川西藏區(qū)民居建筑集熱墻式太陽(yáng)能利用設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

趙詩(shī)婧，夏博，張建新，王雅欣

（長(zhǎng)安大學(xué) 建筑學(xué)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(shì)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(guò)渡地區(qū)。根據(jù)DB 51/5027—2019《四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，川西藏區(qū)按照建筑熱工氣候分區(qū)劃分屬于嚴(yán)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(rùn)。西部高原地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，位居全國(guó)之首，但礦物資源缺乏[1]，冬季依靠采曖設(shè)備或燃燒生物質(zhì)能（薪柴和動(dòng)物糞便）采暖，長(zhǎng)期消耗不可再生能源加劇了環(huán)境的污染。

本文通過(guò)對(duì)川西高原一處川西藏式鄉(xiāng)土民居進(jìn)行冬季現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與熱環(huán)境測(cè)試，進(jìn)行被動(dòng)式太陽(yáng)能利用改造設(shè)計(jì)和優(yōu)化，擬提出可利用當(dāng)?shù)乜稍偕Y源的方案，以優(yōu)化建筑室內(nèi)熱環(huán)境。

1 川西藏區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑熱環(huán)境測(cè)試概況

1.1 測(cè)試對(duì)象

根據(jù)氣候特點(diǎn)、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(jìn)行實(shí)地測(cè)試。該建筑朝向正南方向，層數(shù)共2層（見(jiàn)圖1）。一層空間用作儲(chǔ)物，二層空間用于居住。南墻、東墻為是木質(zhì)井干式，西墻、北墻為夯實(shí)黏土墻。該建筑平面布局、平面功能、朝向、結(jié)構(gòu)、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(cè)試方案

（1）測(cè)試時(shí)間：測(cè)試時(shí)間為2017 年1 月18 日16：00 至21 日16：00，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)72 h，測(cè)試過(guò)程中天氣晴朗，為川西高原典型冬季氣候。測(cè)試前1 周無(wú)雨雪，未出現(xiàn)川西非典型氣候。數(shù)據(jù)分析擬選取2017 年1 月19 日16：00 至20 日16：00的24 h 測(cè)試數(shù)據(jù)。

（2）室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置：室內(nèi)測(cè)點(diǎn)分別位于廚房、經(jīng)堂和起居室，測(cè)點(diǎn)布置如1（b）所示。儀器均設(shè)置在房間的平面對(duì)角線交點(diǎn)處，距離地面高度為1.5 m，四周無(wú)家具遮擋。廚房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為夯土墻，經(jīng)堂和起居室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為夯土墻和井干式。經(jīng)堂與起居室在東墻和南墻開(kāi)窗較大，經(jīng)堂東、西向墻面基本無(wú)遮擋。因此，以該2 個(gè)房間作為直接受益式進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析。

（3）室外對(duì)照組測(cè)點(diǎn)布置：布置在無(wú)陽(yáng)光直射的背陰處，距離地面高度為1.5 m，測(cè)量室外溫度，以作為室內(nèi)溫度的對(duì)照組。實(shí)測(cè)儀器為AZ-8828 衡欣溫濕度記錄儀，溫度量程范圍-40～85 ℃，準(zhǔn)確度±0.6 ℃（-20～50 ℃）、±1.2 ℃（-40～-20 ℃，50～85 ℃），分辨率0.1 ℃。

1.3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試房間室內(nèi)外溫度見(jiàn)圖2 及表1。

表1 各房間的室內(nèi)、外溫度

由圖2、表1 可知，南向經(jīng)堂與東向客廳在東墻和南墻的開(kāi)窗較大，白天室內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射較多，室內(nèi)最高溫度和平均溫度較高。相反，北向廚房開(kāi)窗面積小，白天室內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射較少，室內(nèi)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(shù)為6.93 W/（m2·K），室內(nèi)溫度易發(fā)生波動(dòng)。例如東向客廳室內(nèi)的白天溫度可高達(dá)10.4 ℃，夜間則低至-1.5 ℃；相反，夯土墻蓄熱性好，蓄熱系數(shù)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(jīng)堂、東向客廳與北向廚房相比圍護(hù)結(jié)構(gòu)與窗墻比不同，蓄熱及散熱能力有差異，所以產(chǎn)生了溫度峰值的滯后現(xiàn)象。室外最低溫度出現(xiàn)在20 日早晨05：00，而東向客廳和南向經(jīng)堂的最低溫度出現(xiàn)在20 日08：00 時(shí)，滯后約3 h，北向廚房的最低溫度出現(xiàn)在20 日上午10：00，滯后約5 h。

因此，可考慮采用被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)解決川西藏區(qū)民居冬季室內(nèi)采暖的問(wèn)題。通過(guò)控制合理的窗墻比，并將夯土結(jié)構(gòu)作為蓄熱體材料使用，從而保證在室內(nèi)達(dá)到適宜溫度的前提下，使室內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。

