自然運行下鄉(xiāng)村太陽能建筑熱工參數(shù)對室內(nèi)空氣溫度的影響

桑國臣，韓　艷，朱軼韻，黃　鑫，趙　欽

(西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048)

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自然運行下鄉(xiāng)村太陽能建筑熱工參數(shù)對室內(nèi)空氣溫度的影響

桑國臣，韓艷，朱軼韻，黃鑫，趙欽

(西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048)

我國西北地區(qū)太陽能資源豐富，但傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑的太陽能熱利用效率并不理想。以寧夏中衛(wèi)地區(qū)的氣候特征和鄉(xiāng)村建筑模型為例，采用調(diào)研測試與建筑熱平衡分析相結(jié)合的方法，揭示了自然運行條件下鄉(xiāng)村太陽能建筑的構(gòu)造參數(shù)對冬季室內(nèi)空氣溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，建筑的南向窗墻面積比、外墻傳熱系數(shù)對冬季室內(nèi)溫度影響顯著，而外窗的構(gòu)造及熱工參數(shù)影響較小。南向窗墻面積比由0.30增大至0.55時，采暖期室內(nèi)平均溫度可提高35.9%，最冷月室內(nèi)平均溫度可提高153.3%。南向窗墻面積比為0.5時，采用SI-3型夾芯保溫構(gòu)造墻體，自然運行條件下，采暖期平均室內(nèi)溫度可達10.2℃，1月份室內(nèi)平均溫度可達5.2℃。研究結(jié)果可為西北鄉(xiāng)村太陽能采暖建筑構(gòu)造優(yōu)化及室內(nèi)熱環(huán)境改善提供理論參考。

寧夏地區(qū)；鄉(xiāng)村太陽能建筑；自然運行；室內(nèi)溫度；熱工參數(shù)

我國太陽能資源豐富，但分布并不均衡，其中西北大部分地區(qū)屬于太陽輻射資源豐富區(qū)，年均總輻射值在4 200 MJ/(m2·a)以上，年均日照時數(shù)在2 500 h以上[1-2]。但是西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟發(fā)展滯后。發(fā)展太陽能采暖鄉(xiāng)村建筑，對于解決采暖用能與生態(tài)保護之間的矛盾具有積極的作用[3]。寧夏自治區(qū)中衛(wèi)地區(qū)位于西北腹地，處于寧、甘、蒙三省區(qū)交匯地帶，其氣候特征與民居形式均具有西北地區(qū)的代表性[4]。該地區(qū)采暖期長達137天，平均氣溫為-0.5 ℃，相對濕度約為30%[5]，水汽含量少，大氣透明度較高，因而日照強烈，年平均日照時數(shù)可達3 796 h以上，年累計太陽輻射總量達5 893 MJ/m2[1]。豐富的太陽能資源為當?shù)剜l(xiāng)村民居冬季采暖提供了必要的能源條件，但由于傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑缺乏科學的熱工設(shè)計，太陽能熱利用效果不十分理想。

本文以該地區(qū)典型的鄉(xiāng)村建筑作為研究對象，分析自然運行條件下圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對采暖期室內(nèi)溫度的影響規(guī)律，探索鄉(xiāng)村節(jié)能建筑構(gòu)造優(yōu)化及室內(nèi)熱環(huán)境改善的有效途徑。

1　典型建筑參數(shù)與室內(nèi)熱狀況

課題組通過對寧夏中衛(wèi)地區(qū)鄉(xiāng)村建筑實地調(diào)研，獲取了當?shù)氐湫袜l(xiāng)村建筑的基本特征參數(shù)，見表1。

表1　典型建筑基本特征參數(shù)

該地區(qū)的典型建筑為南北朝向，東西軸線長、南北軸線短，外墻為370 mm實心粘土磚且外貼灰白色墻磚，屋頂為雙面掛瓦坡屋頂，建筑僅南向開窗，且普遍采用鋁合金單玻推拉窗。典型建筑的特征參數(shù)表明，該地區(qū)鄉(xiāng)村建筑已經(jīng)融合了一些對太陽能熱利用的思想和手段。

為探究典型建筑的太陽能熱利用效果，課題組選取了一棟代表性建筑，于2015年1月17日對其進行室內(nèi)熱環(huán)境測試，測試期間無輔助熱源采暖，測試時間為24小時持續(xù)測試，典型建筑南立面圖及測試結(jié)果分別見圖1和圖2。

