趙詩婧，夏博，張建新，王雅欣

（長安大學 建筑學院，陜西 西安 710061）

0 引言

四川省自西向東海拔高低差異較大，整體走勢西高東低，分為東部盆地山區(qū)及西部高山高原區(qū)。川西地區(qū)處于青藏高原東南部及四川省西北部，是青藏高原和四川盆地之間的過渡地區(qū)。根據DB 51/5027—2019《四川省居住建筑節(jié)能設計標準》，川西藏區(qū)按照建筑熱工氣候分區(qū)劃分屬于嚴寒氣候C區(qū)及寒冷氣候A 區(qū)，氣候條件冬季寒冷干燥夏季寒涼濕潤。西部高原地區(qū)太陽能資源豐富，位居全國之首，但礦物資源缺乏[1]，冬季依靠采曖設備或燃燒生物質能（薪柴和動物糞便）采暖，長期消耗不可再生能源加劇了環(huán)境的污染。

本文通過對川西高原一處川西藏式鄉(xiāng)土民居進行冬季現場調研與熱環(huán)境測試，進行被動式太陽能利用改造設計和優(yōu)化，擬提出可利用當地可再生資源的方案，以優(yōu)化建筑室內熱環(huán)境。

1 川西藏區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑熱環(huán)境測試概況

1.1 測試對象

根據氣候特點、地理位置及建筑形式等多方面綜合分析，選取了具有典型川西高原氣候特征的甘孜縣席絨村一處川西藏式鄉(xiāng)土民居進行實地測試。該建筑朝向正南方向，層數共2層（見圖1）。一層空間用作儲物，二層空間用于居住。南墻、東墻為是木質井干式，西墻、北墻為夯實黏土墻。該建筑平面布局、平面功能、朝向、結構、材料等方面均具有川西藏區(qū)居住建筑的代表性特征。

1.2 測試方案

（1）測試時間：測試時間為2017 年1 月18 日16：00 至21 日16：00，測試時長72 h，測試過程中天氣晴朗，為川西高原典型冬季氣候。測試前1 周無雨雪，未出現川西非典型氣候。數據分析擬選取2017 年1 月19 日16：00 至20 日16：00的24 h 測試數據。

（2）室內測點布置：室內測點分別位于廚房、經堂和起居室，測點布置如1（b）所示。儀器均設置在房間的平面對角線交點處，距離地面高度為1.5 m，四周無家具遮擋。廚房的圍護結構為夯土墻，經堂和起居室的圍護結構為夯土墻和井干式。經堂與起居室在東墻和南墻開窗較大，經堂東、西向墻面基本無遮擋。因此，以該2 個房間作為直接受益式進行實測和分析。

（3）室外對照組測點布置：布置在無陽光直射的背陰處，距離地面高度為1.5 m，測量室外溫度，以作為室內溫度的對照組。實測儀器為AZ-8828 衡欣溫濕度記錄儀，溫度量程范圍-40～85 ℃，準確度±0.6 ℃（-20～50 ℃）、±1.2 ℃（-40～-20 ℃，50～85 ℃），分辨率0.1 ℃。

1.3 測試結果及分析

測試房間室內外溫度見圖2 及表1。

表1 各房間的室內、外溫度

由圖2、表1 可知，南向經堂與東向客廳在東墻和南墻的開窗較大，白天室內接受的太陽輻射較多，室內最高溫度和平均溫度較高。相反，北向廚房開窗面積小，白天室內接受的太陽輻射較少，室內最高溫度和平均溫度較低。但井干式外墻的蓄熱性能差，蓄熱系數為6.93 W/（m2·K），室內溫度易發(fā)生波動。例如東向客廳室內的白天溫度可高達10.4 ℃，夜間則低至-1.5 ℃；相反，夯土墻蓄熱性好，蓄熱系數為12.95 W/（m2·k），夜間散熱少，即便夜間室外溫度低至-7.3 ℃，北向廚房最低溫度在0 ℃以上。因南向經堂、東向客廳與北向廚房相比圍護結構與窗墻比不同，蓄熱及散熱能力有差異，所以產生了溫度峰值的滯后現象。室外最低溫度出現在20 日早晨05：00，而東向客廳和南向經堂的最低溫度出現在20 日08：00 時，滯后約3 h，北向廚房的最低溫度出現在20 日上午10：00，滯后約5 h。

