被動(dòng)式太陽(yáng)房的熱作用優(yōu)化

劉大龍，趙輝輝，桑國(guó)臣

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

2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

被動(dòng)式太陽(yáng)房的熱作用優(yōu)化

劉大龍1，趙輝輝1，桑國(guó)臣2

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

2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

為研究改善被動(dòng)式太陽(yáng)房熱效應(yīng)的措施，針對(duì)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射吸收系數(shù)和增設(shè)保溫層2種常用措施，以非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理計(jì)算被動(dòng)式太陽(yáng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量強(qiáng)度來(lái)對(duì)比2項(xiàng)措施熱作用的優(yōu)劣。以拉薩民居為例計(jì)算發(fā)現(xiàn)：提高輻射吸收系數(shù)的日間得熱效果顯著，而增設(shè)保溫層可提高建筑整體熱穩(wěn)定性；2種措施的優(yōu)化組成可有效提高被動(dòng)太陽(yáng)房整體熱效應(yīng)，在設(shè)置適當(dāng)?shù)谋貙雍穸鹊那闆r下盡可能提高墻體輻射吸收系數(shù)。

輻射吸收系數(shù)；保溫；被動(dòng)式太陽(yáng)房；熱效應(yīng)

0 引言

被動(dòng)式太陽(yáng)房是建筑利用太陽(yáng)能可再生資源，節(jié)約化石能源的有效措施[1-2]。如何提高太陽(yáng)輻射的熱效應(yīng)是被動(dòng)式太陽(yáng)房研究的主要問(wèn)題。優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面輻射吸收率可以增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射吸收能力，使墻體蓄存更多熱量；提高被動(dòng)式太陽(yáng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能可減少室內(nèi)熱量損失，延長(zhǎng)輻射熱作用時(shí)間[3]。當(dāng)提高墻體保溫性，特別是采用外保溫構(gòu)造后，由于常用輕質(zhì)保溫材料的蓄熱性和熱惰性差，必將影響太陽(yáng)房主墻體材料對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收與蓄存能力，應(yīng)對(duì)這2項(xiàng)措施進(jìn)行協(xié)調(diào)與平衡。值得關(guān)注的是，被動(dòng)式太陽(yáng)房是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是決定輻射熱作用主要環(huán)節(jié)，但建筑朝向、空間尺度、材料以及換氣次數(shù)等因素都會(huì)影響輻射熱效應(yīng)，后續(xù)研究會(huì)將多種因素綜合考慮。

1 被動(dòng)式太陽(yáng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱理論

被動(dòng)式太陽(yáng)房的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)既要起集熱作用，又要起到保溫、蓄熱的作用，因此相對(duì)于其它建筑類型，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工要求更為復(fù)雜。通常，被動(dòng)式太陽(yáng)房以透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)投射、吸收太陽(yáng)輻射熱；以非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)建筑的蓄熱和保溫功能。實(shí)際上，非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)也能起到太陽(yáng)輻射的集熱功能，即提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的輻射吸收能力。但是要想通過(guò)非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)太陽(yáng)房的集熱能力將會(huì)與墻體的外保溫層產(chǎn)生矛盾，因?yàn)楸夭牧系臒嶙璐?，墻體吸收的輻射熱難以向室內(nèi)傳遞。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用室外綜合溫度為計(jì)算條件，依據(jù)一維非穩(wěn)態(tài)傳熱理論來(lái)對(duì)比輻射吸收率和圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫在被動(dòng)太陽(yáng)房墻體傳熱性方面的差異，以此來(lái)研究墻體輻射特性與熱工性能對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)房的不同熱作用。

勻質(zhì)非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱主要是熱傳導(dǎo)方式，墻體導(dǎo)熱傳熱的傅立葉定理一維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式如式（1）所示[4]。

式中：x—圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，m；

τ—時(shí)間，s；

a—圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h。

對(duì)上述墻體傳熱微分方程，采用有限差分法進(jìn)行求解，將其墻體看做均質(zhì)材料層，按照等厚度劃分，從外表面開(kāi)始分層。使用第三邊界條件，給出室內(nèi)外空氣溫度。邊界條件數(shù)學(xué)表述如式（2）所示，其差分表達(dá)如式（3）、式（4）所示。

αe、αr——分別為外表面、內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

構(gòu)建圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱差分方程組，使用追趕法求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面溫度，再依據(jù)表面換熱原理可計(jì)算通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的熱流。采用VC++6.0編制了求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱差分方程組的程序。

2 輻射與保溫性能對(duì)比分析

提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射吸收系數(shù)，可吸收更多的輻射熱，使傳入室內(nèi)熱量增加；提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，可減少室內(nèi)熱損失。這2種措施都能減少采暖能耗，但是在考慮利用太陽(yáng)能采暖時(shí)，這2種措施對(duì)輻射資源利用度哪種更高，節(jié)能效果哪種更為顯著，它們共同作用時(shí)如何匹配。為解決上述問(wèn)題，以拉薩民居為例，以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的強(qiáng)弱來(lái)研究上述2種措施的熱效應(yīng)，即太陽(yáng)輻射熱利用效率高的方式將使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失更小。

