緩沖空間對拉薩市居住建筑冬季采暖能耗的影響

李恩++劉加平

摘要：冬季現(xiàn)場調(diào)研與熱環(huán)境測試表明，拉薩市現(xiàn)有居住建筑的緩沖空間能明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境。但當(dāng)?shù)胤遣膳块g冬季熱環(huán)境仍較差，居住建筑采暖需求明顯。當(dāng)?shù)夭膳芎呐c環(huán)境負(fù)荷增長趨勢明顯。以拉薩市常見的單元式住宅為基礎(chǔ)建立了熱工計算模型，模擬分析了南北向緩沖空間進(jìn)深設(shè)計對冬季采暖能耗的影響規(guī)律。結(jié)果表明：南北向緩沖空間均能有效降低模型的采暖能耗，其中，隨著南向緩沖進(jìn)深增大，模型采暖能耗呈遞增趨勢；隨北向緩沖空間進(jìn)深增大，模型采暖能耗呈先降后增趨勢，北向緩沖空間模型之間能耗差很小。緩沖空間優(yōu)化設(shè)計模型與基礎(chǔ)模型的能耗對比分析顯示，合理設(shè)置的南北向緩沖空間能夠大幅降低采暖能耗。

關(guān)鍵詞：

緩沖空間；采暖能耗；被動式設(shè)計；建筑節(jié)能

Abstract：

Based on the analysis of winter field survey and thermal environment measurement， the bufferspace design can obviously improve indoor thermal environment in the residential buildings of Lhasa. However， the indoor winter thermal environment of nonheating rooms still need to be improved. Local people have strong heating demand for residential buildings. All the clues lead to the fast growing tendency of heating energy consumption and environmental load in Lhasa. The basic simulation models for understanding the bufferspace's effect to heating energy consumption are established from the common residential buildings in Lhasa， and the factors include south and north bufferspace's depth design. Result shows that bufferspace can obviously reduce winter heating energy consumption. Along with the south bufferspace's depth increasing， the heating energy consumption shows the tendency of continuous increasing； as for the north bufferspace， the tendency is firstly getting decreasing and then increasing， and the energy consumption among models is not large. The heating energy consumption comparison study between common model and optimal bufferspace design model shows that bufferspace design can obviously reduce the heating energy consumption.

Keywords：

bufferspace； heating energy consumption； passive design； building energy saving

拉薩是中國海拔最高的省會城市，其氣候具有典型的高原城市氣候特征：空氣含氧量低，氣壓低，太陽輻射強(qiáng)烈，氣溫日較差大，最熱月七月的平均溫度為15.5 ℃，最冷月一月的平均溫度為-1.6 ℃[1]。夏季非常涼爽，冬季采暖期長但平均溫度并不特別低[2]。資料顯示[35]，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，拉薩住宅建筑已步入大面積建設(shè)階段。同時，居民生活條件在逐步提高，生活方式逐漸趨同內(nèi)陸?？梢酝茢啵鞘薪ㄖ膳芎膶⒊掷m(xù)增加。為了避免當(dāng)?shù)夭膳芎谋l(fā)性無序增長，對當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ捎酶咝П粍邮教柲茉O(shè)計，以緩解冬季采暖能耗矛盾是在當(dāng)?shù)貧夂驐l件與自然資源雙重約束下，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

毋庸置疑，在被動式太陽房設(shè)計中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對建筑的熱環(huán)境有重要作用，但現(xiàn)場調(diào)研顯示，居住建筑是否具備封閉緩沖空間對相鄰房間的熱環(huán)境影響很大。因此，當(dāng)?shù)氐膽粜蛯κ覂?nèi)熱環(huán)境的作用不可忽視。筆者從熱環(huán)境測試和模擬計算兩方面討論緩沖空間對居住建筑采暖能耗的作用和意義。

