■ 趙 群 ZHAO Qun 謝一建 XIE Yijian 李崢嶸 LI Zhengrong

0 引言

1 現(xiàn)狀分析

墻體作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，是室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境熱量交換的媒介，其熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。為了營造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，通常需要對墻體的熱工性能進(jìn)行合理設(shè)計，以應(yīng)對室外氣侯環(huán)境的變化。由于各地區(qū)的氣候條件不盡相同，對墻體熱工性能的要求也不同。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，主要是規(guī)定了以傳熱系數(shù)為主的墻體熱工參數(shù)的限值，達(dá)到保溫或隔熱的目的[1-4]。本文將以拉薩地區(qū)為例，分析當(dāng)?shù)孛窬拥膲w熱工性能。

拉薩屬寒冷地區(qū)，當(dāng)?shù)囟練v史最低氣溫-16.5℃，墻體熱工設(shè)計以滿足冬季保溫要求為主，盡可能減少室內(nèi)熱量的散失，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均對當(dāng)?shù)貒o(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的最大值進(jìn)行了限制。另外，拉薩地區(qū)晝夜溫差大，為了維持室內(nèi)的熱穩(wěn)定性，需要墻體具有良好的蓄熱性能，以抵御室外溫度的劇烈波動。基于拉薩地區(qū)的氣候條件，墻體保溫蓄熱性能的提升是改善當(dāng)?shù)厥覂?nèi)熱環(huán)境的重要手段。然而，目前的研究成果主要是圍繞墻體保溫性能的提高，從建筑材料和保溫材料的選擇、墻體構(gòu)造形式[5-8]及不同朝向保溫性能差異化設(shè)計[9-11]等方面提出優(yōu)化建議，忽視了蓄熱性能方面的研究。隨著近年來國家易地扶貧搬遷工作的開展，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)了大量采用輕質(zhì)混凝土等墻體材料砌筑而成的新型民居建筑，其墻體比傳統(tǒng)墻體輕薄。新式墻體雖然使用加氣混凝土或保溫復(fù)合墻體的形式提升了保溫性能，但蓄熱性能不升反降。究其原因，主要是這種增強(qiáng)保溫性能的做法在減小室內(nèi)熱量散失的同時，也阻隔了外壁面接收的太陽輻射熱源向室內(nèi)傳遞，特別是南向墻體受到的太陽輻射熱作用最強(qiáng)，增大南墻熱阻會使太陽輻射經(jīng)南墻進(jìn)入室內(nèi)的熱量減少[9]。相關(guān)研究表明，無保溫和內(nèi)保溫墻體的蓄熱量大，而內(nèi)保溫墻體的蓄熱向室外流失大，不利于太陽能的有效利用[12]；而蓄熱性能的減小，也會使墻體蓄存太陽輻射熱的性能減弱。

因此，在拉薩地區(qū)民居墻體熱工設(shè)計的過程中，并不是保溫性能越優(yōu)異，對室內(nèi)熱環(huán)境的改善就越有利；我們在提升保溫性能的同時，也要重視對蓄熱性能的研究。

2 測試概況

2.1 建筑基本信息

選取拉薩近郊的傳統(tǒng)民居和新式民居各1 棟為測試對象（圖1～3）。其中，被測傳統(tǒng)民居位于山南市貢嘎縣森布日村，墻體采用花崗巖石墻；被測新式民居位于林周縣江熱夏鄉(xiāng)江夏新村，為民俗活動辦公室，夜間無人居住，其墻體采用加氣混凝土墻。各房間基本信息見表1，具體測試參數(shù)及儀器見表2。