因此，可考慮采用被動式太陽能設計解決川西藏區(qū)民居冬季室內采暖的問題。通過控制合理的窗墻比，并將夯土結構作為蓄熱體材料使用，從而保證在室內達到適宜溫度的前提下，使室內具有良好的熱穩(wěn)定性。

1.4 川西民居建筑太陽能利用的可行性

川西高原地區(qū)海拔高、空氣稀薄、大氣清潔且透明度高、太陽輻射強，其所包括的甘孜州、阿壩州、涼山州是四川省乃至我國的太陽能主要分布區(qū)[2]。四川省年平均太陽總輻射見圖3。

由圖3 可見，川西藏區(qū)東部、中部、西北部年平均太陽輻射分別為4500～5400、5400～5800、5800～6500 MJ/m2。藏區(qū)太陽能資源極其豐富，日照時間長且日輻射量大，太陽能供暖潛力巨大[3]。通過利用當地豐富的太陽能資源，可以在不影響室內熱舒適的條件下減少常規(guī)能源的消耗。

對于川西高原地區(qū)的被動式太陽能利用方面，采用集熱墻與直接受益窗相結合的方式較為適合。直接受益窗具有良好的采光能力，但夜間會因失熱過多造成室內晝夜溫差過大；集熱墻式保溫蓄熱性能好，但不能滿足房間采光。所以，通過將采光得熱性能良好的直接受益窗和保溫蓄熱性能好的集熱墻相結合進行設計，即將直接受益窗之外的墻體設為集熱墻，墻上設置通風口，使得房間在白天可通過直接受益窗和集熱墻的通風口采光和得熱，在夜晚通過利用集熱墻的保溫蓄熱性能，使得室內晝夜溫差減小，熱環(huán)境提升。

2 典型建筑優(yōu)化

雖然對于川西高原地區(qū)的被動式太陽能利用方面采用集熱墻與直接受益窗相結合的方式是極為適合的，但是不同窗墻比對室內溫度影響有差異，窗墻比的大小會直接影響到建筑受熱與失熱。應通過模擬得到最優(yōu)窗墻比的集熱墻形式。

本研究采用Energyplus 建筑能耗模擬軟件進行太陽能集熱墻優(yōu)化設計模擬，對南向經堂進行太陽能集熱墻優(yōu)化設計，暫不考慮其圍護結構的優(yōu)化。

2.1 直接受益窗與集熱墻結合式改造示意

對經堂南向外墻進行太陽能集熱墻優(yōu)化設計改造。經堂、廚房層高均為3 m，開間均為4.8 m，進深分別為7.5、5.0 m。圖4、圖5 分別為太陽能集熱墻優(yōu)化改造的平面及模擬示意。

2.2 圍護結構熱工參數

通過調研發(fā)現，該建筑主要圍護結構為木質的井干式與夯實黏土，其東、南向墻體使用導熱系數小的木質井干式結構，可以使房間在白天迅速得熱。西、北向墻體使用密實的夯實黏土，利于阻擋冬季的西北風。透光材料目前使用較為普遍的為普通玻璃。建筑圍護結構熱工參數如表2 所示，建筑內分隔結構的熱工參數如表3 所示，外窗3 mm 厚普通單層玻璃的傳熱系數為4.7 W/（m2·K）、透光率為80%。

