分區(qū)模式相對應(yīng)的三種組合空間熱平衡方程組:

(62.4K1+106.9K2+175.3)ta1-(71.3K1+

106.9K2+30.6)ta2-187.1K1-2960.5=0

(4)

-(53.5K1+35.6K2+77.2)tb1-(53.5K1+

35.6K2+77.2)tb2+1048.2+(8.9K1+

106.9K2+58.4)tb3-(17.8K1+71.3K2+

10.2)tb4+115.8K1=0

(5)

-(26.7K1+71.3K2+58.4)tc1-(26.7K1+

71.3K2+58.4)tc2+(8.9K1+106.9K2+

58.4)tc3+98.1K1-(17.8K1+71.3K2+

10.2)tc4-(26.7K1+53.5K2+10.2)tc5-

(26.7K1+53.5K2+10.2)tc6+1032.8=0

(6)

式中,ta1、ta2分別為室內(nèi)空間分區(qū)模式a下的起居室1、廚房2的采暖期室內(nèi)空氣溫度平均值,℃;tb1、tb2、tb3、tb4分別為室內(nèi)空間分區(qū)模式b下的臥室1、臥室2、起居室3、廚房4的采暖期室內(nèi)空氣溫度平均值,℃;tc1、tc2、tc3、tc4、tc5、tc6分別為室內(nèi)空間分區(qū)模式c下的臥室1、臥室2、起居室3、廚房4、儲物間5及儲物間6的采暖期室內(nèi)空氣溫度平均值,℃。

2.2 外墻傳熱系數(shù)對室內(nèi)溫度的影響

對于拉薩地區(qū)不同空間分區(qū)模式下的建筑模型,當(dāng)基礎(chǔ)建筑外墻傳熱系數(shù)變化時,自然運行條件下冬季采暖期室內(nèi)平均溫度的變化如圖5所示。

從圖5可看出,雖然減小外墻的傳熱系數(shù)有利于提高室內(nèi)熱環(huán)境,但等量減小外墻傳熱系數(shù)對多空間下不同位置房間的熱環(huán)境改善效果卻并不相同,且室內(nèi)空間分區(qū)模式不同,其溫度增加值不同。當(dāng)外墻傳熱系數(shù)由2.0 W/(m2·K)減小到0.5 W/(m2·K)時,室內(nèi)空間分區(qū)模式a中起居室的室內(nèi)溫度增加了3.3 ℃,廚房室內(nèi)溫度增加了4.3 ℃;模式b中起居室的室內(nèi)溫度增加值為2.8 ℃,臥室的室內(nèi)溫度增加值為3.8 ℃(臥室1和臥室2的平均值,下同),廚房的室內(nèi)溫度增加值為4.2 ℃;模式c中起居室的室內(nèi)溫度增加值為2.8 ℃,臥室的室內(nèi)溫度增加值為3.5 ℃,廚房的室內(nèi)溫度增加值為4.2 ℃,儲物間的室內(nèi)溫度增加值為4.3 ℃(儲物間1和儲物間2的平均值,下同)。

圖5 外墻傳熱系數(shù)對室內(nèi)溫度的影響Fig.5 Influence of the external wall heat transfer coefficient on the indoor temperature

此外,通過對比圖5中三種不同空間分區(qū)模式下不同位置房間室內(nèi)溫度的增加值還可以發(fā)現(xiàn),等量減小外墻傳熱系數(shù)時,北向輔助房間的溫度增加值大于南向主要房間。以模式c為例,當(dāng)外墻傳熱系數(shù)由2.0 W/(m2·K)減小到0.5 W/(m2·K)時,廚房的溫度增加值比起居室高1.2 ℃。原因在于,外墻傳熱系數(shù)的減小可以有效減少南向主要房間的熱量損失,但同時也使得太陽輻射經(jīng)南墻傳入室內(nèi)的熱量減小,總體上有利于得熱,但收益不大。

2.3 內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)對室內(nèi)溫度的影響

隨著建筑模型空間分區(qū)模式的日趨復(fù)雜和建筑功能的日益豐富,建筑內(nèi)隔墻占圍護結(jié)構(gòu)的比例逐漸增大,對室內(nèi)熱環(huán)境的影響也在逐漸加強。對于拉薩地區(qū)不同空間分區(qū)模式的建筑模型而言,當(dāng)基礎(chǔ)建筑內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)變化時,自然運行條件下冬季采暖期室內(nèi)平均溫度的變化如圖6所示。

由圖6可見,隨著內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)的減小,主次房間的溫度增加值呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)由2.0 W/(m2·K)減小到0.5 W/(m2·K)時,室內(nèi)空間分區(qū)模式a中起居室的室內(nèi)溫度增加了1.2 ℃,廚房的室內(nèi)溫度增加了-2.0 ℃;模式b中起居室的室內(nèi)溫度增加值為2.4 ℃,臥室的室內(nèi)溫度增加值為-0.2 ℃,廚房的室內(nèi)溫度增加值為-2.4 ℃;模式c中起居室的室內(nèi)溫度增加值為2.2 ℃,臥室的室內(nèi)溫度增加值為0.9 ℃,廚房的室內(nèi)溫度增加值為-2.3 ℃,儲物間的室內(nèi)溫度增加值為-2.0 ℃。

通過以上分析可知,減小內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)能夠?qū)⒂邢薜臒崮鼙M可能多地分配到主要房間,有效提高南向主要房間的室內(nèi)溫度,促進室內(nèi)熱能的非均勻化調(diào)節(jié),但這也使得北向輔助房間獲得的熱量減少,從而導(dǎo)致輔助房間的溫度降低。