圖1 傳統(tǒng)民居建筑實(shí)景圖

圖2 新式民居建筑實(shí)景圖

圖3 建筑模型圖

表1 各功能房間信息

表2 現(xiàn)場測試參數(shù)及儀器表

2.2 測點(diǎn)布置

按《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 132——2009）要求布置測點(diǎn)（圖4），在每個房間中心距離地面1.1 m 處布置1 個溫度測點(diǎn)，壁面溫度測點(diǎn)則布置在墻體主體部位的內(nèi)外兩側(cè)。室外參數(shù)由自動氣象站監(jiān)測，氣象站安裝在傳統(tǒng)民居屋頂，要求周圍無遮擋，且距離屋面1.5 m 左右。數(shù)據(jù)記錄時間間隔均為10 min。

圖4 民居平面圖及測點(diǎn)布置

3 室內(nèi)熱環(huán)境的晝夜分析

根據(jù)《西藏自治區(qū)民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ 540001——2016）規(guī)定，被動式建筑冬季室內(nèi)平均溫度應(yīng)大于12℃；而拉薩地區(qū)民居一般不使用機(jī)械設(shè)備來進(jìn)行取暖或制冷，多以被動式調(diào)節(jié)為主，因此，本文以被動式建筑的室內(nèi)溫度設(shè)計要求作為室內(nèi)熱環(huán)境的改善目標(biāo)，以12℃作為室內(nèi)最低舒適溫度。

3.1 室內(nèi)溫度

由于拉薩地區(qū)晝間太陽輻射強(qiáng)烈，夜間無太陽輻射，且云量少、輻射量較大，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貢円箽庀髼l件存在較大差異，也使得室內(nèi)熱環(huán)境在晝、夜時段可能存在較大差異，與最低舒適溫度的差距也有不同（圖5、6）。因此，測試過程中，根據(jù)有無太陽輻射，將全天劃分為晝（8:00——19:00）、夜（除去晝間的剩余時段）兩個時段，進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境分析。室內(nèi)溫度在晝間及夜間的平均值如圖7所示。

圖5 室外氣象參數(shù)變化（12 月29 日——12 月31 日）

圖6 各房間室內(nèi)溫度變化（12 月29 日——12 月31 日）

圖7 各房間室內(nèi)晝、夜溫度（12 月29 日——12 月31 日）

可以看出，有取暖措施的房間如傳統(tǒng)民居次客廳和新式民居房間B、C 等，其室內(nèi)溫度較高。傳統(tǒng)民居中，次客廳因其厚重的墻體和較小的窗墻面積比，使得室內(nèi)熱量散失較少，室內(nèi)溫度無論是在晝間還是夜間，均明顯高于其他房間，且接近最低舒適溫度12℃；但其余房間室內(nèi)溫度與最低舒適溫度仍有較大差距。新式民居中，由于房間C 東墻外側(cè)即為另一戶民居的室內(nèi)環(huán)境，減小了室內(nèi)熱量的散失，因而室內(nèi)溫度高于房間B；房間D 雖然位于南向，但因處于頂樓，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室外環(huán)境接觸面積較大，且窗戶面積比較大，室內(nèi)失熱較多，故室內(nèi)溫度較低；房間E 為北向房間，無太陽直射輻射，其室內(nèi)溫度比房間D 低2℃～3℃。從各房間室內(nèi)晝夜溫差來看，考慮無采暖措施的房間（傳統(tǒng)民居臥室2 和新式民居房間D、E），傳統(tǒng)民居室內(nèi)晝夜溫差小于新式民居，這是由于傳統(tǒng)民居厚重墻體的蓄熱性能優(yōu)于新式民居墻體。

總體來看，采用了現(xiàn)代建筑材料的新式民居室內(nèi)溫度低于傳統(tǒng)民居，且晝夜溫差較大。對于無采暖措施的房間，無論晝間還是夜間，兩種民居的室內(nèi)溫度均較低。

3.2 內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)溫度

墻體對室內(nèi)熱環(huán)境的影響通過內(nèi)壁面來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)溫度的相對大小能夠反映墻體和室內(nèi)傳熱的情況。因此，可根據(jù)兩種民居內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)溫度相對大小的判斷，分析各朝向墻體對室內(nèi)熱環(huán)境的影響（圖8）。