表2 建筑外圍護結構的熱工參數

表3 建筑內分隔結構的熱工參數

集熱墻體材料選用當地易于獲取且蓄熱性強的夯實黏土，厚度設為300 mm，密度2000 kg/m3，導熱系數0.2 W/（m·K），比熱容1010 J/（kg·K）。墻體外表面為深色涂料。Energyplus 中吸熱率設置為0.9[5]。墻體與外層玻璃中的空氣間層厚度設為150 mm，設集熱墻墻體通風換熱為0.5 次/h[6]。直接受益窗部分玻璃材質不變，為3 mm 厚傳熱系數為4.7 W/（m2·K）的普通單層玻璃。

2.3 直接受益窗與集熱墻結合式太陽能利用改造

建筑圍護結構在節(jié)能方面起到至關重要的作用，尤其是外窗的能耗散失比例達20%～40%[7]。住宅外窗面積首先要滿足采光要求，即客廳、臥室等主要用房窗地比不小于1/6[8]；并在滿足南向窗墻比≤0.6 的范圍內適度選擇[9]。該建筑二層的層高為3 m，經堂、廚房的開間均4.8 m，進深分別為7.5、5.0 m。根據JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》、GB 50033—2013《建筑采光設計標準》的要求可知，窗墻比取值范圍應為0.4～0.6。故進行模擬時直接受益窗和集熱墻的窗墻比取值范圍設置應稍大一些，取值范圍為0.3～0.7。

使用Energyplus 進行模擬，將直接受益窗與集熱墻的窗墻比分別設置為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，并進行24 h 模擬分析，模擬結果如圖6、表4 所示。

表4 模擬房間的室內溫度

由圖6（a）和表4 可知，隨窗墻比的增大，南向房間（經堂）的室內平均溫度不斷升高，且增幅穩(wěn)定。室內最高溫度出現于下午15：00，且隨窗墻比的增大而不斷升高；最低溫度出現在凌晨05：00，且基本穩(wěn)定在5 ℃以上。這是因為隨著窗墻比的增大，南向直接受益窗的面積增加，使得白天室內吸收的熱量增加，溫度呈升高趨勢；且夜間因集熱墻墻體的材料特性，重質夯實黏土的蓄熱性能較好，所以夜間失熱較少，不會出現室內溫度過低的現象。但結合平均溫度來看，窗墻比的增大對室內熱穩(wěn)定性仍具有一定影響，雖然最低溫度變化較小，但室內溫度波幅會隨著窗墻比的增大而不斷增長。尤其體現在12：00～18：00 太陽輻射較為強烈的時間段，因該時間段建筑南面受太陽輻射較多，隨著南向直接受益窗面積的增加，透過窗戶照進室內的陽光也不斷增加，導致室內升溫幅度大。

由圖6（b）、表4 可以看出，北向房間（廚房）平均溫度變化規(guī)律與南向房間（經堂）內的變化規(guī)律相似，均隨窗墻比的增大而不斷升高；最高溫度出現在下午16：00，與其相鄰的南向房間相比，滯后約1 h。隨著南向房間窗墻比的增大，北向房間的最高溫度也在升高；最低溫度出現在凌晨05：00。雖然北向房間室內在白天沒有受到直接太陽輻射，但夜間最低溫度與南向房間內最低溫度相差不大。例如窗墻比為0.7 的北向房間與窗墻比為0.3 的南向房間的最低溫度相同，最高溫度的增幅穩(wěn)定在0.2 ℃，最低溫度和平均溫度的增長幅度在0.1～0.2 ℃浮動，北向房間室內溫度波動振幅比南向房間室內溫度波動振幅小約1/2。

綜上所述，川西高原鄉(xiāng)土民居進行集熱墻式的被動式太陽能利用，推薦選用窗墻比為0.7 的集熱墻模式。因為，當窗墻比為0.7 時，南向房間內平均溫度達到最高，且相對于窗墻比為0.3 時最高溫度比高2.5 ℃，最低溫度高0.4 ℃，全天溫差為8.6 ℃，符合在無輔助熱源的條件下室內溫差不大于10 ℃的要求。該情況下，北向房間內平均溫度也可達到最高，且相對于窗墻比為0.3 時最高溫度升高0.8 ℃，最低溫度升高0.6℃，全天溫差為3.1 ℃，也符合在無輔助熱源的條件下室內溫差不大于10 ℃的要求。

