陳 潔，楊 柳，羅智星

(西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

我國(guó)建筑能耗約占總能耗的30%，其中用于控制室內(nèi)熱環(huán)境和空氣質(zhì)量的采暖、通風(fēng)和空調(diào)能耗是建筑運(yùn)行階段能源消耗的主要組成部分，通過(guò)提高設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行效率，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射得熱及保溫隔熱性能是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的基本方法.隨著生活水平與城市化水平的不斷提高，夏季高溫地區(qū)空調(diào)能耗持續(xù)增加.吐魯番地區(qū)降雨量低蒸發(fā)量高，屬于典型大陸性干旱荒漠氣候，夏季極端干燥炎熱，見(jiàn)圖1，最高溫度47.7 ℃，最熱月平均溫度32.7 ℃，空調(diào)度日數(shù)CDD26高達(dá)579 ℃·d，是我國(guó)除海島以外降溫需求最高的地區(qū).夏季不保證率為2.5%的太陽(yáng)輻射日均累計(jì)值為8 697 W/m2，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈[1]，室內(nèi)熱環(huán)境存在過(guò)熱、干燥和氣悶等問(wèn)題[2].如何通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能改善室內(nèi)熱環(huán)境，特別是在極端氣候地區(qū)，亟需針對(duì)干熱氣候特征的圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)方法.

室內(nèi)熱環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的熱平衡過(guò)程，被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)方法基于室外氣象條件優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使得衰減和延遲后的自然室溫接近人體熱舒適范圍[3]，在選取不同承重結(jié)構(gòu)與保溫隔熱層材料與厚度組合研究中，主要有保溫隔熱層厚度優(yōu)化與圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)傳熱性能數(shù)值研究[4]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能臨界值及相對(duì)位置對(duì)建筑冷熱負(fù)荷的影響研究[5]，以及熱惰性指標(biāo)與構(gòu)造方式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的影響研究[6]，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱被認(rèn)為是有利于建筑節(jié)能和調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境[7]，內(nèi)部蓄熱體雖然不承受室外氣候波動(dòng)，但因其體積占比大對(duì)室內(nèi)環(huán)境作用顯著[8].文獻(xiàn)[9]認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的作用本質(zhì)上取決于熱流的時(shí)間變化，并且室外氣溫和太陽(yáng)輻射的周期性是最具決定性的因素之一.文獻(xiàn)[10]結(jié)合室外熱作用朝向差異對(duì)外墻失熱量進(jìn)行分析，認(rèn)為采用墻體傳熱系數(shù)朝向差異化設(shè)計(jì)可減少墻材用量，且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越高的地區(qū)節(jié)材性越明顯.在吐魯番地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季受到較高的室外氣溫和強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射雙重作用，建筑各朝向受到太陽(yáng)輻射存在差異，單一的隔熱設(shè)計(jì)將造成室內(nèi)非均勻熱環(huán)境從而降低室內(nèi)人體熱舒適感[11].

針對(duì)吐魯番地區(qū)夏季極端高溫與太陽(yáng)輻射周期性強(qiáng)烈變化的氣候特征，本文對(duì)吐魯番居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)，以雙向非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，通過(guò)數(shù)值模擬方法，分析了太陽(yáng)輻射朝向差異作用下內(nèi)外蓄熱體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，提出室外綜合溫度朝向差異的建筑墻體熱工設(shè)計(jì)方法，為該地區(qū)建筑節(jié)能與熱工設(shè)計(jì)提供參考.

圖1 吐魯番夏季日均干球溫度、日均相對(duì)濕度Fig.1 Dry bulb temperature and relative humidity in Turpan in summer

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度

1.1 室外綜合溫度

在室外綜合溫度的作用下，通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)大量傳熱，《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)中室外綜合溫度計(jì)算由室外氣溫增加太陽(yáng)輻射的等效溫度值[12].

(1)

式中:tsa為室外綜合溫度，℃；te為室外空氣溫度，℃； 為投射到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻射照度，W/m2；ρs為外表面的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；αe為外表面換熱系數(shù)，W/(m2·K).熱工標(biāo)準(zhǔn)中建筑隔熱設(shè)計(jì)以圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度為目標(biāo)，控制外墻傳熱性能.外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面受到日曬時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在差異，在諧波作用下的周期性傳熱過(guò)程中，傳熱量與材料和材料層的蓄熱系數(shù)及材料層的熱惰性有關(guān).因此，考慮室外溫度諧波和室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面時(shí)的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間，提出計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)在熱阻及朝向差異下的內(nèi)表面溫度.