圖8 墻體晝、夜內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)溫度對比

3.2.1 南墻

對于臥室2 南墻，其晝、夜內(nèi)壁面溫度都高于室內(nèi)溫度，墻體向室內(nèi)放熱，但二者差值較小。從晝間到夜間的變化來看，室內(nèi)溫度及內(nèi)壁面溫度均下降，雖變化較小，但表明其墻體靠近室內(nèi)側(cè)部分的熱量散失到室外。從內(nèi)壁面溫度水平來看，全天都處于較低水平。因此，若要改善室內(nèi)熱環(huán)境，則需要提升內(nèi)壁面溫度。

對于次客廳南墻，由于晝間火爐取暖時間較長，室內(nèi)溫度較高，內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)溫度，表明室內(nèi)空氣向內(nèi)壁面?zhèn)鳠幔灰归g火爐熄滅，室內(nèi)溫度下降，墻體在晝間蓄存的熱量釋放，提高了內(nèi)表面溫度，向室內(nèi)放熱。從晝間到夜間的變化來看，室內(nèi)溫度降低、內(nèi)壁面溫度升高，說明室內(nèi)溫度下降的原因不是由墻體的失熱作用而造成的。夜間內(nèi)壁面溫度仍處于較高水平，雖然這種“較高水平”更多的是受室內(nèi)熱擾的影響，但表明了厚重墻體良好的蓄熱性能對夜間室內(nèi)熱環(huán)境具有明顯的改善作用。

對于房間C 南墻，晝間由于室內(nèi)有取暖器，室內(nèi)溫度明顯高于內(nèi)壁面溫度；但其取暖器使用時間及人員活動時間比次客廳短且窗戶面積比較大，因而各項(xiàng)溫度均低于次客廳。夜間由于室內(nèi)無人員活動，溫度下降幅度較大；而墻體因蓄熱作用，內(nèi)壁面溫度在夜間升高，且高于室內(nèi)溫度，說明室內(nèi)溫度的下降不是因墻體的失熱作用而造成的?？傮w來看，房間C 南墻內(nèi)壁面溫度和室內(nèi)溫度仍然較低。

3.2.2 東、西墻

對于臥室2 東墻，其晝、夜內(nèi)壁面溫度及室內(nèi)溫度變化情況與其南墻基本相同。

對于房間D 東墻，其晝間室內(nèi)溫度高于內(nèi)壁面溫度，室內(nèi)空氣向內(nèi)壁面?zhèn)鳠?；夜間內(nèi)壁面溫度稍高于室內(nèi)溫度，墻體向室內(nèi)傳熱。從晝間到夜間的變化來看，室內(nèi)溫度及內(nèi)壁面溫度均下降，且室內(nèi)溫度下降幅度較大、內(nèi)壁面溫度下降幅度較小，表明墻體靠近室內(nèi)側(cè)部分的熱量散失到室外?？傮w來看，內(nèi)壁面溫度水平全天都處于較低水平。

對于房間B 西墻，其晝、夜室內(nèi)溫度均大于內(nèi)壁面溫度，夜間內(nèi)壁面溫度高于晝間內(nèi)壁面溫度；二者差值晝間較大、夜間較小。從晝間到夜間的變化來看，室內(nèi)溫度下降而內(nèi)壁面溫度上升，這是由于房間B 晝間使用取暖器，墻體蓄存的晝間熱量在夜間釋放；但全天的內(nèi)壁面溫度仍處于較低水平。

3.2.3 北墻

對于次客廳北墻，其晝、夜室內(nèi)溫度均大于內(nèi)壁面溫度，且二者差值較大。從晝間到夜間的變化來看，內(nèi)壁面溫度有所上升，這也是墻體蓄熱作用的體現(xiàn)。從內(nèi)壁面溫度水平來看，北墻內(nèi)壁面溫度比南墻低3℃～4℃。

