拉薩新民居建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境影響因素分析

劉艷峰，胡筱雪，周 勇，王登甲，胡 威

(西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

拉薩是世界上海拔最高的城市之一，年日照時數(shù)達3 000 h以上，年總太陽輻射高達7.2 GJ/m2[1-3]，其太陽能資源相當豐富，是主被動太陽房熱利用的良好熱源[4-5].在社會經(jīng)濟和被動節(jié)能技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，拉薩地區(qū)出現(xiàn)了大量集中搬遷村莊，其新式建筑運用被動太陽能設(shè)計的比例也逐年增加[6-7].前期調(diào)研表明，此類搬遷建筑房屋形態(tài)符合西藏文化特征，當?shù)鼐用窠邮芏容^高，但其室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀仍有待進一步調(diào)研.

影響被動式建筑室內(nèi)熱環(huán)境的因素主要包括室外氣候(太陽輻射、溫濕度等)、建筑特征參數(shù)(建筑外形、朝向、體形系數(shù)、室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)等)和圍護結(jié)構(gòu)(材料、遮陽、窗墻比等)三大部分.文獻[8]通過提出非平衡保溫概念，闡述了在太陽輻射作用下，不同朝向圍護結(jié)構(gòu)的不同傳熱現(xiàn)象.文獻[9]研究了拉薩地區(qū)現(xiàn)有單體建筑中不同朝向、不同圍護結(jié)構(gòu)保溫組合條件對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.文獻[10]對拉薩典型傳統(tǒng)民居的被動太陽能利用進行實測，發(fā)現(xiàn)冬季室內(nèi)溫度整體偏低，南向直接受益式房間溫度波動較大，并給出了加強保溫和蓄熱能力的建議；文獻[11]比較了居民自建新建筑與舊建筑室內(nèi)熱環(huán)境和圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，分析了新式民居室內(nèi)熱環(huán)境的變化與特點.文獻[12-13]主要對單元式住宅建筑，從建筑空間設(shè)計與圍護結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)計討論了直接受益式和附加陽光間式太陽房的被動設(shè)計要素對冬季采暖能耗的影響.文獻[14]基于大連某農(nóng)村住宅熱環(huán)境現(xiàn)狀，利用正交數(shù)值試驗與綜合平衡法對建筑布局、圍護結(jié)構(gòu)等方面進行了優(yōu)化設(shè)計.

這些研究對各類住宅建筑及其影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素都做了較好的分析，但關(guān)于新式集中搬遷建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)研仍較少.為此本文對拉薩市集中搬遷村莊建筑室內(nèi)熱環(huán)境展開全面調(diào)研測試，通過與舊建筑對比，全面分析建筑熱工特性、圍護結(jié)構(gòu)等方面對建筑的影響、探究影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素.同時，針對調(diào)研結(jié)果中存在較大問題的空間結(jié)構(gòu)和直接受益窗設(shè)計，結(jié)合測試結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，進行了詳細探討，以期提出更加全面的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化措施，完善影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素，達到優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境和減少能耗的目的.本文對當?shù)匦陆ńㄖ覂?nèi)熱環(huán)境設(shè)計提供一定參考.

1 測試調(diào)研概況

為了解集中搬遷村莊新建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，課題組于2017年2月對比各搬遷項目選擇較為典型的林周縣卡孜鄉(xiāng)白朗新村進行測試調(diào)研(圖1為搬遷示范建筑)，且選擇白覺林鄉(xiāng)色康村舊建筑進行對比.測試內(nèi)容包括太陽輻射強度、室外空氣溫度、室內(nèi)主要房間空氣溫度及壁面溫度等，測量參數(shù)及儀器如表1所示.調(diào)研以發(fā)放問卷及走訪觀察為主，主要內(nèi)容包括建筑結(jié)構(gòu)、常住人口、室內(nèi)熱感覺、作息時間、穿著以及對現(xiàn)有住宅的評價.

圖1 白朗村集中搬遷示范項目Fig.1 Bailang village centralized relocation demonstration project

測試調(diào)研內(nèi)容及目的：(1)測試室內(nèi)空氣溫度及壁面溫度，調(diào)研建筑結(jié)構(gòu)，了解被動節(jié)能技術(shù)運用現(xiàn)狀，分析造成室內(nèi)熱環(huán)境差的原因；(2)調(diào)查冬季室內(nèi)人員的作息規(guī)律、熱感覺和熱需求，確定居民主要生活空間，作為模擬分析的依據(jù).