3 多空間太陽能建筑墻體熱工設(shè)計方法

由前文分析可知,各個房間的室內(nèi)溫度隨著外墻傳熱系數(shù)的減小而顯著提高。其中,北向輔助房間的溫度增加較大,南向主要房間的溫度增加較小。而減小內(nèi)隔墻傳熱系數(shù),南向主要房間的室內(nèi)平均溫度提高,北向輔助房間的室內(nèi)平均溫度卻降低。也就是說,減小內(nèi)外墻傳熱系數(shù),南向主要房間的室內(nèi)溫度都會提高,而北向輔助房間的室內(nèi)溫度是否提高,則取決于內(nèi)外墻傳熱系數(shù)的減小值。因此,若想在提高主要房間室內(nèi)溫度的同時,能夠兼顧到輔助房間的溫度,則需尋求內(nèi)外墻傳熱系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)文獻[13]可知,拉薩地區(qū)采暖期熱舒適指標(biāo)為:北向中間位置的房間最低溫度不低于8 ℃,北向東西兩側(cè)房間為6 ℃～7 ℃。因此,假設(shè)北向中間位置房間(廚房)的室內(nèi)溫度為8 ℃,并將此溫度作為固定值,代入式(4)、(5)、(6)中,當(dāng)外墻傳熱系數(shù)變化時,其主次房間的溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)的變化如圖7所示。

圖7 主次房間溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)的變化Fig.7 Variation of temperature and internal partition heat transfer coefficient in primary and secondary rooms

由圖7可見,當(dāng)北向中間房間(廚房)溫度設(shè)定為8 ℃后,隨著外墻傳熱系數(shù)的減小,北向其余輔助房間的溫度基本保持不變,維持在舒適的區(qū)間內(nèi),而南向主要房間的溫度持續(xù)升高。外墻傳熱系數(shù)由1.0 W/(m2·K)減小到0.2 W/(m2·K)時,室內(nèi)空間分區(qū)模式a中主要房間(以起居室為例,下同)的室內(nèi)溫度從10.1 ℃提高到了14.4 ℃;模式b中主要房間的室內(nèi)溫度從10.2 ℃提高到了14.8 ℃;模式c中主要房間的溫度從10.4 ℃提高到了14.8 ℃。內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)隨著外墻傳熱系數(shù)的減小而減小,內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)的減小加劇了室內(nèi)熱能分配的非均勻化,當(dāng)輔助房間的室內(nèi)溫度達到舒適溫度后,減少向輔助房間的熱量傳遞,將更多的熱能分配到主要房間,在保證輔助房間溫度的同時,持續(xù)提高主要房間的溫度。

此外,對三種不同空間分區(qū)模式中主次房間溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)進行擬合,可以得到三種空間分區(qū)模式下主次房間溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)隨外墻傳熱系數(shù)變化的函數(shù)曲線。當(dāng)主要房間溫度需要達到某一值時,就可以通過擬合的函數(shù)曲線求出其相對應(yīng)的內(nèi)外墻傳熱系數(shù)以及其他房間的溫度。如圖8所示,以模式c的主要房間(起居室)為例,當(dāng)主要房間室內(nèi)溫度為14 ℃,輔助房間溫度為8 ℃時,通過擬合出的函數(shù)表達式可計算出外墻傳熱系數(shù)為0.33 W/(m2·K),內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)為1.25 W/(m2·K)。該方法可為被動式太陽能采暖鄉(xiāng)村建筑的墻體熱工設(shè)計提供一定的借鑒。

圖8 模式c起居室溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)的擬合曲線圖Fig.8 Curve fitting of living room temperature and internal partition heat transfer coefficient in model c

4 結(jié) 論

1) 拉薩典型建筑的室內(nèi)熱環(huán)境測試結(jié)果表明,合理的室內(nèi)空間布局可以將室內(nèi)有限的太陽能資源更多地分配給南向房間,使得位于建筑南向的主要房間室內(nèi)溫度保持在較高的水平。但建筑室內(nèi)溫度整體水平較低,若要使得室內(nèi)整體熱環(huán)境質(zhì)量提高,還需改善圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能,減少熱損失。

2) 外墻傳熱系數(shù)減小有利于提高室內(nèi)熱環(huán)境,但減小外墻傳熱系數(shù)對多空間下不同位置房間的熱環(huán)境改善效果卻并不相同,北向輔助房間的溫度增加值大于南向主要房間。

3) 減小內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)能夠?qū)⒂邢薜臒崮鼙M可能多地分配到主要房間,有效提高南向主要房間的室內(nèi)溫度,促進室內(nèi)熱能的非均勻化調(diào)節(jié),但同時會減少北向輔助房間的傳熱量,導(dǎo)致北向輔助房間的溫度降低。

4) 對三種不同空間分區(qū)模式中主次房間溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)進行擬合,可以得到三種空間分區(qū)模式下主次房間溫度和內(nèi)隔墻傳熱系數(shù)隨外墻傳熱系數(shù)變化的函數(shù)曲線。對于拉薩地區(qū)自然運行下的太陽能建筑,當(dāng)南向主要房間溫度需要達到某一值時,都可以通過擬合的函數(shù)求得其相對應(yīng)的內(nèi)外墻傳熱系數(shù)以及其他房間的溫度。該方法可為被動式太陽能采暖鄉(xiāng)村建筑的墻體熱工設(shè)計提供一定的借鑒。