對于房間E 北墻，其晝、夜室內(nèi)溫度均大于內(nèi)壁面溫度，室內(nèi)向內(nèi)壁面?zhèn)鳠?。值得注意的是，從晝間到夜間的變化來看，室內(nèi)溫度和內(nèi)壁面溫度均有所上升，結(jié)合房間D 的溫度數(shù)據(jù)可知，這是由于房間D 與房間E 的內(nèi)隔墻傳熱造成?？傮w而言，房間E北墻的內(nèi)壁面溫度處于低水平。

3.2.4 綜合分析

臥室2 東墻和南墻的測試結(jié)果表明，厚重墻體能夠使內(nèi)壁面溫度受室外影響較小，因而晝夜波動較小，但內(nèi)壁面溫度也比較低。次客廳和房間B、C 的內(nèi)壁面溫度測試結(jié)果表明，當(dāng)室內(nèi)有間歇取暖措施時，墻體的蓄熱作用能夠有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，而厚重墻體的改善作用更加明顯。次客廳南墻和北墻的測試結(jié)果表明，室外太陽輻射能夠有效提高內(nèi)壁面溫度；而次客廳和房間E 的北墻測試結(jié)果表明，北向墻體在全天一般都為失熱過程，但也應(yīng)盡力提高內(nèi)壁面溫度，以減少室內(nèi)熱量散失。

綜上所述，在實(shí)際條件下，拉薩地區(qū)民居的墻體內(nèi)壁面溫度處于較低水平，若要從墻體角度考慮改善室內(nèi)熱環(huán)境，則需要提升墻體內(nèi)壁面溫度。對于室內(nèi)有穩(wěn)定熱源（如火爐取暖等其他取暖設(shè)備）的房間，可以從加強(qiáng)墻體蓄熱性能和保溫性能方面提升內(nèi)壁面溫度；而對于室內(nèi)無熱源的房間，可以考慮盡量利用拉薩地區(qū)室外有利的氣象條件來實(shí)現(xiàn)，此時，對墻體的保溫性能和蓄熱性能的要求可能與上述情形不同。

4 墻體熱工性能需求分析

4.1 墻體熱工性能理論

對于無取暖措施的房間，若想提升內(nèi)壁面溫度，需要考慮通過控制與墻體外壁面的傳熱來實(shí)現(xiàn)。晝間外壁面溫度一般比內(nèi)壁面溫度高，理想情況下，為了讓更多熱量進(jìn)入墻體，則需要降低墻體的保溫性能；夜間外壁面溫度一般比內(nèi)壁面溫度低，想要提升內(nèi)壁面溫度，則不但需要在提高墻體的保溫性能，而且要提高其蓄熱性能，使晝間蓄存在墻體內(nèi)的熱量能夠補(bǔ)充夜間墻體內(nèi)散失的熱量。

在現(xiàn)有研究中，墻體的保溫性能一般用熱阻R（R=d/λ，式中，λ表示墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)；d表示墻體厚度）來衡量；蓄熱性能則以蓄熱系數(shù)式中，ρ表示墻體密度；c表示墻體比熱容；T表示溫度變化的周期）或熱惰性指標(biāo)D（D=RS）來衡量，兩種墻體的熱工性能參數(shù)見表3。

在蓄熱性能衡量指標(biāo)中，蓄熱系數(shù)反映了材料在周期性溫度波條件下，通過材料熱流波的振幅大小，體現(xiàn)了材料對邊界條件變化的響應(yīng)；而熱惰性指標(biāo)反映的是墻體抵御室外氣象條件變化的一種能力。表3 中，新式民居墻體熱阻雖然大于傳統(tǒng)民居墻體，但蓄熱系數(shù)卻小于傳統(tǒng)民居。熱惰性指標(biāo)由于考慮了熱阻的因素，不能單獨(dú)體現(xiàn)墻體的蓄熱性能；此外，在本研究中，注重墻體的蓄熱體作用。但這兩種指標(biāo)無法直接體現(xiàn)墻體蓄存熱量能力的大小，因此，本文提出一種能夠衡量墻體蓄存熱量能力大小的指標(biāo)，定義為蓄熱熱容C，其為墻體密度、比熱容和厚度三者的乘積，即：C=ρcd。以此表示厚度為d的墻體單位面積蓄存熱量的能力。