根據DB 51/5027—2019 要求，當嚴寒地區(qū)建筑層數≤3層時，外墻傳熱系數值應≤0.35 W/（m2·K），樓板傳熱系數值應≤0.30 W/（m2·K）。在本次模擬分析中，當南向陽光間窗墻比為0.7 時，室內熱環(huán)境最優(yōu)，但室內平均溫度只有9.1 ℃。依據祁清華[2]得出的川西高原地區(qū)室內舒適標準應為日平均溫度不低于14 ℃的結論，該條件下，室內熱環(huán)境仍未達到室內舒適標準，所以應在對集熱墻優(yōu)化的基礎上，對川西地區(qū)居住建筑的外圍護結構作出進一步優(yōu)化。

2.4 外圍護結構優(yōu)化

圍護結構熱工設計是基于建筑熱工學基本原理，以材料的物性參數、室外氣候條件及室內設計基準為輸入條件，對圍護結構進行熱工設計以使其熱工性能可以符合相關規(guī)范要求的系列方法[8]。根據DB 51/5027—2019 四川省居住建筑節(jié)能65%的要求，對建筑二層外墻圍護結構進行優(yōu)化，優(yōu)化后的熱工參數如表5 所示。

表5 圍護結構優(yōu)化后的熱工參數

經過優(yōu)化，使得二層東向、西向與北向墻體和二層樓板的傳熱系數均符合DB 51/5027—2019 中的規(guī)定。

集熱墻體依舊設置為300 mm 厚的夯實黏土，墻體與外層玻璃中的空氣層設置為150 mm，集熱墻墻體通風換熱設置為0.5 次/h。優(yōu)化后房間的室內溫度如表6 所示。使用Energyplus 進行模擬，結果如圖7 所示。

表6 優(yōu)化后房間的室內溫度

由表6、圖7（a）可見，圍護結構優(yōu)化后，隨著窗墻比的增大，南向房間（經堂）室內最高溫度、最低溫度和平均溫度隨之升高，但增長幅度呈逐漸減小的趨勢。當窗墻比為0.7 時，全天平均溫度可達到15.3 ℃。雖然溫度波動幅度到達11.6 ℃，但結合最高、最低溫度來看，白天最高溫度可達到20 ℃，夜間最低溫度也在10 ℃以上，其室內熱環(huán)境較好。

由表6、圖7（b）可見，圍護結構優(yōu)化過后，隨著南向房間窗墻比越大，北向房間（廚房）室內最高溫度、最低溫度和平均溫度升高，且增長幅度基本不變。當南向房間窗墻比為0.7時，其室內平均溫度可達到11.0 ℃，白天最高溫度達到13.5℃，夜間最低溫度8.8 ℃，溫度波動幅度為4.7 ℃。

3 結論

（1）川西甘孜州太陽能豐富，利用太陽能改善當地民居建筑室內熱環(huán)境具有可行性。

（2）川西藏區(qū)當地建筑材料夯實黏土蓄熱性能強，可以較好地補償夜晚直接受益窗損失的熱量。因此，直接受益窗與集熱墻相結合的被動式太陽能利用模式，適合用于改善當地民居建筑室內熱環(huán)境。該方式可以通過對圍護結構合理的優(yōu)化從而提高室內冬季溫度，解決晝夜溫差過大的問題。

（3）在直接受益窗與集熱墻結合的太陽能利用形式中，當窗墻比為0.7 時，南北向房間平均溫度、最高溫度及北向房間最低溫度達到最大值，其室內熱舒適度最高。建議先前標準[8-9]中窗墻比取值范圍可由0.4～0.6 擴大為0.4～0.7。

（4）選擇現代的新型保溫材料代替當地傳統(tǒng)材料作為川西高原鄉(xiāng)土民居的圍護結構，可有效優(yōu)化當地居民室內熱環(huán)境，改善當地民居被動式太陽能利用效果。