2 測試調(diào)研對象

選擇林周縣卡孜鄉(xiāng)白朗新村和白覺林鄉(xiāng)色康村具有代表性的新建建筑和既有舊建筑進行測試.新建建筑為雙拼排屋，砼石砌體結(jié)構(gòu)，測試房間為一層客廳和二層南北向房間，建筑平面布局及測點布置如圖2所示；舊建筑形式為二層獨棟，傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)，無保溫層，一層為儲物間，二層為客廳、臥室等主要人員活動區(qū)，測試房間為二層客廳，建筑平面布局及測點布置如圖3所示.兩戶均未采暖.

圖2 新建建筑平面及測點布置圖(單位：mm)Fig.2 Plane and measured spots of new building (unit: mm)

圖3 舊建筑二層平面及測點布置圖(單位：mm)Fig.3 Plane and measured spots of two floors of old building (Unit: mm)

新舊建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工條件見表2、3，客廳南向、南向房間南向、西向、北向房間北向窗墻比分別為0.40、0.44、0.36、0.25.舊建筑客廳南向、東向窗墻比分別為0.47、0.37.兩棟建筑南向開窗面積大，北向較小，舊建筑外墻較厚，均有利于被動太陽能利用.

3 測試結(jié)果及分析

3.1 室外測試結(jié)果分析

太陽輻射強度及室外溫度如圖4所示，測試期間林周縣冬季日照持續(xù)時間為10 h，平均太陽總輻射為492 W/m2，峰值為776 W/m2，出現(xiàn)在正午；太陽直射輻射占總輻射的74%～93%，表明拉薩地區(qū)冬季太陽輻射強，可為主被動太陽房熱利用提供較好的熱源條件；室外空氣平均溫度為-3.7 ℃，峰值、最低值分別為3.4 ℃、-10.9 ℃.

表1 測試參數(shù)及儀器

表2 新式建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工條件

表3 舊建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工條件

圖4 太陽輻射強度及室外溫度Fig.4 Solar radiation intensity and outdoor air temperatures

3.2 室內(nèi)測試結(jié)果分析

各被測房間室內(nèi)空氣溫度如圖5所示，由于南向房間開有南、西兩扇外窗，延長了太陽輻射得熱時間，導致其房間最高溫度相較于新舊客廳延遲3 h左右.新建建筑南北兩房間室內(nèi)平均溫度分別為6.7 ℃和3.5 ℃，峰值溫差達7.3 ℃，主要是由于南向房間窗墻比明顯大于北向房間，增大了接受陽光照射面積，但同時也導致室內(nèi)溫度波動增大.所以應(yīng)綜合考慮選擇合適的窗墻比，以提高室內(nèi)空氣溫度和穩(wěn)定性.新建建筑客廳和南向房間南向開窗面積都較大，但客廳平均溫度較南向房間低1.0 ℃，除南向房間開有兩面外窗的原因外，客廳與樓梯間直接相通未圍合的空間布局，也會使熱量散失，降低室內(nèi)溫度.

調(diào)研發(fā)現(xiàn)多數(shù)居民為防止室內(nèi)眩光，其房間窗簾為閉合狀態(tài)，未能更好利用太陽輻射熱量使房間升溫，也是各房間溫度整體偏低的原因之一.

新舊建筑壁面平均溫度及波幅如圖6所示，壁面溫度普遍較低，進而影響室內(nèi)溫度.新舊建筑南外墻內(nèi)壁面平均波幅分別為4.5 ℃和1.7 ℃，表明舊建筑外墻蓄熱能力優(yōu)于新建建筑，其原因是新建建筑墻體材料為混泥土砌塊，而舊建筑墻體材料為夯土結(jié)構(gòu)，墻體也較厚重，可以平抑溫度波動，提高圍護結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性.屋頂平均溫度較高，波幅也較大，所以應(yīng)加強屋頂?shù)谋卦O(shè)計.由圖5可知，新舊建筑客廳室內(nèi)平均溫度分別為5.7 ℃和4.9 ℃，峰值相差為1.9 ℃，表明舊建筑保溫性能不佳，這主要是圍護結(jié)構(gòu)材質(zhì)導致[14]，而外窗是圍護結(jié)構(gòu)熱工性能中最薄弱的部位[15]，新建建筑采用中空玻璃，舊建筑為普通單層玻璃，即采用新型保溫節(jié)能外窗，也是提高建筑保溫性能的重要措施.