目前，對以拉薩為代表的高海拔地區(qū)居住建筑的冬季采暖節(jié)能研究成果基本來自中國學(xué)者。文獻(xiàn)[6]分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對主動式系統(tǒng)運行的影響，解決了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與設(shè)備系統(tǒng)的匹配問題。文獻(xiàn)[7]研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)太陽輻射條件下的動態(tài)傳熱計算方法，討論了該地區(qū)純被動式采暖的可行性。文獻(xiàn)[810]通過提出非平衡保溫概念，闡述了在太陽輻射作用下，不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同傳熱現(xiàn)象。給出了傳熱系數(shù)設(shè)計方法。文獻(xiàn)[11]討論了強(qiáng)太陽輻射對拉薩市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計與計算中朝向修正系數(shù)的影響。綜上，在以拉薩為代表的太陽能富集區(qū)建筑節(jié)能研究中，現(xiàn)有成果的研究對象多為強(qiáng)太陽輻射對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱作用及在該作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計或傳熱計算。研究結(jié)果有利于拉薩及相似氣候區(qū)的節(jié)能工作。但是，盡管實地測試顯示建筑空間設(shè)計對室內(nèi)熱環(huán)境有重要影響，目前，還沒有研究從建筑空間設(shè)計角度出發(fā)，探討緩沖空間的設(shè)置對居住建筑采暖能耗的影響。本文以拉薩城鎮(zhèn)既有住宅建筑中常見的直接受益式戶型單元為對象，建立基本模型，通過模擬計算討論緩沖空間設(shè)計對采暖能耗的影響，嘗試給當(dāng)?shù)刈≌ㄖ?jié)能設(shè)計提供新思路。

1拉薩居住建筑熱環(huán)境測試

課題組對以拉薩為代表的高海拔地區(qū)的民用建筑節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了長期研究。近10年來，課題組多次赴藏進(jìn)行民用建筑冬季熱環(huán)境調(diào)研，包括城鎮(zhèn)住宅和農(nóng)村傳統(tǒng)住宅的測繪與熱環(huán)境測試。在前期的研究中，拉薩的農(nóng)村住宅和城鎮(zhèn)居住建筑均體現(xiàn)了依賴經(jīng)驗的、未量化的被動式太陽能利用特征。熱環(huán)境測試及熱舒適問卷表明，居住建筑冬季熱環(huán)境尚不能滿足居民對熱環(huán)境的需求。調(diào)研與測試內(nèi)容在文獻(xiàn)[3，1213]發(fā)表，測試結(jié)論列舉如下：1）住宅建筑在戶型設(shè)計上具有被動式設(shè)計特點，如建筑朝南向、住宅層高較低，空間緊湊狹小、部分聯(lián)排式住宅自發(fā)另外設(shè)計建造了陽光間等；2）建筑空間的熱環(huán)境測試結(jié)果較差，即使是太陽輻射資源充足的南向房間也無法達(dá)到滿足人體熱舒適的室內(nèi)溫度，同時，北向房間明顯過冷，無法滿足正常使用要求。3）緩沖空間的設(shè)計能夠明顯改善相鄰房間的熱環(huán)境。例如，使用封閉陽臺作為陽光間的住宅，陽光間相鄰房間的室內(nèi)平均溫度高于未設(shè)計封閉陽臺的戶型。4）既有居住建筑的戶型設(shè)計中，緩沖空間的設(shè)計多以南向封閉陽臺的形式出現(xiàn)。

2緩沖空間設(shè)計對城鎮(zhèn)集合式住宅冬

季采暖能耗的影響分析

以拉薩市典型的城鎮(zhèn)集合住宅為例，通過模擬計算的方法討論城鎮(zhèn)居住建筑緩沖空間對冬季采暖能耗的影響。由實地調(diào)研可知，當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)居住建筑目前以南北通透的戶型設(shè)計為主。因此，在案例選擇上采用在直接受益式太陽房基礎(chǔ)上增加密閉緩沖空間方式進(jìn)行研究。研究案例主要有：直接受益式模型、附加陽光間式模型、北向封閉陽臺模型。研究內(nèi)容有：建筑朝向、太陽房進(jìn)深、北向封閉陽臺進(jìn)深等關(guān)鍵緩沖空間設(shè)計要素對采暖能耗的影響。