表3 兩種民居墻體材料熱工性能參數(shù)

本文將從墻體的保溫性能（熱阻R）和蓄熱性能（蓄熱熱容C）這兩個方面，對墻體的熱工性能需求進(jìn)行分析。

4.2 拉薩地區(qū)民居墻體改善室內(nèi)熱環(huán)境的潛力

拉薩地區(qū)具有豐富的太陽能資源。為了分析利用這一有利氣象條件來提升內(nèi)壁面溫度的可能性，對各朝向墻體內(nèi)壁面溫度和外壁面溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖9）。

圖9 墻體壁面溫度變化

（1）南向墻體外壁面溫度在1 d 之內(nèi)波動較大，其外壁面溫度與內(nèi)壁面溫度的相對大小在晝間及夜間也呈現(xiàn)較大的差異。其中，次客廳與房間C 的南墻晝間外壁面溫度比內(nèi)壁面溫度高出15℃～20℃，夜間則內(nèi)壁面溫度比外壁面溫度高出10℃～15℃；臥室2 南墻由于處在庭院東北角，且有屋檐遮擋，其外壁面溫度比次客廳與房間C 的南墻外壁面溫度低，與內(nèi)壁面溫度的相對大小也小于這兩面墻。

（2）對于東、西墻，1 d 之內(nèi)只有少數(shù)時間是外壁面溫度大于內(nèi)壁面溫度，其溫差約為5℃～10℃；其余時間則是內(nèi)壁面溫度稍高于外壁面溫度，溫差約為2℃～5℃。

（3）北墻基本上全天都是外壁面溫度小于內(nèi)壁面溫度，二者的溫差取決于內(nèi)壁面溫度的大小。對于有取暖措施的房間，內(nèi)外表面溫差約為7℃～20℃；而對于無取暖措施的房間，內(nèi)外壁面溫差約為1℃～5℃。

由此可見，南墻在晝間具有增加室內(nèi)得熱量的潛力，但夜間存在較大散失熱量的風(fēng)險；東、西墻在晝間增加室內(nèi)得熱量的潛力較小，夜間也存在一定的失熱風(fēng)險；北墻則全天都存在較大散失熱量的風(fēng)險。

4.3 拉薩民居墻體熱工性能需求

若想要盡可能發(fā)揮墻體對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果，就需要合理設(shè)計熱工性能來利用潛力和規(guī)避風(fēng)險。墻體內(nèi)外壁面的溫差是墻體傳熱的驅(qū)動力，是熱工性能影響傳熱和蓄熱的過程，因此，提升內(nèi)壁面溫度需要視傳熱驅(qū)動力情況考慮墻體的熱工性能。表4 是根據(jù)各墻體外壁面與內(nèi)壁面溫度相對大小交替變換的時間段，以及在連續(xù)72 h 內(nèi)兩者溫差（外壁面溫度與內(nèi)壁面溫度之差）在同為正號或同為負(fù)號時間段的累計值進(jìn)行求和，進(jìn)而得到凈溫差累計值。

4.3.1 南墻

次客廳南墻凈溫差累計值為正，表明外壁面仍具有向內(nèi)壁面?zhèn)鳠岬哪芰?；而臥室2 由于晝間外壁面溫度較低，導(dǎo)致溫差的正負(fù)數(shù)值相當(dāng)。結(jié)合圖9，對于傳統(tǒng)民居南墻的熱工性能要求，應(yīng)以提高全天內(nèi)壁面溫度為目標(biāo)。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，需適當(dāng)減小熱阻；同時，為了防止夜間失熱，要適當(dāng)增加蓄熱熱容，使晝間墻體蓄存的熱量能夠提升夜間內(nèi)壁面溫度。

