多空間被動式太陽能采暖建筑熱工設計

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

墻體作為建筑圍護結構的主體部分,其熱工性能對建筑熱損失及室內溫度具有顯著的影響[1-2]。近年來,國內外學者對太陽能采暖建筑的墻體熱工設計做了細致的研究,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上進行被動式太陽能建筑墻體熱工設計,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,將會導致整個室內溫度降低[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熱環(huán)境的調節(jié)。而室內空間的劃分需要通過內隔墻來實現(xiàn),因此,內隔墻的熱工性能對室內熱能的非均勻化調節(jié)起著非常重要的作用。在室內空間分區(qū)模式下,研究內外墻體熱工性能對不同使用功能房間室內溫度的影響規(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計方法,以期為多空間太陽能建筑的設計提供理論基礎。

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

1 采暖期室內外氣象參數(shù)與基礎模型

1.1 室外邊界條件

建筑外圍護結構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,應采用“室外綜合溫度”作為太陽能建筑墻體熱工設計時的外邊界條件。

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

該建筑室內空間主要由佛堂、臥室、雜物間、客廳和廚房構成,建筑室內凈高2.5 m,外墻為500 mm厚土坯墻且外立面粉刷白色涂料,屋頂構造從上往下依次為黏土泥、碎石層、細木條、椽、檁結構,約500 mm厚;客廳與廚房之間用隔板分隔,約2.5 mm厚,其余內隔墻均為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),比南向房間室內平均溫度低4.5 ℃。測試結果表明,對多空間太陽能建筑的室內空間進行合理布局,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溫度保持在較高的水平。但建筑室內溫度整體水平較低, 若要使得室內整體熱環(huán)境質量提高,還需改善圍護結構的熱工性能,減少熱損失。

1.3 基礎建筑模型

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研,并結合文獻[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構熱工參數(shù)下限值的規(guī)定,確定建筑分析模型及圍護結構基本熱工參數(shù),如表2所示。

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

1.4 室內空間分區(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)模式的調研,并結合當?shù)鼐用駥κ覂瓤臻g分區(qū)的意愿,確定了3種適合于當?shù)氐牡湫偷目臻g分區(qū)模式,如圖4所示。

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

2 墻體熱工參數(shù)對室內熱環(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,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構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)可以得出三種室內空間分區(qū)模式下所有房間的熱平衡方程。在此基礎上,代入表1、表2、圖4中的相關參數(shù),分別對各房間的熱平衡方程進行聯(lián)立并整合,得出與三種室內空間分區(qū)模式相對應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分別為室內空間分區(qū)模式a下的起居室1、廚房2的采暖期室內空氣溫度平均值,℃;tb1、tb2、tb3、tb4分別為室內空間分區(qū)模式b下的臥室1、臥室2、起居室3、廚房4的采暖期室內空氣溫度平均值,℃;tc1、tc2、tc3、tc4、tc5、tc6分別為室內空間分區(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的采暖期室內空氣溫度平均值,℃。

2.2 外墻傳熱系數(shù)對室內溫度的影響

對于拉薩地區(qū)不同空間分區(qū)模式下的建筑模型,當基礎建筑外墻傳熱系數(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,且室內空間分區(qū)模式不同,其溫度增加值不同。當外墻傳熱系數(shù)由2.0 W/(m2·K)減小到0.5 W/(m2·K)時,室內空間分區(qū)模式a中起居室的室內溫度增加了3.3 ℃,廚房室內溫度增加了4.3 ℃;模式b中起居室的室內溫度增加值為2.8 ℃,臥室的室內溫度增加值為3.8 ℃(臥室1和臥室2的平均值,下同),廚房的室內溫度增加值為4.2 ℃;模式c中起居室的室內溫度增加值為2.8 ℃,臥室的室內溫度增加值為3.5 ℃,廚房的室內溫度增加值為4.2 ℃,儲物間的室內溫度增加值為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)南墻傳入室內的熱量減小,總體上有利于得熱,但收益不大。