圖5 各被測房間室內(nèi)空氣溫度Fig.5 Indoor air temperature of measured rooms

圖6 新舊建筑壁面平均溫度及波幅Fig.6 Mean temperature and amplitude of new, old building walls

3.3 熱感覺測試結(jié)果分析

為了解當?shù)鼐用駥邪徇w建筑的熱感覺，對部分住戶做了問卷調(diào)研，調(diào)研對象為常住居民，身體健康，其中男女比例大致相等，最大年齡居民63歲，最小8歲，平均年齡為33.9歲，有效問卷共32份.調(diào)研結(jié)果顯示，冬季室內(nèi)人員主要以坐、站等輕型活動為主，室內(nèi)人員著裝基本為秋褲+棉褲+秋衣+毛衣+外套+靴子，平均服裝熱阻為2.4 clo.居民對室內(nèi)熱環(huán)境主觀感覺與主觀期望如圖7所示，其中34.3%和43.8%的居民分別認為中性和稍涼，涼的人只占9.4%，其原因是居民對低溫環(huán)境已產(chǎn)生適應(yīng)性，且多數(shù)居民在室內(nèi)也穿著較厚的衣服.但調(diào)查中，仍有62.5%的人期望室內(nèi)溫度暖一些，且新、舊兩棟建筑室內(nèi)平均溫度在3.5～ 6.7 ℃之間，均低于了ASHRAE 55-2013中所規(guī)定的人體熱舒適最低容忍溫度14 ℃[16]，可采用合理的采暖、被動節(jié)能措施提高室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境.

圖7 室內(nèi)熱環(huán)境主觀評價與主觀期望Fig.7 Subjective evaluation and subjective expectation of indoor thermal environment

4 空間結(jié)構(gòu)和外窗對室內(nèi)熱環(huán)境影響

通過調(diào)研測試發(fā)現(xiàn)在直接受益窗設(shè)計方面，為改善其熱工性能，新建建筑大多使用雙層中空透明玻璃，但因拉薩地區(qū)太陽輻射強，南窗面積較大，容易引起室內(nèi)眩光，當?shù)匾恍┚用窳晳T在白天拉上窗簾(透明玻璃+白天窗簾閉合模式)，這既減少室內(nèi)得熱亦影響采光.因此本文提出一種深色玻璃+窗簾全開的新模式，通過數(shù)值計算，分析該模式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

同時，基于對當?shù)刈≌ㄖ臻g結(jié)構(gòu)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)客廳與樓梯間直接相通未圍合的問題造成熱量散失，因此，提出加強房間圍合性的優(yōu)化措施，并通過數(shù)值模擬得到其措施對改善室內(nèi)熱環(huán)境及能耗的積極作用.

4.1 模型建立

調(diào)研結(jié)果顯示，居民在臥室活動時間集中于21:00～次日8:00，其余時間在客廳，可見客廳和臥室是拉薩居民的主要生活空間，因此提高客廳和臥室的室內(nèi)熱環(huán)境尤為重要，本節(jié)主要以客廳為例，利用Energyplus，分析空間結(jié)構(gòu)和直接受益窗特性對室內(nèi)熱環(huán)境影響程度.

對測試建筑進行建模分析，其平面圖和建筑圍護結(jié)構(gòu)信息分別見圖2及表1；內(nèi)外表面換熱系數(shù)分別為8.7 W/(m2·K)與23 W/(m2·K)[17].

4.2 模型驗證

為驗證模型的準確性，將客廳及南向房間室溫模擬結(jié)果與測試結(jié)果進行對比，其中室外氣象參數(shù)設(shè)置為測試值.結(jié)果如圖8所示，模擬能較好的反映實際情況，客廳、南向房間模擬結(jié)果的平均相對誤差分別為13.3%、14.7%，最大平均誤差小于15%，可認為模擬值與測試值一致，即模擬工況可靠.

