新疆農(nóng)村被動式太陽房夏季不同降溫控制模式的降溫效果

徐 鑫，李 潔，姜曙光，代 金，吳夢云

新疆農(nóng)村被動式太陽房夏季不同降溫控制模式的降溫效果

徐 鑫，李 潔※，姜曙光，代 金，吳夢云

（石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000）

冬季供暖性能良好的被動式太陽房，夏季室內(nèi)普遍存在著過熱問題。該文以新疆石河子農(nóng)村的2棟不同構造的被動式太陽房為研究對象，提出4種不同的降溫控制模式。通過夏季降溫試驗研究，重點討論了白天熱壓通風、夜間自然通風、地板輻射供冷等措施對于緩解被動式太陽房夏季過熱程度的作用，并在此基礎上分析了降溫措施對室內(nèi)熱舒適適應性的影響程度。試驗結果表明：對于新疆農(nóng)村沒有地下室的被動式太陽房，采用該文提出的熱壓通風結合夜間通風降溫模式，滿足80%可接受舒適度要求的時長占比可提升35.04%；耦合地下室的被動式太陽房，依靠合理的通風措施和地板輻射供冷，滿足80%可接受舒適度的時長占比達到85.80%，可基本實現(xiàn)夏季降溫的目標。

農(nóng)村；降溫；太陽房；熱壓通風；地面輻射供冷

0 引 言

研究表明，冬季供暖性能良好的被動式太陽房，由于集熱墻外表面溫度較高，夏季室內(nèi)普遍存在著過熱現(xiàn)象[1]。為了解決這個問題，國內(nèi)外學者對被動式太陽房的夏季降溫主要在遮陽和通風兩方面進行了大量研究[2]。Long等[3]提出一種適合夏熱冬冷地區(qū)要求的新型特隆布墻，采用熱輻射反射層阻隔熱量實現(xiàn)了被動式太陽房的夏季隔熱。陳星等[4]也對大連地區(qū)被動式太陽房開展了試驗研究，結果表明內(nèi)卷簾遮陽能有效降低特隆布墻體得熱量，達到降溫效果。丁勇等[5-6]研究辦公室內(nèi)遮陽對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，得出內(nèi)遮陽雖然可以有效減少室內(nèi)日間得熱，但卻嚴重影響室內(nèi)采光。因此，也有不少學者將研究重點放在通風方面。Annan等[7]研究表明，在黎巴嫩地區(qū)使用自然通風技術配合厚重型建筑圍護結構可有效提升室內(nèi)熱舒適性。Stazi等[8]在意大利的研究表明地中海氣候條件下增加遮陽、強化自然通風對解決被動式太陽房的夏季過熱有顯著效果，供冷能耗降低72.9%。以上研究為新疆農(nóng)村被動式太陽房夏季降溫提供了案例參考，但對于白天熱壓通風與夜間自然通風結合的試驗研究較少，集熱墻空氣間層存在的垂直方向溫度梯度性變化對通風量的影響也沒有更詳細的研究。

新疆農(nóng)村地區(qū)許多建筑擁有地下室空間，合理利用常年維持低溫的地下空間供冷也是解決建筑夏季過熱的途徑之一[9-10]。Grosso等[11]提出了一種埋地通風管道，研究發(fā)現(xiàn)這對于溫帶氣候區(qū)的夏季被動式冷卻是有效的，但長期運行會導致地下土壤變暖。Badescu等[12]對羅馬尼亞布加勒斯特附近建造的一座大型被動式住宅進行了實測監(jiān)控，證明了地下空間對地上住宅的供暖和制冷能力良好。目前大多數(shù)利用地下空間通風的建筑都采用機械通風，維持風機長期開啟換風的成本費用較高[13-15]。Yu等[16]針對地埋管耦合太陽能煙囪的建筑進行測試，研究表明自然通風條件下的室內(nèi)熱環(huán)境比機械通風條件下熱舒適程度更高。被動式太陽房集熱墻與太陽能煙囪熱壓通風的原理是相似的[17-18]。針對新疆農(nóng)村地區(qū)特點，姜曙光等提出一種耦合地下室的被動式太陽房[19-21]，前期研究表明耦合地下室的被動式太陽房與對比房相比，冬季室內(nèi)平均氣溫可提高6.45 ℃，可改善冬季室內(nèi)供暖效果，采暖期縮短了89 d[22]。因此，在保證耦合地下室的被動式太陽房冬季熱舒適性的前提下，夏季采取引入地下冷風，代替室外溫熱空氣進行被動式降溫的方案有一定的研究價值。