1.4 川西民居建筑太陽(yáng)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(yáng)輻射強(qiáng)，其所包括的甘孜州、阿壩州、涼山州是四川省乃至我國(guó)的太陽(yáng)能主要分布區(qū)[2]。四川省年平均太陽(yáng)總輻射見(jiàn)圖3。

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

對(duì)于川西高原地區(qū)的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用方面，采用集熱墻與直接受益窗相結(jié)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(huì)因失熱過(guò)多造成室內(nèi)晝夜溫差過(guò)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(guò)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(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將直接受益窗之外的墻體設(shè)為集熱墻，墻上設(shè)置通風(fēng)口，使得房間在白天可通過(guò)直接受益窗和集熱墻的通風(fēng)口采光和得熱，在夜晚通過(guò)利用集熱墻的保溫蓄熱性能，使得室內(nèi)晝夜溫差減小，熱環(huán)境提升。

2 典型建筑優(yōu)化

雖然對(duì)于川西高原地區(qū)的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用方面采用集熱墻與直接受益窗相結(jié)合的方式是極為適合的，但是不同窗墻比對(duì)室內(nèi)溫度影響有差異，窗墻比的大小會(huì)直接影響到建筑受熱與失熱。應(yīng)通過(guò)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(jìn)行太陽(yáng)能集熱墻優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬，對(duì)南向經(jīng)堂進(jìn)行太陽(yáng)能集熱墻優(yōu)化設(shè)計(jì)，暫不考慮其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2.1 直接受益窗與集熱墻結(jié)合式改造示意

對(duì)經(jīng)堂南向外墻進(jìn)行太陽(yáng)能集熱墻優(yōu)化設(shè)計(jì)改造。經(jīng)堂、廚房層高均為3 m，開(kāi)間均為4.8 m，進(jìn)深分別為7.5、5.0 m。圖4、圖5 分別為太陽(yáng)能集熱墻優(yōu)化改造的平面及模擬示意。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)為木質(zhì)的井干式與夯實(shí)黏土，其東、南向墻體使用導(dǎo)熱系數(shù)小的木質(zhì)井干式結(jié)構(gòu)，可以使房間在白天迅速得熱。西、北向墻體使用密實(shí)的夯實(shí)黏土，利于阻擋冬季的西北風(fēng)。透光材料目前使用較為普遍的為普通玻璃。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表2 所示，建筑內(nèi)分隔結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)如表3 所示，外窗3 mm 厚普通單層玻璃的傳熱系數(shù)為4.7 W/（m2·K）、透光率為80%。

表2 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

表3 建筑內(nèi)分隔結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

集熱墻體材料選用當(dāng)?shù)匾子讷@取且蓄熱性強(qiáng)的夯實(shí)黏土，厚度設(shè)為300 mm，密度2000 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)置為0.9[5]。墻體與外層玻璃中的空氣間層厚度設(shè)為150 mm，設(shè)集熱墻墻體通風(fēng)換熱為0.5 次/h[6]。直接受益窗部分玻璃材質(zhì)不變，為3 mm 厚傳熱系數(shù)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(jié)合式太陽(yáng)能利用改造

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能方面起到至關(guān)重要的作用，尤其是外窗的能耗散失比例達(dá)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(nèi)適度選擇[9]。該建筑二層的層高為3 m，經(jīng)堂、廚房的開(kāi)間均4.8 m，進(jìn)深分別為7.5、5.0 m。根據(jù)JGJ 26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求可知，窗墻比取值范圍應(yīng)為0.4～0.6。故進(jìn)行模擬時(shí)直接受益窗和集熱墻的窗墻比取值范圍設(shè)置應(yīng)稍大一些，取值范圍為0.3～0.7。

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

表4 模擬房間的室內(nèi)溫度

由圖6（a）和表4 可知，隨窗墻比的增大，南向房間（經(jīng)堂）的室內(nèi)平均溫度不斷升高，且增幅穩(wěn)定。室內(nèi)最高溫度出現(xiàn)于下午15：00，且隨窗墻比的增大而不斷升高；最低溫度出現(xiàn)在凌晨05：00，且基本穩(wěn)定在5 ℃以上。這是因?yàn)殡S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(nèi)吸收的熱量增加，溫度呈升高趨勢(shì)；且夜間因集熱墻墻體的材料特性，重質(zhì)夯實(shí)黏土的蓄熱性能較好，所以夜間失熱較少，不會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)溫度過(guò)低的現(xiàn)象。但結(jié)合平均溫度來(lái)看，窗墻比的增大對(duì)室內(nèi)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(nèi)溫度波幅會(huì)隨著窗墻比的增大而不斷增長(zhǎng)。尤其體現(xiàn)在12：00～18：00 太陽(yáng)輻射較為強(qiáng)烈的時(shí)間段，因該時(shí)間段建筑南面受太陽(yáng)輻射較多，隨著南向直接受益窗面積的增加，透過(guò)窗戶照進(jìn)室內(nèi)的陽(yáng)光也不斷增加，導(dǎo)致室內(nèi)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(jīng)堂）內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)在凌晨05：00。雖然北向房間室內(nèi)在白天沒(méi)有受到直接太陽(yáng)輻射，但夜間最低溫度與南向房間內(nèi)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(zhǎng)幅度在0.1～0.2 ℃浮動(dòng)，北向房間室內(nèi)溫度波動(dòng)振幅比南向房間室內(nèi)溫度波動(dòng)振幅小約1/2。