圖1　典型鄉(xiāng)村建筑南立面Fig.1　The south elevation of typical rural building

圖2　室內(nèi)溫濕度測試值Fig.2　Test values of indoor temperature and humidity

由圖2可知，室內(nèi)相對濕度適中，平均值為38.0%，但室內(nèi)溫度較低，平均值僅為2.1 ℃。當?shù)孛窬幼匀贿\行狀態(tài)下冬季采暖期室內(nèi)熱狀況較差，表明建筑的被動式集熱效果并不理想。

2　室內(nèi)溫度影響因素分析

2.1圍護結(jié)構(gòu)傳熱的外邊界條件

建筑所受到的室外熱作用是室外空氣溫度、太陽直射輻射、天空散射輻射、地面反射輻射及有效長波輻射散熱作用的綜合作用。由于太陽直射輻射具有朝向不均衡特點，與一般內(nèi)陸地區(qū)相比，太陽輻照度較高的寧夏中衛(wèi)地區(qū)[1,4]，室外熱作用的朝向差異性更為顯著。

因此采用“室外綜合溫度tsa”作為圍護結(jié)構(gòu)傳熱分析的外邊界條件[6-8]，能夠更準確地反映出室外熱環(huán)境對建筑的綜合作用特征。

根據(jù)文獻[7]、[8]計算不同朝向室外綜合溫度，見式(1)。

(1)

式中,qe為外表面有效長波輻射熱量；圍護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù)ρs取0.74[7]；外表面換熱系數(shù)αe取23.0 W/(m2·K)[7]；qS、qR分別為圍護結(jié)構(gòu)外表面所吸收的地面反射輻射熱量和太陽輻射熱量(W/m2)。

根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)[1]，計算出寧夏中衛(wèi)地區(qū)采暖期不同朝向圍護結(jié)構(gòu)室外綜合溫度、室外空氣溫度平均值和集熱面日平均太陽輻射強度，結(jié)果見表2。

從表2可見，不同朝向室外綜合溫度平均值有所不同，其中水平面由于長波輻射較大，溫度值最低；垂直面中南向最高，北向最低，東向和西向介于南向與北向之間。

表2　寧夏中衛(wèi)地區(qū)采暖期室外溫度與太陽輻射強度平均值

2.2室內(nèi)溫度影響因素分析

直接受益式太陽能建筑，在自然運行狀態(tài)下的熱平衡方程[9-10]見式(2)。

(2)

式中，qCC為單位建筑面積直接受益窗集熱量(W/m2)；qI·H為單位建筑面積的建筑物內(nèi)部得熱(包括炊事、照明、家電和人體散熱)，取3.80(W/m2)；qH·T為單位建筑面積通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量(W/m2)；qINF為單位建筑面積的空氣滲透耗熱量(W/m2)。

(3)

式中，Imvs為南立面日平均總輻射量(W/m2)；τmvs為通過玻璃和投射在南立面上的日平均輻射量的比值[9-10]；αa為透過玻璃后被集熱系統(tǒng)吸收的和透過玻璃的日平均輻射量的比值[9-10]；Ag為玻璃窗(包括玻璃和窗框)的面積(m2)；Xm為玻璃窗的有效透光面積系數(shù)[9-10]。

式(2)中的qH·T可由下式計算：

(4)

式中，qHq、qHw、qHd和qHmc分別為折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過墻、屋面、地面和門窗的傳熱量(W/m2)。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，tn、te和tsa分別為室內(nèi)、室外空氣溫度平均值和各朝向立面所對應(yīng)的室外空氣綜合溫度值(℃);tsaL為水平面室外空氣綜合溫度值(℃)；i為各外墻及門窗的編號；m和k分別為外墻及門窗的總數(shù)；KqiFqi、KwFw、KdFd和KmciFmci分別為外墻、屋面、地面和門窗的傳熱系數(shù)與其對應(yīng)面積的乘積；A0為建筑面積(m2)。

(9)

式中，cp為干空氣的定壓質(zhì)量比熱容,本文取cp=0.28 W·h/(kg·K)[5,7]；室外溫度下的空氣密度ρ=353/(te+273)(kg/m3)[7]；換氣次數(shù)N取0.5(1/h)[5]；V為換氣體積(m3)。

由公式(2)～(9)，可推出室內(nèi)空氣溫度計算公式為：

(10)

由式(10)可知，當室外熱環(huán)境確定后，特定建筑模型的室內(nèi)溫度主要受南向窗墻面積比、外墻傳熱系數(shù)、外窗的類型及傳熱系數(shù)等多種因素影響。