基于以上分析，本文以新疆石河子農(nóng)村的2棟不同構造的被動式太陽房作為試驗對象開展實測研究，旨在基于新疆地區(qū)的氣候特點，分析試驗房在不同被動降溫模式下的降溫效果，綜合熱舒適適應性模型評價被動式太陽房在各模式作用下的熱舒適性，從而為新疆農(nóng)村被動式太陽房的夏季過熱問題提供有效可行的解決方案。

1 試驗概況

1.1 夏季降溫潛力分析

新疆屬于中國太陽能資源開發(fā)潛力較豐富的地區(qū)，年總輻射量相比同緯度的華北、東北地區(qū)高10%～15%，也比低緯度的長江中下游地區(qū)高15%～25%，僅次于西藏地區(qū)名列第二[23]。由于熱壓通風效果極大依賴白天太陽輻射引起的“煙囪效應”[24-25]，因此，夏季新疆地區(qū)被動式太陽房有熱壓通風的潛力。

新疆地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，夏季晝夜溫差大。基于Artmann在2006年提出的夜間通風潛力公式（1）[26]，以石河子地區(qū)為例，評價近5 a（2013—2017年）的夏季夜間通風潛力CCP（climatic cooling potential），見表1。

式中為采用夜間通風的天數(shù)，d；為夜間通風的持續(xù)時間，h；b,n,h為室內(nèi)空氣溫度，℃；e,n,h為室外空氣溫度，℃；Dcrit為室內(nèi)外溫差閥值，℃，為保證夜間通風的對流換熱效率，取3 ℃。

表1 2013—2017年石河子地區(qū)夏季室外空氣溫度及夜間通風潛力

由表1可以看出，石河子地區(qū)日間溫度高且溫度日較差較大，大部分年份的CCP均在80～90之間，采用夜間通風可以達到較好的降溫效果。

1.2 試驗房介紹

試驗研究利用石河子市北泉鎮(zhèn)三分場一連的2棟被動式太陽房進行了夏季降溫研究。一棟為地上一層，建筑面積為94.5 m2，層高為3 m；另一棟為地上一層并增加了地下室，建筑面積為176.4 m2，其中地下室面積為77.3 m2，一層層高為3 m，地下1層層高為2.2 m。兩棟建筑均朝向正南，且一層平面布局相似，為典型的新型農(nóng)村住宅。試驗房屋頂在120 mm厚混凝土板上覆蓋150 mm厚EPS板、30 mm厚細石混凝土和一層防水卷材；外墻在黏土多孔磚外部粘貼了100 mm厚的EPS板外保溫。試驗房均用南墻作為太陽能集熱墻，在每個房間的集熱墻上設置2個上通風口和2個下通風口，通風口均為直徑150 mm的圓形洞口，上下中心距為2 m。南向距墻面100 mm處安裝雙層玻璃塑鋼集熱蓋板，將集熱墻和南墻外窗覆蓋并構造出3個高度為2.4 m的空氣間層?？諝忾g層的外排風口為300 mm×400 mm的方形通風口。耦合地下室的被動式太陽房地上建筑與地下室一體化建造，每個房間頂板開6個直徑為150 mm的圓形通風口，與一層相通。試驗房外景圖與夏季工作原理圖如圖1所示。

1.外排風口 2.玻璃蓋板 3.上通風口（封閉） 4.承重墻 5.保溫層 6.吸熱涂層 7.下通風口 8.熱空氣 9.室外空氣 10.地下室 11.地下室冷空氣

1.3 試驗方案

結合試驗房的結構特征和通風形式，在兩座試驗房各選取了兩間南向房間，房間之間設置隔斷措施，設計了以下4種通風控制模式，模式1為無地下室的被動式太陽房采用白天熱壓通風；模式2為無地下室的被動式太陽房采用白天熱壓通風，夜間開啟北窗自然通風；模式3為耦合地下室通風的被動式太陽房在白天關閉北窗，開啟地面通風口進行熱壓通風；模式4則是在模式3的基礎上增加夜間的自然通風。具體方案控制模式見表2。