2.1計算軟件與基本模型

本文是課題組開展西藏建筑節(jié)能研究的階段性工作成果。文中計算模型與模擬軟件設(shè)置等運算工具與前期研究相同[14]，基本模型以拉薩市較常見的既有建筑戶型生成。表1為建筑模型基本信息。圖1為模擬建筑的標(biāo)準(zhǔn)層平面圖，圖中文字標(biāo)出房間功能的戶型為計算戶型。除了南北向以外，計算戶型的周邊均與其他單元相接。文中如無特殊說明，模型的保溫設(shè)計和朝向設(shè)計均沿用調(diào)研的實際情況，即無保溫與朝南向。圖2為3種基本模擬戶型。表2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造。該構(gòu)造形式同樣取自當(dāng)?shù)爻Ｒ娋幼〗ㄖc課題前期研究中模擬對象構(gòu)造信息一致。

本文計算工具為THERB。THERB是計算熱負(fù)荷及室內(nèi)熱環(huán)境等建筑熱工指標(biāo)的模擬軟件，通過了日本政府及建筑協(xié)會的認(rèn)證[15]。在模擬分析前，首先對軟件的準(zhǔn)確性進(jìn)行實測對比驗證。

圖3為課題組于2009年進(jìn)行拉薩調(diào)研時的測試對象之一。建筑外墻采用240 mm厚實心混凝土砌塊，無保溫，外窗為6 mm厚單層玻璃窗，樓板為100 mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板。南向窗墻面積比0.59，北向0.18。戶型及尺寸如圖3所示，測試期間無采暖。

使用THERB建立相同的計算模型。計算步長為3 600 s，各房間與外界通風(fēng)頻率為0.5次/h，無采暖。計算參數(shù)方面，室外氣溫使用實測值。其他計算參數(shù)，如：太陽輻射相關(guān)參數(shù)、夜間長波輻射、風(fēng)向、風(fēng)速，等，因缺實地測試氣象數(shù)據(jù)，使用文獻(xiàn)[16]相同時間段數(shù)據(jù)。選取對比分析時間段為2009年11月26日17：00到11月27日16：00，共24 h。

圖4為測試戶型中ROOM3室內(nèi)空氣溫度的實測數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)對比圖。圖中，實測值與模擬值變化趨勢一致。在24 h周期內(nèi)，實測溫度平均值為14.98 ℃，模擬為14.71 ℃。在實測值與模擬值的24 h逐時溫差方面，最大逐時溫差值為1.67 ℃（實測值高于模擬值），最小溫差值為0 ℃。從19：00至次日11：00，即受太陽直射輻射影響較弱的時段，實測與模擬的逐時溫差平均值為0.3 ℃。其余時間段，該平均值超過1 ℃。數(shù)據(jù)對比表明，實測值與模擬值之間的差異主要是由太陽輻射照度的區(qū)別造成的。計算中，來自標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)庫的太陽輻射照度值小于實測時間段的實際值，造成了在室內(nèi)24 h周期溫度波的波峰階段，模擬計算值小于實測值。另一方面：1）實測與模擬的溫度波動趨勢一致；2）在室內(nèi)24 h周期溫度波的非波峰階段，實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的逐時溫差非常小。綜上所述，THERB軟件計算結(jié)果是可靠的。

在后面的計算中，THERB的計算步長、通風(fēng)狀況、內(nèi)外表面換熱系數(shù)等設(shè)置同驗證計算。各模型在采暖期內(nèi)除了南北陽臺外，其他房間均采暖，室內(nèi)設(shè)定溫度為18 ℃。