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度計(jì)算

室外計(jì)算參數(shù)值為歷年最高日平均溫度中的最大值所在日的室外溫度逐時(shí)值，以及各朝向室外太陽(yáng)輻射逐時(shí)值，計(jì)算各個(gè)朝向室外綜合溫度.通過(guò)設(shè)置外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱層厚度，計(jì)算自然通風(fēng)狀態(tài)下吐魯番地區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，室內(nèi)外空氣平均溫度分別為37.13 ℃、35.63 ℃，外表面放熱系數(shù)19 W/(m2·K)，太陽(yáng)輻射吸收系數(shù) 0.7，內(nèi)表面放熱系數(shù)8.7 W/(m2·K)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能見(jiàn)表1，其總熱阻分別為 0.131 m2·K/W(工況一)、0.845 m2·K/W(工況二)、2.511 m2·K/W(工況三)，熱惰性指標(biāo)分別為 2.081(工況一)、2.335(工況二)、2.917(工況三).

表1 墻體構(gòu)造及熱物理性能

圖2 室外綜合溫度Fig.2 Sol-Air temperature for each orientation

通過(guò)圖2可以看出，不同朝向的室外綜合溫度最高值分別為63.52 ℃(東側(cè))、62.13 ℃(西側(cè))、66.35 ℃(南側(cè))、52.03 ℃(北側(cè))，東西向溫差最小，南北向溫差最大，溫差范圍為1.39～14.32 ℃.峰值出現(xiàn)的時(shí)間差異較大，其中東西向時(shí)差達(dá)到5 h.通過(guò)圖3可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減和延遲作用使得各個(gè)朝向的內(nèi)表面溫度差異減小，隨著熱阻增加，各朝向溫差范圍分別為0.21～2.36 ℃(工況一)、0～0.55 ℃(工況二)、0～0.2 ℃(工況三)，在吐魯番地區(qū)當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻小于0.85 m2·K/W時(shí)，朝向差異對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度影響顯著，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)不同朝向提出相應(yīng)的熱工性能要求.當(dāng)熱阻增加2.38 m2·K/W，各個(gè)朝向峰值降低分別為東側(cè)4.13 ℃、西側(cè)3.75 ℃、南側(cè)4.91 ℃，北側(cè)2.75 ℃，因此，在吐魯番地區(qū)對(duì)南向、東向圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高熱阻值可以更經(jīng)濟(jì)有效的改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境.

圖3 不同外墻熱阻工況的內(nèi)表面逐時(shí)溫度Fig.3 The influence of thermal resistance value of external wall on internal surface temperature

2 室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象

選取吐魯番地區(qū)某二層居住建筑進(jìn)行夏季室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試，測(cè)試對(duì)象處于自然運(yùn)行狀態(tài)無(wú)主動(dòng)式調(diào)溫措施，建筑面積200.1 m2，層高3.5 m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體傳熱系數(shù)0.60 W/(m2·K)，蓄熱指標(biāo)D值為5.60，外墻內(nèi)表面溫度經(jīng)計(jì)算最高41.92 ℃，滿(mǎn)足熱工標(biāo)準(zhǔn)隔熱設(shè)計(jì)要求.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，測(cè)試儀器的布置依據(jù)《建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T347-2014[13]，如圖4所示，測(cè)試儀器性能見(jiàn)表2.

表2 測(cè)試儀器性能參數(shù)

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

選取夏季最高溫時(shí)段7月26至8月3日進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試，由于篇幅所限對(duì)7月27日至7月28日連續(xù)48 h數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示.