表2 試驗房降溫控制模式

1.4 測試方法

試驗采用短期連續(xù)測試的方法，測試時間為2018年7月15日—2018年8月15日，試驗地點位于新疆石河子市，2棟試驗建筑的測點布置見圖2。

1.自動氣象站 2.室外壁面 3.空氣間層 4.外排風口 5.室內(nèi)壁面 6.室內(nèi)測點（1.5 m） 7.下通風口 8.地面

室內(nèi)壁面溫度的測點和熱流測點由JTSOFT-DL溫度與熱量動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔10 min自動采集；通風口風速采用JTR07B多通道微風測試儀每隔10 min記錄；JTR08多通道溫濕度測試儀每隔30 min記錄室內(nèi)房間溫濕度數(shù)據(jù)；試驗房屋頂安裝的Vantage Pro2型自動氣象站每隔30 min自動記錄太陽能輻射量、環(huán)境溫度、濕度和室外風速等數(shù)據(jù)。

2 試驗結果分析

2.1 白天熱壓通風作用效果

模式1和模式3在試驗期間都只采用熱壓通風的方式進行降溫。熱壓通風依靠玻璃蓋板和集熱墻吸收太陽輻射加熱空氣間層的空氣，驅(qū)動間層空氣加速向外排出，同時引入冷源空氣降低房間溫度。模式1和模式3在建筑結構上的區(qū)別導致兩者冷源不同。模式1為北窗外陰涼空氣；模式3則通過地面洞口引入地下室冷空氣，并通過地下室連通試驗房北側地面的通風洞口補風。圖3選取了7月15日至8月15日的實測氣象數(shù)據(jù)進行整理及分析。

圖3 太陽日輻射量及室外環(huán)境溫度變化圖

新疆地區(qū)夏季干旱少雨，測試期間僅有3 d短時有小雨，大部分時間天氣晴朗，南向壁面日累計輻射量在20～28 MJ/m2之間，太陽輻射情況良好。7月和8月的室外平均溫度分別為25.5和24.01 ℃，與表1的往年溫度大致相同，具有代表性。因此，選取試驗期間晴朗天氣條件下的實測數(shù)據(jù)進行匯總分析，對2種被動式太陽房夏季白天熱壓通風作用效果進行闡述。

為反映模式1與模式3在不同時刻空氣間層垂直方向上的空氣溫度分布，選取測試期間每30 min不同高度的空氣間層平均溫度作為離散點繪制云圖，如圖4所示。

a. 模式1空氣間層溫度變化圖

a. Air temperature with time in channel of mode 1

b. 模式3空氣間層溫度變化圖

同一時刻在垂直方向上，空氣間層空氣溫度基本呈現(xiàn)頂部高于底部空氣溫度的趨勢，無地下室試驗房與耦合地下室試驗房都在15:00時頂部與底部溫差達到最大，最大溫差分別達到19.6與23.9 ℃，空氣間層平均溫度則在16:00時達到最高，分別為60.26與51.08 ℃。

隨著空氣間層中空氣溫度的變化，統(tǒng)計試驗期間熱壓通風風速的變化，如圖5所示。白天通風風速呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與空氣間層垂直方向上的溫差大小變化趨勢呼應。在太陽輻射減弱時，通風口風速降低，空氣間層上部和下部溫度趨于一致，但由于空氣間層與室外空氣之間仍有一定溫差，因此仍能維持一段時間的通風效果。日間通風風速最大值出現(xiàn)在15:00，此時模式1作用下平均風速為0.47 m/s，模式3作用下平均風速為0.46 m/s，2種模式下通風量相當。

對于被動式太陽房南向墻體吸收的太陽輻射，除驅(qū)動空氣加速運動的部分熱量，其他熱量都通過熱傳導進入室內(nèi)，針對單位面積上南向墻體的輻射得熱量，本文根據(jù)式（2）進行計算[27]。

式中w為玻璃蓋板透過率，雙層玻璃取0.41；e為吸熱涂層吸收率，取0.85；為太陽輻射量，kJ/m2。

a. 模式1

a. Mode 1

b. 模式3

圖6反映了白天建筑南墻墻體的得熱量與太陽輻射量呈正相關關系，墻體白天得熱總量高達12 687.82 kJ。模式1白天熱壓通風散熱總量僅4 348.96 kJ，模式3由于地下室空氣溫度遠低于室外環(huán)境溫度，白天熱壓通風散熱總量可以達到10 815.20 kJ。通過試驗可知：夏季外圍護結構吸收的熱量大于熱壓通風排出的熱量是導致夏季室內(nèi)過熱的根本原因。模式1的南墻輻射得熱量遠大于熱壓通風排出的熱量，不能滿足降溫要求；雖然模式3的南墻輻射得熱量與熱壓通風排出的熱量相當，但是其他外圍護結構仍有一定的輻射得熱量傳入室內(nèi)。因此，在考慮被動式降溫時，除了白天熱壓通風，夜間自然通風也是不能忽視的一部分。