2.1 計(jì)算條件

以我國(guó)太陽(yáng)輻射資源豐富的拉薩為例，來(lái)研究被動(dòng)式太陽(yáng)熱利用問(wèn)題。拉薩屬于寒冷地區(qū)，冬季需采暖。以典型氣象年參數(shù)為數(shù)據(jù)源，將采暖期內(nèi)每日24 h逐時(shí)的平均值構(gòu)成一個(gè)平均氣象日作為室外計(jì)算氣象參數(shù)，這樣便于分析輻射的作用規(guī)律。使用采暖期的平均氣象參數(shù)而不用采暖室外計(jì)算溫度等參數(shù)，更能反映出建筑運(yùn)行能耗的基本規(guī)律[5]。拉薩采暖期132 d[6]，研究對(duì)象南北朝向，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體為300 mm磚墻。外墻太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)取0.50，拉薩采暖季平均室外氣溫和室外綜合溫度見(jiàn)圖1，采用室外綜合溫度是因?yàn)榭紤]太陽(yáng)輻射的熱作用。采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18.0℃。

圖1 拉薩室外氣溫與南向室外綜合溫度

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用自編的求解軟件計(jì)算，在計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，厚度步長(zhǎng)為0.03 m。在求解表面溫度后計(jì)算外表面熱流。分2種情況計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流變化量。第1種情況：無(wú)保溫，輻射吸收系數(shù)從0.5漸增到0.9，每次遞增0.1；第2種情況：輻射吸收系數(shù)保持0.5，采用EPS做外保溫，保溫層厚度從10 mm漸增到50 mm，每次遞增10 mm。針對(duì)上述2種情況，計(jì)算得到在日照時(shí)間內(nèi)外墻傳熱量見(jiàn)圖2，全天外墻傳熱量見(jiàn)圖3。

圖2 外墻日照時(shí)間內(nèi)的平均傳熱量

圖3 外墻全天平均傳熱量

綜合分析圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)：在太陽(yáng)輻射資源豐富的拉薩地區(qū)，提高外墻輻射吸收系數(shù)的外墻熱流從熱損失變?yōu)榈脽幔貏e是在晝間當(dāng)吸收系數(shù)大于0.6時(shí)，其傳熱量隨吸收系數(shù)成比例增加，外墻得熱量較大，太陽(yáng)能采暖熱效應(yīng)顯著。而采用外保溫外墻無(wú)論在白天還是全天都不會(huì)得熱，但外保溫使得墻體熱損失強(qiáng)度降低且熱流比較穩(wěn)定，外保溫在晝間的作用小于夜間。從全天來(lái)看，增加保溫層的墻體熱損失顯然小于單純提高外墻面輻射吸收系數(shù)。

因此，為了提高整體熱效率，被動(dòng)式太陽(yáng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要保溫，但同時(shí)也需要提高墻體表面的輻射吸收系數(shù)。當(dāng)采用EPS做外保溫時(shí)，保溫層厚度大于30 mm后對(duì)阻礙墻體熱損失的作用力減弱。綜合上述分析，在設(shè)置適當(dāng)保溫層厚度的情況下盡可能提高墻體輻射吸收系數(shù)，這樣可優(yōu)化被動(dòng)式太陽(yáng)房整體熱效率。

3 結(jié)論

提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射吸收系數(shù)和增設(shè)保溫層是改善被動(dòng)式太陽(yáng)房的2種常用措施。以拉薩民居為例，使用室外綜合溫度為室外計(jì)算條件，以非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理計(jì)算輻射作用下墻體的傳熱量強(qiáng)度來(lái)對(duì)比2項(xiàng)措施的熱作用。研究發(fā)現(xiàn)：提高輻射吸收系數(shù)的日間得熱效果顯著，而增設(shè)保溫層可提高建筑整體熱穩(wěn)定性；2種措施共同作用可有效提高被動(dòng)式太陽(yáng)房整體熱效應(yīng)，在設(shè)置適當(dāng)保溫層厚度的情況下盡可能提高墻體輻射系數(shù)。

[1]Chandel S S，Aggarwal R K.Performance evaluation of a passive solar building in Western Himalayas[J].Renewable Energy，2008 33（10）：2166-2173.

[2]Sanja S.Optimization of passive solar design strategies：A review [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，25（9）177-196.

[3]劉加平.建筑物理[M].4版.北京：建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]彥啟森，趙慶珠.建筑熱過(guò)程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社1986.

[5]劉大龍.區(qū)域氣候預(yù)測(cè)與建筑能耗演化規(guī)律研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2010.

[6]GB 50376—2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Optimization of thermal effects of passive solar house

LIU Dalong1，ZHAO Huihui1，SANG Guochen2
（1.Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；
2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

In order to study the measures to improve the passive solar house thermal effects，the two common measures of radiation absorption coefficient of envelope outer-wall surface and insulation layer are discussed.The intensity of heat transfer to the walls was calculated to contrast thermal effects of the two measures with the principle of unsteady state heat transfer.Calculation taking Lhasa residents for example finds out that radiation absorption coefficient had a significant effect on daytime heat gain，while insulation layer can improve the heat stability of whole architecture.The optimum composition of two measures can improve the overall thermal effect of passive solar house，and the radiation absorption coefficient can be improved to the maximum extent when setting a suitable thickness of the insulation layer.

radiation absorption coefficient，insulation，passive solar house，thermal effects

TU832.1+7

A

1001-702X（2016）09-0095-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51578439）；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目（2014M552419）

2016-04-12

劉大龍，男，1976年生，陜西富平人，博士，副教授。