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of measuring points

圖5 7月27-7月28日室內(nèi)熱環(huán)境Fig.5 July 27-July 28 indoor thermal environment

吐魯番地區(qū)中性溫度為30.1 ℃，80%可接受溫度上限為33.8 ℃，[14]當(dāng)濕度低于30%會(huì)引起人體熱感覺(jué)的不滿(mǎn)[15]，通過(guò)分別計(jì)算滿(mǎn)足熱舒適溫度和濕度的時(shí)間比對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)測(cè)建筑夏季室內(nèi)干球溫度32.6～37.2 ℃，相對(duì)濕度14%～35%，滿(mǎn)足熱舒適溫度上限時(shí)間比為15.8%，達(dá)到濕度范圍的時(shí)間比為22.1%.可見(jiàn)以滿(mǎn)足圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工標(biāo)準(zhǔn)為隔熱設(shè)計(jì)要求仍難以達(dá)到室內(nèi)熱舒適的需求，這是因?yàn)闊峁?biāo)準(zhǔn)以夏季室外空氣溫度最高值為參考對(duì)象，而吐魯番地區(qū)夏季極端高溫，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)過(guò)于寬松.值得注意的是各朝向內(nèi)表面溫度實(shí)測(cè)值差異明顯高于計(jì)算值，原因可能是窗墻比差異對(duì)非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，另外計(jì)算值未考慮室內(nèi)蓄熱體的熱作用，為分析室內(nèi)蓄熱體對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的影響，建立數(shù)值模擬模型進(jìn)行比較分析.

3 模擬與分析

3.1 模型設(shè)置

以實(shí)測(cè)建筑建立幾何模型，通過(guò)集成化建筑性能分析軟件IES對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱進(jìn)行模擬分析，構(gòu)造形式及其熱工性能見(jiàn)表3，通過(guò)變量控制內(nèi)蓄熱熱惰性分別為0.93、3.73、7.47三種工況下分別計(jì)算各朝向的內(nèi)表面溫度.

表3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及物理性能參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算可行性，在24 h周期內(nèi)，實(shí)測(cè)溫度均值與模擬計(jì)算均值分別為為37.27 ℃、37.33 ℃，變化趨勢(shì)一致，逐時(shí)溫差最大為1.47℃，均方根誤差為0.74，其結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)證IES能夠?qū)κ覂?nèi)熱環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè).

圖6 不同內(nèi)蓄熱工況的外墻內(nèi)表面溫度Fig.6 The effect of internal regenerator on internal surface temperature

由圖6可見(jiàn)，室內(nèi)蓄熱狀況對(duì)熱環(huán)境產(chǎn)生影響，當(dāng)內(nèi)蓄熱體的熱惰性由0.34增加到3.76時(shí)，溫度增加0.18～0.59 ℃，但當(dāng)熱惰性增加至7.47時(shí)，溫度增加-0.01～0.47 ℃，可見(jiàn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度并不與內(nèi)蓄熱體熱惰性線(xiàn)性相關(guān).室內(nèi)低蓄熱狀況下外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度均較低，并且室內(nèi)蓄熱程度對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度影響幅度存在朝向差異，北側(cè)變化幅度高于其他方向，在室內(nèi)空間劃分時(shí)，應(yīng)注意北側(cè)內(nèi)蓄熱體對(duì)夏季降溫的有利作用.西側(cè)和東側(cè)變化趨勢(shì)存在晝夜差異，也就是說(shuō)，控制室內(nèi)較低蓄熱有利于改善低溫時(shí)段室內(nèi)熱環(huán)境.

4 結(jié)論

1)通過(guò)夏季室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試表明吐魯番地區(qū)夏季室內(nèi)溫度偏高，相對(duì)濕度較低，熱工標(biāo)準(zhǔn)隔熱設(shè)計(jì)要求很難滿(mǎn)足室內(nèi)熱舒適需求，80%熱舒適上限達(dá)標(biāo)時(shí)間比為15.8%，滿(mǎn)足濕度要求的時(shí)間比為22.1%，室內(nèi)熱環(huán)境仍亟待改善.

2)利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻提高隔熱性能的方法在不同朝向下存在差異，在吐魯番地區(qū)當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻小于0.85 m2·K/W時(shí)，朝向差異對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度影響顯著，對(duì)南向和東向圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高熱阻值可以更經(jīng)濟(jì)有效的改善室內(nèi)熱環(huán)境.

3)可通過(guò)控制室內(nèi)蓄熱改善室內(nèi)熱環(huán)境，但降溫潛力不與室內(nèi)蓄熱值線(xiàn)性相關(guān).在吐魯番地區(qū)進(jìn)行空間劃分時(shí)，降低室內(nèi)蓄熱對(duì)北側(cè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度降低幅度最高，對(duì)于東側(cè)、西側(cè)僅在夜間低溫時(shí)段有效.