圖6 室內(nèi)熱量得失變化圖

2.2 夜間自然通風作用效果

選取2018年7月21日至7月22日2個具有代表性的連續(xù)晴天，對試驗建筑夜間通風工況進行數(shù)據(jù)采集和分析。如圖7所示，新疆地區(qū)晝夜溫差較大，最高可達34.4 ℃，最低在17.4 ℃，溫度晝夜波幅可以達到17.0 ℃，建筑有夜間通風降溫的潛力。在沒有夜間通風的情況下，模式1和模式3全天溫度波動很小。模式1作用下，室內(nèi)溫度維持在32.67 ℃左右，上下浮動僅1.13 ℃；而模式3作用下的室內(nèi)空氣溫度維持在28.08 ℃左右，溫度浮動在0.75 ℃以內(nèi)。由于模式1和模式3具有良好的外保溫構造，屋頂和墻體的隔熱和蓄熱性能較好，白天室內(nèi)空氣溫度增量較少，同時夜間室外冷量也不易通過外圍護結構傳入室內(nèi)。

圖7 　4種模式下的空氣溫度變化規(guī)律

在增加了夜間通風以后，試驗建筑的兩間對比房間的室內(nèi)空氣溫度明顯降低。模式2作用下，在夜間通風結束時，即08:00，室溫降幅達到極值，相比于模式1可降低室溫4.56 ℃；白天關閉外窗后，溫度回升，但相較于模式1的平均溫度仍低1.31 ℃左右。相似地，在模式4作用下，室溫降低到最低點時，相比模式3降低室溫4.13 ℃；白天溫度回升后的平均溫度相較于無夜間通風的模式1降低了1.45 ℃。

由上述數(shù)據(jù)可知：在相同的室外氣象條件下，夜間通風能有效降低被動式太陽房室內(nèi)溫度。采用夜間通風后，模式2室內(nèi)平均溫度降低2.04 ℃，模式4室內(nèi)平均溫度降低1.95 ℃，都取得了良好的降溫效果。

2.3 地下室地面輻射供冷效果

夏季試驗過程中，地下室白天作為熱壓通風的冷源，夜間作為蓄冷體，通過與環(huán)境空氣對流蓄冷，地下室空氣溫度始終保持在22～23 ℃范圍內(nèi)。由于地下室空氣溫度始終低于地面室內(nèi)空氣溫度，因此地下室始終能夠向地面建筑供冷。試驗中在地下室上部房間中設置了4個測點，地面瞬時熱流及溫度測量值如圖8所示。無地下室時地面溫度接近空氣溫度，耦合地下室后地面溫度低于空氣溫度，平均溫差在0.4 ℃，地下室向一層地面的熱流密度全天維持在7.2～8.7 W/m2之間，地下室對試驗房間全天供冷量在10 560.97 kJ。

圖8 地面瞬時熱流及溫度變化圖

前文分析表明，被動式太陽房耦合地下室后降溫效果顯著。相較無地下室的被動式太陽房，持續(xù)且平穩(wěn)的地面輻射供冷使得供冷地面的溫度分布較為均勻，且水平向溫度梯度變化小，有助于人體適應溫度變化。

3 室內(nèi)熱舒適適應性分析

為了反映非空調(diào)環(huán)境下室內(nèi)舒適溫度隨著室外空氣溫度變化的規(guī)律，Dear和Brager根據(jù)位于4個大陸不同氣候區(qū)的160棟建筑物監(jiān)測采集的21萬份現(xiàn)場研究數(shù)據(jù)提出了適用于自然通風建筑的適應性模型[28]。這個模型在世界各地被廣泛應用，并引入到了國際熱環(huán)境標準ASHRAE Standard 55-2017中。它將室內(nèi)最適宜的舒適溫度和月室外平均溫度，得出一個線性回歸公式