為計算方便，本文按11月1日到2月28日之間的整數(shù)月作為拉薩的采暖計算周期，采暖期內(nèi)進(jìn)行不間斷采暖計算。室外氣象計算參數(shù)采用文獻(xiàn)[16]的數(shù)據(jù)。

2.2基本模型采暖季采暖能耗對比分析

本節(jié)針對基本模型之間的采暖能耗進(jìn)行對比研究。另外，雖然實地調(diào)研顯示當(dāng)?shù)亟ㄖ境舷?，但是考慮到城市的發(fā)展與用地情況的變化，未來其他朝向的建筑也有可能出現(xiàn)。本節(jié)對3種戶型在東南西北四個朝向下的不同能耗進(jìn)行計算分析。表3顯示了3種戶型的各朝向模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、戶型平面圖與模型的計算數(shù)量。

圖5為模擬計算結(jié)果。如圖所示，3個基本模型中，明顯可以看出，不具備緩沖空間的直接受益模型的各朝向采暖能耗均遠(yuǎn)大于其他戶型。以正南向為例，計算顯示陽光間模型和北向封閉陽臺模型的能耗相差很小，同時，直接受益模型的采暖能耗約為這兩種戶型的1.43倍。結(jié)果表明在其他條件不變的情況下，非采暖的緩沖空間不管是南向還是北向均對降低拉薩市的冬季采暖能耗有很大幫助。

3種戶型的4個朝向中，南向能耗最小，與其他3個朝向相比，能耗差值很大。3個模型的各朝向最大采暖能耗為其南向能耗的倍數(shù)分別為：直接受益窗模型1.58倍，陽光間模型1.43倍，北向封閉陽臺模型1.83倍。計算表明，當(dāng)建筑朝向為非南向時，建筑的采暖能耗會明顯增加。意味著今后隨著城市化的發(fā)展，在當(dāng)?shù)赝恋刭Y源有限的情況下，按一般的戶型設(shè)計方法出現(xiàn)了朝向受限情況時，則應(yīng)該通過調(diào)整用地規(guī)劃、改變空間設(shè)計思路等方式來盡量保證主要建筑空間朝南向。

需要注意的是，直接受益模型與太陽房模型的正北向案例的能耗并不是4個朝向中最大的。這是由于在正北向模型中，原本朝向北側(cè)的外窗變?yōu)槌蚰戏剑瑢τ谏鲜鰞蓚€模型中產(chǎn)生采暖負(fù)荷的Room4、Room5、 Room6來說形成了直接受益系統(tǒng)，雖然限于窗墻比的原因，系統(tǒng)效率較低，但是在拉薩強(qiáng)烈的太陽輻射條件下，能耗仍然小于沒有該系統(tǒng)的正東正西模型。但同時計算結(jié)果顯示，對于北陽臺模型來說，其北向模型的能耗最大，這是因為原北向封閉陽臺Room9為非采暖房間，不產(chǎn)生采暖負(fù)荷，當(dāng)其轉(zhuǎn)到正南向時，由于Room9的窗墻比很小，新的太陽房系統(tǒng)效率很差，對相鄰采暖房間的幫助很小，同時，窗墻比較大的原南向房間轉(zhuǎn)至北向，變成純失熱面。因此，該戶型的北向模型在4個朝向中能耗最大。當(dāng)然，如果作為緩沖空間的北向封閉陽臺Room9采暖，則會出現(xiàn)不同的計算結(jié)果。分析表明，非采暖緩沖空間能夠顯著降低由室內(nèi)外溫差引起的采暖負(fù)荷。同時南向緩沖空間也會影響到被動式系統(tǒng)的運行效率，需要恰當(dāng)?shù)拇皦Ρ葋磉M(jìn)行被動式設(shè)計。在后續(xù)研究中會繼續(xù)進(jìn)行。