房間C 南墻的凈溫差值為負(fù)，表明內(nèi)壁面仍具有向外壁面?zhèn)鳠岬哪芰ΑＳ杀? 可以看出，其晝間外壁面溫度遠(yuǎn)高于內(nèi)壁面溫度，夜間則內(nèi)壁面溫度遠(yuǎn)高于外壁面溫度。結(jié)合圖9，對于新式民居南墻的熱工性能要求，應(yīng)以減小晝夜內(nèi)壁面溫度差異為主；同時，盡可能提高全天內(nèi)壁面溫度。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，需增加蓄熱熱容，使晝間墻體蓄存的熱量能夠提升夜間內(nèi)壁面溫度。

表4 墻體內(nèi)外壁面溫差統(tǒng)計

4.3.2 東、西墻

無論是傳統(tǒng)民居臥室2 東墻，還是新式民居房間D 墻、房間B 西墻，其晝間外壁面溫度均稍高于內(nèi)壁面溫度，因而通過外壁面溫度提升內(nèi)壁面溫度的潛力不大；反而是夜間內(nèi)壁面溫度高于外壁面溫度較多。為減小墻體失熱，宜增大熱阻；考慮到東西墻也能接收太陽直射輻射，因此，也需要考慮墻體的蓄熱熱容作用。

4.3.3 北墻

北墻的內(nèi)壁面溫度幾乎全天均高于外壁面溫度，且差值較大，為減少室內(nèi)熱量的散失，應(yīng)增大墻體的熱阻。由于外壁面溫度較低，由室內(nèi)傳向墻體并且蓄存其內(nèi)的熱量散失到室外的可能性較大，但考慮到蓄存的熱量也可以傳入室內(nèi)，應(yīng)選擇合理的蓄熱熱容。

4.3.4 各朝向墻體的熱工性能需求總結(jié)

由于不同朝向的墻體受太陽輻射的影響不同，其外壁面溫度呈現(xiàn)不同的變化趨勢，對內(nèi)壁面溫度提升作用的潛力也不同。為了改善晝、夜室內(nèi)熱環(huán)境，需要將墻體外壁面接收的太陽輻射熱量盡可能多地引入墻體內(nèi)，并將進(jìn)入墻體的熱量合理地分配給室內(nèi)，主要是提升晝、夜內(nèi)壁面溫度。

在此條件下，各朝向墻體的熱工性能需求為：①南墻熱阻并不是越大越有利于室內(nèi)熱環(huán)境的改善，需要兼顧增加室內(nèi)晝間得熱和夜間失熱的目標(biāo)，選擇合適的保溫性能；同時，為了讓晝間蓄存在墻體的熱量能夠有效提升夜間內(nèi)壁面溫度，需要墻體具有高蓄熱性能。②東、西墻應(yīng)以減少室內(nèi)夜間熱量散失為主要目標(biāo)，需要墻體具有高保溫性能；同時，應(yīng)考慮晝間蓄存少量的太陽輻射熱量，因此，墻體需要有良好的蓄熱性能。③北墻應(yīng)以減少室內(nèi)全天的熱量損失為目標(biāo)；且由于北墻內(nèi)外壁面的溫差較大，室內(nèi)熱量散失的風(fēng)險較大，因而對保溫性能的要求最高，至于蓄熱性能，也需要合理選擇。

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，分析拉薩地區(qū)民居在墻體材料逐漸輕質(zhì)化的過程中，室內(nèi)熱環(huán)境存在的問題；并根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富的有利條件，從改善室內(nèi)熱環(huán)境的角度，對墻體熱工性能的需求進(jìn)行探討?？傮w而言，對于拉薩地區(qū)墻體的熱工設(shè)計，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源條件，特別是對于南墻的保溫性能，要兼顧考慮防止夜間失熱和提升太陽能利用，選擇合理的方案；同時，在注重保溫性能設(shè)計的基礎(chǔ)上，也要考慮蓄熱性能對室內(nèi)熱環(huán)境的改善作用。