綜上所述，川西高原鄉(xiāng)土民居進(jìn)行集熱墻式的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用，推薦選用窗墻比為0.7 的集熱墻模式。因?yàn)?，?dāng)窗墻比為0.7 時(shí)，南向房間內(nèi)平均溫度達(dá)到最高，且相對(duì)于窗墻比為0.3 時(shí)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(wú)輔助熱源的條件下室內(nèi)溫差不大于10 ℃的要求。該情況下，北向房間內(nèi)平均溫度也可達(dá)到最高，且相對(duì)于窗墻比為0.3 時(shí)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(wú)輔助熱源的條件下室內(nèi)溫差不大于10 ℃的要求。

根據(jù)DB 51/5027—2019 要求，當(dāng)嚴(yán)寒地區(qū)建筑層數(shù)≤3層時(shí)，外墻傳熱系數(shù)值應(yīng)≤0.35 W/（m2·K），樓板傳熱系數(shù)值應(yīng)≤0.30 W/（m2·K）。在本次模擬分析中，當(dāng)南向陽(yáng)光間窗墻比為0.7 時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境最優(yōu)，但室內(nèi)平均溫度只有9.1 ℃。依據(jù)祁清華[2]得出的川西高原地區(qū)室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為日平均溫度不低于14 ℃的結(jié)論，該條件下，室內(nèi)熱環(huán)境仍未達(dá)到室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)，所以應(yīng)在對(duì)集熱墻優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)川西地區(qū)居住建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作出進(jìn)一步優(yōu)化。

2.4 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)是基于建筑熱工學(xué)基本原理，以材料的物性參數(shù)、室外氣候條件及室內(nèi)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為輸入條件，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)以使其熱工性能可以符合相關(guān)規(guī)范要求的系列方法[8]。根據(jù)DB 51/5027—2019 四川省居住建筑節(jié)能65%的要求，對(duì)建筑二層外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的熱工參數(shù)如表5 所示。

表5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的熱工參數(shù)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，使得二層?xùn)|向、西向與北向墻體和二層樓板的傳熱系數(shù)均符合DB 51/5027—2019 中的規(guī)定。

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

表6 優(yōu)化后房間的室內(nèi)溫度

由表6、圖7（a）可見(jiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，隨著窗墻比的增大，南向房間（經(jīng)堂）室內(nèi)最高溫度、最低溫度和平均溫度隨之升高，但增長(zhǎng)幅度呈逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)窗墻比為0.7 時(shí)，全天平均溫度可達(dá)到15.3 ℃。雖然溫度波動(dòng)幅度到達(dá)11.6 ℃，但結(jié)合最高、最低溫度來(lái)看，白天最高溫度可達(dá)到20 ℃，夜間最低溫度也在10 ℃以上，其室內(nèi)熱環(huán)境較好。

由表6、圖7（b）可見(jiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)后，隨著南向房間窗墻比越大，北向房間（廚房）室內(nèi)最高溫度、最低溫度和平均溫度升高，且增長(zhǎng)幅度基本不變。當(dāng)南向房間窗墻比為0.7時(shí)，其室內(nèi)平均溫度可達(dá)到11.0 ℃，白天最高溫度達(dá)到13.5℃，夜間最低溫度8.8 ℃，溫度波動(dòng)幅度為4.7 ℃。

3 結(jié)論

（1）川西甘孜州太陽(yáng)能豐富，利用太陽(yáng)能改善當(dāng)?shù)孛窬咏ㄖ覂?nèi)熱環(huán)境具有可行性。

（2）川西藏區(qū)當(dāng)?shù)亟ㄖ牧虾粚?shí)黏土蓄熱性能強(qiáng)，可以較好地補(bǔ)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(jié)合的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用模式，適合用于改善當(dāng)?shù)孛窬咏ㄖ覂?nèi)熱環(huán)境。該方式可以通過(guò)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)化從而提高室內(nèi)冬季溫度，解決晝夜溫差過(guò)大的問(wèn)題。

（3）在直接受益窗與集熱墻結(jié)合的太陽(yáng)能利用形式中，當(dāng)窗墻比為0.7 時(shí)，南北向房間平均溫度、最高溫度及北向房間最低溫度達(dá)到最大值，其室內(nèi)熱舒適度最高。建議先前標(biāo)準(zhǔn)[8-9]中窗墻比取值范圍可由0.4～0.6 擴(kuò)大為0.4～0.7。

（4）選擇現(xiàn)代的新型保溫材料代替當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)材料作為川西高原鄉(xiāng)土民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效優(yōu)化當(dāng)?shù)鼐用袷覂?nèi)熱環(huán)境，改善當(dāng)?shù)孛窬颖粍?dòng)式太陽(yáng)能利用效果。