2.3南向陽光間進(jìn)深對冬季采暖能耗影響

在前期的實地調(diào)研與計算分析中，南向陽光間無疑能夠?qū)ο噜彿块g的熱舒適產(chǎn)生改善作用，不同尺寸的南向陽光間其對應(yīng)的熱環(huán)境有所差異。另外，住宅建筑的陽光間還具備具備封閉陽臺的建筑功能使用要求。于是，陽光間的進(jìn)深設(shè)計同時影響到室內(nèi)熱環(huán)境與建筑功能。在前期的研究中，陽光間進(jìn)深對建筑采暖能耗的作用的部分案例已經(jīng)進(jìn)行過分析。本節(jié)結(jié)合前期研究[14]，從室內(nèi)熱環(huán)境與建筑功能兩方面分析陽光間進(jìn)深的適宜設(shè)計尺寸。

圖6為陽光間進(jìn)深模型的戶型設(shè)計示意圖，其中陽光間進(jìn)深尺寸用字母H代表。計算案例中共有7個陽光間進(jìn)深計算模型，分別是進(jìn)深0、0.6、12、1.8、2.4、3.0、3.6 m。表4為模型具體信息。其中模型0 m意為無陽光間設(shè)計，即戶型為直接受益式太陽房。

在圖7所示計算結(jié)果中，直接受益式模型的冬季采暖能耗明顯大于具備陽光間設(shè)計的各個模型。在陽光間進(jìn)深0.6～3.6 m的模型中，陽光間進(jìn)深的逐步增大導(dǎo)致了采暖能耗的逐步增大。其中，從陽光間進(jìn)深0.6～3.0 m，模型間采暖能耗增幅基本同步，進(jìn)深3.0～3.6 m，能耗增幅趨緩。實際上，在居住建筑設(shè)計中，由于空間功能要求，鮮見陽光間進(jìn)深大于3.0 m的情況。當(dāng)陽光間進(jìn)深尺寸大于3.0 m時，計算就可以視為不采暖南向房間的進(jìn)深設(shè)計對建筑采暖能耗的影響，在今后的研究中將繼續(xù)深入。

本節(jié)計算中，陽光間進(jìn)深0.6 m的采暖能耗最小。但因為陽光間同時還是一個建筑空間，具備特有的使用功能，如有晾衣、景觀等。綜合考慮，陽光間進(jìn)深設(shè)計在滿足日常功能的同時應(yīng)采用較小的尺寸。對于普通的單元式集合住宅，陽光間進(jìn)深1.8 m左右比較合適。當(dāng)然，如果南向外窗采用構(gòu)造接近陽光間的內(nèi)外雙層飄窗設(shè)計的話，因為飄窗的進(jìn)深尺寸較小，該設(shè)計會更有利于節(jié)能。

2.4北向封閉陽臺進(jìn)深對冬季采暖能耗影響

與陽光間一樣，在住宅建筑設(shè)計中，北向封閉陽臺具備建筑學(xué)意義上的使用功能，例如服務(wù)陽臺、倉儲等。北向封閉陽臺的設(shè)計也要滿足功能和熱工設(shè)計的雙重需求。

圖8為北向封閉陽臺模型的示意圖，其中，字母h代表北向封閉陽臺進(jìn)深數(shù)值。計算案例中共有7個北向封閉陽臺進(jìn)深計算模型，分別是進(jìn)深0、0.6、1.2、1.8、2.4、3.0、3.6 m。表5為模型具體設(shè)置。其他計算設(shè)置同陽光間進(jìn)深計算案例。

圖9為模擬計算結(jié)果。明顯可以看出，直接受益式模型的采暖能耗大于其他北陽臺模型。同時，在北陽臺進(jìn)深模型中，隨進(jìn)深增大，采暖季計算能耗呈現(xiàn)先降后增的趨勢，其中，進(jìn)深1.2 m為最小值。同時，北陽臺進(jìn)深模型之間的能耗差非常小，模型間能耗差均小于最小能耗值的0.6%。因此，在進(jìn)行戶型設(shè)計時，首先，應(yīng)該具備北向封閉陽臺設(shè)計；然后，具體的進(jìn)深設(shè)計以滿足北陽臺的使用功能為準(zhǔn)。根據(jù)實地調(diào)研情況，若北向緩沖空間設(shè)計為服務(wù)陽臺的話，建議進(jìn)深設(shè)計選用1.2～2.4 m之間。