2.3 內隔墻傳熱系數(shù)對室內溫度的影響

隨著建筑模型空間分區(qū)模式的日趨復雜和建筑功能的日益豐富,建筑內隔墻占圍護結構的比例逐漸增大,對室內熱環(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,當基礎建筑內隔墻傳熱系數(shù)變化時,自然運行條件下冬季采暖期室內平均溫度的變化如圖6所示。

由圖6可見,隨著內隔墻傳熱系數(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。當內隔墻傳熱系數(shù)由2.0 W/(m2·K)減小到0.5 W/(m2·K)時,室內空間分區(qū)模式a中起居室的室內溫度增加了1.2 ℃,廚房的室內溫度增加了-2.0 ℃;模式b中起居室的室內溫度增加值為2.4 ℃,臥室的室內溫度增加值為-0.2 ℃,廚房的室內溫度增加值為-2.4 ℃;模式c中起居室的室內溫度增加值為2.2 ℃,臥室的室內溫度增加值為0.9 ℃,廚房的室內溫度增加值為-2.3 ℃,儲物間的室內溫度增加值為-2.0 ℃。

通過以上分析可知,減小內隔墻傳熱系數(shù)能夠將有限的熱能盡可能多地分配到主要房間,有效提高南向主要房間的室內溫度,促進室內熱能的非均勻化調節(jié),但這也使得北向輔助房間獲得的熱量減少,從而導致輔助房間的溫度降低。

3 多空間太陽能建筑墻體熱工設計方法

由前文分析可知,各個房間的室內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。而減小內隔墻傳熱系數(shù),南向主要房間的室內平均溫度提高,北向輔助房間的室內平均溫度卻降低。也就是說,減小內外墻傳熱系數(shù),南向主要房間的室內溫度都會提高,而北向輔助房間的室內溫度是否提高,則取決于內外墻傳熱系數(shù)的減小值。因此,若想在提高主要房間室內溫度的同時,能夠兼顧到輔助房間的溫度,則需尋求內外墻傳熱系數(shù)之間的關聯(lián)性。

根據(jù)文獻[13]可知,拉薩地區(qū)采暖期熱舒適指標為:北向中間位置的房間最低溫度不低于8 ℃,北向東西兩側房間為6 ℃～7 ℃。因此,假設北向中間位置房間(廚房)的室內溫度為8 ℃,并將此溫度作為固定值,代入式(4)、(5)、(6)中,當外墻傳熱系數(shù)變化時,其主次房間的溫度和內隔墻傳熱系數(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,當北向中間房間(廚房)溫度設定為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,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,室內空間分區(qū)模式a中主要房間(以起居室為例,下同)的室內溫度從10.1 ℃提高到了14.4 ℃;模式b中主要房間的室內溫度從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 ℃。內隔墻傳熱系數(shù)隨著外墻傳熱系數(shù)的減小而減小,內隔墻傳熱系數(shù)的減小加劇了室內熱能分配的非均勻化,當輔助房間的室內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隔墻傳熱系數(shù)隨外墻傳熱系數(shù)變化的函數(shù)曲線。當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)曲線求出其相對應的內外墻傳熱系數(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,當主要房間室內溫度為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計提供一定的借鑒。

圖8 模式c起居室溫度和內隔墻傳熱系數(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 論

1) 拉薩典型建筑的室內熱環(huán)境測試結果表明,合理的室內空間布局可以將室內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溫度保持在較高的水平。但建筑室內溫度整體水平較低,若要使得室內整體熱環(huán)境質量提高,還需改善圍護結構的熱工性能,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) 減小內隔墻傳熱系數(shù)能夠將有限的熱能盡可能多地分配到主要房間,有效提高南向主要房間的室內溫度,促進室內熱能的非均勻化調節(jié),但同時會減少北向輔助房間的傳熱量,導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)求得其相對應的內外墻傳熱系數(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計提供一定的借鑒。