3　圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1南向窗墻面積比

南向外窗是直接受益式太陽能建筑的重要集熱部件，并且室內(nèi)平均溫度隨窗墻面積比的增大而提高，但對于不同地區(qū)和不同建筑模型，室內(nèi)平均溫度隨窗墻比的變化趨勢會有所差別。對于寧夏地區(qū)典型建筑，當外墻采用370 mm厚粘土磚墻體，屋頂采用傳熱系數(shù)為0.4 W/(m2·K)的保溫構(gòu)造屋頂，南向外窗采用鋁合金單玻窗時，自然運行條件下冬季室內(nèi)平均溫度隨窗墻面積比的變化如圖3所示。

由圖3可見，當窗墻比由0.30增大至0.55時，采暖期(11月15日至次年3月31日)室內(nèi)平均溫度由6.4 ℃增加到8.7 ℃，提高了35.9%，最冷月(1月)室內(nèi)平均溫度由1.5 ℃增加到3.8 ℃，提高了153.3%，增加南向窗墻面積比是提高寧夏中衛(wèi)地區(qū)太陽能建筑室內(nèi)溫度的有效途徑。但同時由于太陽輻射的周期性特點，隨窗墻面積比的增大，室內(nèi)溫度波動也隨之增大[6]。文獻[2]對直接受益式太陽能采暖建筑的南向窗墻面積比下限值的規(guī)定，本文采用0.50的南向窗墻面積比，進行后續(xù)分析。

3.2外墻構(gòu)造與傳熱系數(shù)

作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的主體部分，外墻的傳熱系數(shù)對建筑熱損失及室內(nèi)溫度具有顯著影響[6]。外墻的傳熱系數(shù)取決于墻體構(gòu)造種類和構(gòu)成材料，而墻體的構(gòu)造方式和構(gòu)成材料與當?shù)氐募夹g(shù)經(jīng)濟條件和材料資源狀況密切相關(guān)。寧夏中衛(wèi)地區(qū)鄉(xiāng)村建筑外墻多采用粘土磚、灰砂磚以及多孔磚自保溫墻體(Self thermal insulation wall,即“STI”)，少量新建建筑采用了夾芯保溫構(gòu)造墻體(Sandwich insulation wall,即“SI”)。課題組通過對該地區(qū)墻體構(gòu)造方式和墻材資源情況的調(diào)研，確定以下六種代表性墻體構(gòu)造類型及熱工參數(shù)，見表3。

表3　墻體構(gòu)造組成及熱工參數(shù)

注：①墻體內(nèi)表面換熱阻取0.11(m2·K)/W，外表面換熱阻取0.04(m2·K)/W，保溫層導熱系數(shù)修正系數(shù)取1.1[11]；②墻體材料的熱工參數(shù)根據(jù)文獻[7]、[12]確定。

根據(jù)式(10)，分析表3中的六種代表性構(gòu)造墻體對典型建筑模型冬季室內(nèi)溫度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　墻體構(gòu)造與傳熱系數(shù)對室內(nèi)平均溫度的影響Fig.4　Effect of external wall configuration and heat transfer coefficient on average indoor temperature

從圖4可看出，室內(nèi)平均溫度隨外墻傳熱系數(shù)的減小而明顯提高。傳熱系數(shù)為0.67 W/(m2·K)的SI-3型夾芯保溫構(gòu)造墻體相比STI-2型灰砂磚墻體傳熱系數(shù)降低了64.6%，采暖期平均室內(nèi)溫度提高了32.5%，達到10.2 ℃，1月份室內(nèi)平均溫度提高了85.7%，達到5.2 ℃。圖4中的數(shù)據(jù)表明，外墻傳熱系數(shù)降低對室內(nèi)溫度提高具有顯著影響，當采用SI-3型節(jié)能構(gòu)造外墻時，在自然運行條件下該地區(qū)典型建筑采暖期室內(nèi)平均溫度可達10 ℃以上，已接近農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適的下限值[5]。

3.3外窗類型與傳熱系數(shù)

南向外窗既是太陽能建筑的日間集熱部件，也是主要的夜間失熱部件。南向集熱窗的凈得熱量大小，取決于當?shù)氐奶栞椛鋸姸扰c室內(nèi)外的溫度差兩個主要因素。針對寧夏中衛(wèi)地區(qū)的室外氣象條件，本文選擇四種常規(guī)的外窗(見表4)分析其對室內(nèi)溫度的影響。在南向窗墻面積比為0.5，外墻采用傳熱系數(shù)為0.67 W/(m2·K)的SI-3型節(jié)能構(gòu)造墻體時，四種外窗對典型建筑采暖期室內(nèi)平均溫度的影響見圖5。

