夏熱冬暖地區(qū)運用生態(tài)墻技術的隔熱性能研究

曹 燦 秦小迪

(1.廣州華商職業(yè)學院，廣東 廣州 511300； 2.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063)

?

夏熱冬暖地區(qū)運用生態(tài)墻技術的隔熱性能研究

曹 燦1秦小迪2

(1.廣州華商職業(yè)學院，廣東 廣州 511300； 2.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063)

以汕頭大學新行政樓為例，從墻體日照和墻面直接輻射量的角度，對比分析了生態(tài)墻和普通墻遮陽的隔熱性能，并探討了生態(tài)墻的最佳朝向，為了更好地提高墻體的隔熱效果，建議在新行政樓的西南向設置生態(tài)墻。

生態(tài)墻，隔熱性能，日照，室內(nèi)熱環(huán)境

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑能耗也增長迅速，目前，能源短缺已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，而墻體能耗占建筑能耗比重為50%左右，這就意味著墻體對建筑節(jié)能至關重要。夏熱冬暖地區(qū)基本上不需要采暖，該地區(qū)的節(jié)能設計主要是考慮建筑的隔熱，可以適當兼顧保溫。生態(tài)墻是實體墻節(jié)能技術的一次創(chuàng)新實踐,生態(tài)墻的隔熱性能對改善室內(nèi)熱環(huán)境有很大的影響。

1 生態(tài)墻技術在汕頭大學新行政樓的運用

汕頭大學新行政樓占地面積5 545 m2，設計施工強調(diào)環(huán)保和節(jié)能。外墻采用藤蔓式綠化，通過鋼絲網(wǎng)對攀爬植物進行生長方向的牽引和生長形態(tài)的控制，能有效避免綠化植物對窗戶或其他重要部位的覆蓋[1]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在晝夜溫差較大的潮汕地區(qū)，支架式綠化比直接攀爬式綠化具有更好的節(jié)能效果。支架式綠化白天可以充分發(fā)揮墻體的隔熱作用，在夜晚又可以通過墻體與植物之間的距離來進行通風冷卻[2]。

2 生態(tài)墻和普通墻的隔熱性能對比分析

2.1 墻體日照情況分析

汕頭大學新行政樓位于東經(jīng)116.634°，北緯23.414°，其中進行測試的西南墻與南墻呈45°角。太陽輻射量與太陽高度角和方位角有很大關聯(lián)，因此需要計算出同一天不同時刻的太陽高度角和方位角。

太陽高度角是指太陽光線的入射方向和地平面之間的夾角，太陽高度角的計算公式為:sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost(δ為太陽赤緯；φ為觀測地地理緯度；t為地方時；h為太陽高度角)[3]。日出日落時的太陽高度角為0，正午時的太陽高度角最大。太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角。以正南方向為零方位角，其取值范圍為-180°～180°。

本次測試時間為2015年5月12日～18日，本文選擇5月15日的太陽高度角和方位角進行計算，其結果如表1所示。從表1中可看出8:00～12:00太陽高度角逐漸增大，12:00～18:00太陽高度角逐漸減小。以正南方向為零方位角，太陽方位角是逐漸增大的。

2.2 墻面直接輻射量的計算

2.2.1 墻面太陽輻射的計算模型

表1 同一天不同時刻的太陽高度角和方位角 (°)

根據(jù)卡斯特羅夫方法，晴天太陽直接輻射通量密度的計算公式為[4]：

(1)

(2)

將C用f代替，可得到公式：

(3)

通過公式推導，式(3)可求出墻面的晴天太陽直接輻射通量密度， f值可取0.524[5]。

2.2.2 墻面直接輻射時量的計算

坡地太陽直接輻射通量理論計算公式[6]：

Sαβ=Sm(sinhcosα+coshsinαcos(A-β))

(4)

其中，Sαβ為坡地直接輻射通量；Sm為垂直太陽光線方向的直接輻射通量；α為坡度；β為坡向；h為太陽高度角；A為太陽方位角。

由于墻面是垂直于地面的，可令α=90°，得到垂直墻面的直接輻射通式：

S90，β=Smcoshcos(A-β)

(5)

β表示墻面朝向角，朝南墻面β=0°，有：

S90，0=SmcoshcosA

(6)

西南墻與南墻呈45°角，則西南墻β=45°，有：

S90,45=Smcoshcos(A-45°)

(7)

由式(1)，式(5)和S=Smsinh可得垂直太陽光線的墻面晴天輻射通量為：

(8)

將5月15日當天的太陽高度角和方位角代入式(8)中，可算出當天不同時刻南墻和西南墻的直接輻射時量，結果如表2所示。從表2中可得知，墻面的直接輻射時量是一個矢量，能表示大小和方向，墻面直接輻射時量出現(xiàn)負值，說明此時太陽光線照射不到墻體。8:00～12:00之間，南墻直接輻射時量逐漸增大，從12:00到18:00，南墻的直接輻射時量逐漸減小。8:00～15:00，西南墻的直接輻射時量逐漸增大，15:00～18:00，西南墻的直接輻射時量逐漸減小，且在13:00時超過南墻的直接輻射時量。