3拉薩市居住建筑緩沖空間的設(shè)計建議及效果對比分析

由第2節(jié)的模擬計算結(jié)果可知，非采暖緩沖空間能有效降低建筑采暖能耗。南向陽光間進(jìn)深的計算分析表明，建筑的采暖季計算能耗隨陽光間進(jìn)深增大而增大。在滿足陽光間功能的前提下，應(yīng)當(dāng)控制陽光間的進(jìn)深設(shè)計。北向封閉陽臺進(jìn)深案例分析表明，建筑采暖季計算能耗隨進(jìn)深增大，呈現(xiàn)先降后增的趨勢，同時模型之間能耗差很小。所以，北向陽臺的進(jìn)深設(shè)計應(yīng)該以滿足其使用功能為主要依據(jù)。綜上，建立一個南北向雙陽臺計算模型，與當(dāng)?shù)刈畛Ｒ姷闹苯邮芤婺Ｐ瓦M(jìn)行對比來驗證緩沖空間設(shè)計的節(jié)能效果。

在雙陽臺模型的設(shè)計中，朝向設(shè)計方面，建筑朝南向；陽光間進(jìn)深設(shè)計方面，進(jìn)深設(shè)計為1.2 m；北陽臺進(jìn)深設(shè)計方面，進(jìn)深設(shè)計為1.2 m。圖10為雙陽臺模型的戶型示意圖。

為了得到非采暖的南北向緩沖空間對建筑采暖能耗削減作用的的量化結(jié)果，對上述雙陽臺模型與直接受益模型進(jìn)行冬季采暖能耗驗證計算。各項計算參數(shù)同前。

圖11為計算結(jié)果，如圖所示，在計算條件下，采用了緩沖空間設(shè)計的優(yōu)化模型與原始模型相比較，能耗減少了56.5%。計算結(jié)果表明采用了緩沖空間設(shè)計的建筑平面設(shè)計方案能夠大幅降低建筑的采暖能耗。同時，在新住宅建設(shè)中采用緩沖空間設(shè)計幾乎不會增加成本，采用該項設(shè)計對于當(dāng)?shù)氐木幼〗ㄖ?jié)能工作非常有利。

4結(jié)論

針對緩沖空間設(shè)計對拉薩市居住建筑采暖能耗的節(jié)能作用，得出以下結(jié)論：

1）計算分析與節(jié)能驗證表明：緩沖空間的設(shè)置能夠明顯大幅降低居住建筑的冬季采暖能耗。在居住建筑被動式設(shè)計時應(yīng)設(shè)置南北向緩沖空間。

2）設(shè)計南向緩沖空間（陽光間）時，其進(jìn)深應(yīng)盡量減小，從而滿足能耗控制的要求。設(shè)計北向緩沖空間時，由于建筑能耗對北陽臺進(jìn)深并不敏感，所以，應(yīng)該以北陽臺的使用功能為主要設(shè)計依據(jù)。

3）南向是當(dāng)?shù)氐淖≌ㄖ?jié)能的最有利朝向，設(shè)計時應(yīng)通過各種手段盡量使得主要使用空間朝南向。

最后，通過數(shù)值模擬的方法分析了居住建筑緩沖空間對采暖能耗的作用，提出了緩沖空間的適宜尺寸。同時，需要注意的是，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，戶型設(shè)計的其他空間構(gòu)成因素也會影響建筑的采暖能耗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各項熱工性能也會顯著影響采暖能耗。對此，課題組將進(jìn)行持續(xù)研究。

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