表4　外窗類型及其熱工參數(shù)[10-11]

圖5　外窗對采暖期室內(nèi)平均溫度的影響Fig.5　Effect of external window on the average indoor temperature in the heating period

由圖5可見，采暖期室內(nèi)平均溫度與外窗的類型有一定的相關(guān)性，不同熱工參數(shù)與構(gòu)造的外窗對室內(nèi)溫度具有一定的影響，但影響效果較小。采用鋁合金單框雙玻窗僅比鋁合金單玻窗提高了0.4 ℃，塑料單框雙玻窗也僅比塑料單玻窗提高了0.2 ℃。其原因在于，雖然相同框材的雙玻窗比單玻窗傳熱系數(shù)小，但是雙玻窗的透過系數(shù)卻小于單玻窗(見表4)。當采用導熱系數(shù)低的塑料框材替代鋁合金框材時，對應(yīng)的單玻窗和雙玻窗集熱量均有所增加，單玻窗室內(nèi)平均溫度提高了0.4 ℃，雙玻窗室內(nèi)平均溫度提高了0.2 ℃。因此，對于常規(guī)類型外窗，在寧夏中衛(wèi)地區(qū)氣候條件下，外窗構(gòu)造方式與熱工參數(shù)對太陽能建筑室內(nèi)溫度影響較小。

4　結(jié)　論

1)在自然運行條件下，太陽能采暖建筑冬季室內(nèi)平均溫度主要受南向窗墻面積比、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響，受外窗傳熱系數(shù)的影響較小。

2)增大南向窗墻比是提高寧夏中衛(wèi)地區(qū)太陽能建筑冬季室內(nèi)平均溫度的有效途徑，當窗墻比由0.30增大至0.55時，采暖期室內(nèi)平均溫度可提高35.9%，最冷月(1月)室內(nèi)平均溫度可提高153.3%。

3)采用低傳熱系數(shù)的夾芯保溫構(gòu)造外墻對室內(nèi)溫度提高影響顯著。自然運行條件下，南向窗墻面積比為0.5的典型建筑模型，采用SI-3型夾芯保溫構(gòu)造墻體替代STI-2型灰砂磚墻體，采暖期平均室內(nèi)溫度提高32.5%，達到10.2 ℃，元月份室內(nèi)平均溫度提高85.7%，達到5.2 ℃。

4)對于常規(guī)種類外窗，在寧夏中衛(wèi)地區(qū)氣候條件下，采暖期室內(nèi)平均溫度受外窗構(gòu)造方式與熱工參數(shù)的影響較小。

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(責任編輯楊小麗)

Effect of thermal parameters of rural solar buildings on indoor air temperature under natural operating conditions

SANG Guochen,HAN Yan,ZHU Yiyun,HUANG Xin,ZHAO Qin

(School of Civil Engineering and Architecture,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Northwest China has abundant solar energy,which,however,is utilized inefficiently in the traditional rural building.Combination of investigation and thermal balance analysis is implemented in the paper based on the climate characteristics and rural building model in Zhongwei,Ningxia,to reveal the influence of the construction parameters on the indoor temperature.The survey results indicate that the south window-wall ration and heat transfer coefficient of exterior wall have prominent effect on the indoor temperature,whilst the construction and thermal parameter of exterior window have slight effect.There is an upward trend with the south window-wall radio from 0.30 to 0.55,the average indoor temperature during heating period and the coldest month would rise by 35.9% and 153.3%.The average indoor temperature during heat period reached 10.2℃,when SI-3 sandwich insulation wall was applied and south window-wall ratio was 0.50.The results obtained from this study could provide theoretical reference for the improvement of indoor thermal environment and envelope optimization in the rural area in northwest of China.

Ningxia Area; rural solar building; natural operation; indoor temperature; thermal parameters

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.006

2015-10-15

國家自然科學基金資助項目(51278419)；陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(社發(fā)攻關(guān))(2012K12-04-01)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(2013JK0945)

桑國臣，男，博士，副教授，研究方向為建筑節(jié)能與節(jié)能材料。E-mail:sangguochen@xaut.edu.cn

TU111.4+5

A

1006-4710(2016)01-0030-05