圖8 客廳及南向房間模擬測試溫度對比Fig.8 Comparison of temperature of simulation with test of living room and north room

4.3 模擬結(jié)果與分析

4.3.1 南外窗設(shè)計及窗簾運行模式分析

傳統(tǒng)建筑中常常使用深色玻璃，其多為綠色、藍色和茶色，透光率小于透明玻璃，為增強室內(nèi)太陽輻射得熱，現(xiàn)今新建建筑很少使用，但拉薩地區(qū)因太陽輻射強，南窗面積較大，容易引起室內(nèi)眩光，當?shù)匾恍┚用窳晳T在白天拉上窗簾，這既減少室內(nèi)得熱亦影響采光，為改善此現(xiàn)狀，擬通過將南向窗雙層中空透明玻璃改為雙層中空深色玻璃，使當太陽輻射強時可以拉開窗簾增加室內(nèi)得熱且避免眩光影響.

將深色玻璃+白天窗簾全開的模式與透明玻璃的兩種窗簾運行模式的模擬結(jié)果進行對比，具體工況見表4，其中室外氣象參數(shù)選擇典型氣象年數(shù)據(jù)，冬季典型設(shè)計日選擇1月21日；模擬設(shè)置參數(shù)見表5.

表 4 模擬工況

表5 模擬參數(shù)

模擬結(jié)果如圖9所示，工況1、2、3室內(nèi)平均溫度分別為11.3 ℃、10.3 ℃、9.1 ℃.可見透明玻璃加白天窗簾全開的模式(工況1)室內(nèi)平均溫度最高，但由于當?shù)靥栞椛鋸?，室?nèi)眩光嚴重，當?shù)鼐用褫^少采用此模式，而更傾向于白天拉上窗簾(即工況3)，其與工況1相比室內(nèi)平均溫度降低2.2 ℃，且采光較差.因此本文推薦深色玻璃加白天窗簾全開的模式(工況2)，其室內(nèi)平均溫度較工況3高1.2 ℃，采光性提高，較工況1可減少室內(nèi)眩光影響.即，此模式亦可作為當?shù)刂苯邮芤娲霸O(shè)計的一種選擇.

圖9 玻璃顏色及窗簾運行模式對室內(nèi)溫度及負荷的模擬結(jié)果Fig.9 Simulation result of indoor temperature and heating load in different glass colors and curtain operation modes

4.3.2 客廳圍合性分析

針對調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的集中搬遷建筑客廳與樓梯間直接相通未圍合的空間布局，為得到其圍合性對室內(nèi)熱環(huán)境及能耗的影響，模擬圍合、非圍合兩種工況下的室內(nèi)溫度和采暖熱負荷.采暖負荷計算中，室內(nèi)計算溫度均設(shè)為18 ℃，采暖房間為客廳和臥室.具體結(jié)果如下：

圖10 不同圍合性客廳室溫、采暖負荷模擬結(jié)果Fig.10 Simulation result of indoor temperature and heating load in different enclosing living room models

由圖10所示，圍合、非圍合客廳平均溫度分別為10.4 ℃和9.1 ℃；圍合較非圍合客廳溫度升高1.3 ℃，且冬季采暖熱負荷降低17.3%，因此，提高房間圍合性有利于改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低采暖負荷.

5 結(jié)論

為了解現(xiàn)今集中搬遷建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，更全面分析影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素，本文通過對典型新建建筑進行冬季熱環(huán)境測試，與舊建筑對比，并結(jié)合模擬分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)集中搬遷建筑客廳與傳統(tǒng)建筑室溫分別為5.7 ℃和4.9 ℃，新建筑室溫僅提高0.8 ℃，室內(nèi)熱環(huán)境仍有待改善，因此除更全面、規(guī)范的使用被動太陽能設(shè)計外,冬季還應(yīng)采暖，即選擇主被動結(jié)合的采暖方式.

(2)南向采用深色玻璃+白天窗簾全開的模式與現(xiàn)在常用的透明玻璃+白天窗簾閉合模式相比，室內(nèi)平均溫度升高1.2 ℃，采光性提高，其亦為當?shù)刂苯邮芤娲霸O(shè)計提供了一種選擇依據(jù).

(3)提高客廳圍合性可以使室內(nèi)平均溫度升高1.3 ℃，負荷降低17.3%.因此，提高客廳圍合性也是改善室內(nèi)熱環(huán)境的策略之一.