表2 同一天中墻面直接輻射時量 kW·h/m2

2.3 生態(tài)墻與普通墻的隔熱效果分析

到達墻面的太陽總輻射由直接輻射、散射輻射和反射輻射組成，而反射輻射量比較少，一般只考慮太陽直接輻射和散射輻射。應用墻面晴天輻射模型，計算建筑在標準規(guī)范下的墻面晴天輻射量，參考不同朝向墻體標準規(guī)范下的晴天輻射量，可得知晴天正午前后2 h內(nèi)，南墻和西南墻以直接輻射為主，散射輻射和反射輻射占總輻射量的比重較小[4]。為了使南墻和西南墻的隔熱效果更加合理，選擇中午12點的直接輻射量進行比較。對行政樓向陽面的西南墻和南墻的進行溫度測試，測試結果如表3所示。

表3 西南墻與南墻的測試結果(12:00) ℃

從表2和表3中可看出，中午12點時，南墻的太陽直接輻射時量明顯大于西南墻的直接輻射時量，此時生態(tài)墻室內(nèi)的空氣溫度、墻體內(nèi)外壁面溫度均比有遮陽構件的西南墻低。雖然上午南墻的直接輻射時量大于西南墻，但南墻的室內(nèi)溫度、墻體內(nèi)外壁面溫度比西南墻低。測試結果和日照分析結果均說明生態(tài)墻對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果比普通墻顯著。

3 基于隔熱效果設置生態(tài)墻的最佳朝向

相關研究表明，以廣州為典型代表城市的夏熱冬暖地區(qū)，南向太陽輻射量較小，東向太陽輻射量出現(xiàn)較大值的時間比較早，但這段時間的溫度相對來說比較低，而西向出現(xiàn)最大輻射量時，溫度也出現(xiàn)最大值[7]，所以建筑宜朝向南偏東，建筑的東、南、西面均可設置生態(tài)墻，但西向生態(tài)墻的隔熱效果是比較顯著的。根據(jù)行政樓墻體的日照情況和相對位置，可得知西南墻的日照時間要大于南墻的日照時間，西南墻的太陽輻射量要大于南墻的太陽輻射量，因此為了更好地提高墻體的隔熱效果，進一步改善室內(nèi)熱環(huán)境，可在新行政樓的西南向設置生態(tài)墻。

4 結語

傳統(tǒng)外墻材料的運行模式是“資源—墻材—建筑—廢物”，這種竭澤而漁的模式，已使社會的可持續(xù)發(fā)展面臨很大的困境。墻材作為資源型，高能耗產(chǎn)品，在改善和滿足居住條件的同時，對社會的可持續(xù)發(fā)展負有不可推卸的責任，因此，實現(xiàn)生態(tài)墻改是21世紀必須研究和解決的重要課題[9]。我國的生態(tài)墻技術目前還處于不成熟階段，許多城市的生態(tài)墻建設也是在缺乏理論指導的情況下自發(fā)進行的，應根據(jù)各地的實際情況指導生態(tài)墻技術的實施。

[1] 張小康.建筑立面垂直綠化設計策略研究[D].重慶:重慶大學碩士論文,2011.

[2] 藤明邑,周 晉,張國強.建筑圍護結構節(jié)能[J].大眾用電，2007，10(3):37-39.

[3] 張鶴飛.與太陽輻射量有關角度的定義和計算公式[J].能源工程，1986，3(10):31-34.

[4] 成 馳.我國墻面晴天太陽輻射氣候學研究[D].南京：南京信息工程大學碩士論文，2007.

[5] 翁篤鳴,高 歌.晴天太陽總輻射的一種參數(shù)化形式[J].南京氣象學院學報，1995,18(3):317-323.

[6] 翁篤鳴,陳萬隆,沈覺成.小氣候和農(nóng)田小氣候[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,1981.

[7] 趙玉芬.考慮太陽輻射影響的建筑設計策略研究[D].西安：西安建筑科技大學碩士論文，2013.

On thermal insulation performance of ecological wall techniques in areas with hot summers and warm winters

Cao Can1Qin Xiaodi2

(1.GuangzhouHuashangVocationalCollege,Guangzhou511300,China; 2.EngineeringInstitute,ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking the newly-built administrative building of Shantou University as the example, the paper compares and analyzes the thermal insulation performance of the ecological walls and common walls from the sunlight on walls and direct radiation volumes of the wall surface, and explores the optimal direction for the ecological walls, so as to improve the thermal insulation effect of walls and the allocation of the walls in the direction of the southwest for the building.

ecological wall, thermal insulation wall, sunlight, indoor thermal environment

1009-6825(2017)07-0205-03

2016-12-15

曹 燦(1991- )，女，碩士，助教

TU201.5

A