式中comf為室內(nèi)舒適溫度，℃；a,out為月室外平均溫度，℃。

大量自然通風住宅的現(xiàn)場測試研究表明，室內(nèi)溫度在達到80%人群可接受的舒適度時足以表征室內(nèi)溫度的熱舒適區(qū)[29-31]。本文采用80%可接受熱舒適條件評價試驗期間室內(nèi)熱舒適適應性情況。根據(jù)試驗期間Vantage Pro2自動記錄的天氣數(shù)據(jù)取平均值，7月和8月的月室外平均溫度分別為25.5和24.01 ℃。將測試期間4種模式的1 488條室內(nèi)溫度有效數(shù)據(jù)按時間區(qū)間分為2類，計算匯總滿足80%可接受熱舒適條件要求的小時數(shù)，如圖9所示。模式1在整個試驗期間都不能滿足熱舒適要求，僅依靠白天熱壓通風整個房間溫度一直過高。模式2在運行過程中總體舒適小時數(shù)占比為35.04%，其中夜間舒適性較模式1提升明顯，舒適小時數(shù)占夜間總時長的61.44%；白天大部分時間仍處于不舒適情況，舒適時長占比為14.58%。耦合地下室時，未采用夜間通風模式3全天舒適時長占總試驗時長的41.86%，其中白天占比為44.21%，夜間占比為39.02%。采用夜間通風后，模式4的室內(nèi)熱舒適水平明顯提升，舒適小時數(shù)占比提升至85.80%，白天滿足舒適性要求的時長占比相比模式3提升了33.69%；模式4夜間滿足舒適需求的時間達到了96.16%，基本上滿足了大部分人群對于熱舒適的需求。

圖9 試驗期間滿足80%可接受熱舒適條件要求的小時數(shù)

4 結 論

對新疆石河子農(nóng)村地區(qū)2棟被動式太陽房在夏季（2018年7月15日—2018年8月15日）進行被動式降溫試驗的測試，通過4種不同降溫控制模式的對比分析，得出以下結論：

1）在同樣的室外氣象條件下，耦合地下室的被動式太陽房通過引入地下低溫空氣，散熱總量可達10 815.20 kJ，相比無地下室的被動式太陽房白天熱壓通風散熱量高出6 466.24 kJ。由此可見，耦合地下室的構造措施增強了被動式太陽房夏季白天降溫的效率，是一種有益的改造措施。

2）采用本文提出的熱壓通風結合夜間通風降溫模式，無地下室的被動式太陽房滿足熱舒適要求的時長占比為35.04%，其中夜間舒適性相比僅采用熱壓通風模式提升明顯；耦合地下室的被動式太陽房，依靠合理的通風措施和地板輻射供冷，滿足熱舒適要求的時長占比達到85.80%，可基本實現(xiàn)夏季降溫的目標。

3）對有地下室的建筑采用合理的地面保溫層構造，能為地上建筑降溫作出貢獻，也不會使地下室自身溫度波動幅度過大，具有平穩(wěn)持續(xù)供冷的優(yōu)點。而兼顧夏季供冷與冬季保暖的地面保溫設計，在未來有進一步研究的價值。

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Cooling effect of passive solar house with different cooling control modes during summer in rural areas of Xinjiang

Xu Xin, Li Jie※, Jiang Shuguang, Dai Jin, Wu Mengyun

(,,832000,)

Due to the sustainable development, the passive solar energy heating technology has drawn much attention and been widely applied in buildings. For the high-level solar radiation and little rainfall in Xinjiang, China, the passive solar houses have an excellent effect of the heating collection in winter. However, the application of passive solar houses is limited owing to its prevailing overheating and low thermal comfort in summer. Hence, energy efficiency should be hanced by adopting energy-efficiency measures like natural ventilation and passive radiant floor cooling that decrease building energy consumption. Combined with strong solar radiation and large temperature gap difference between day and night, the effectiveness of various cooling measures of passive solar houses with different structures was studied in this paper. This work aimed to study the measures for the passive solar house to alleviate summer overheating, such as the daytime thermal driven ventilation, the night natural ventilation, and the passive radiant floor cooling etc. Moreover, the influence of cooling measures on indoor thermal comfort was analyzed. Two passive solar houses with different structures in Shihezi, Xinjiang were built as case studies and the cooling effects of the four modes were contrastively proposed. Among four modes, mode1 and mode2 were introduced for the experiment based on a traditional passive solar house without a basement. Mode1 was the room using thermal driven ventilation only. Mode 3 was the room using the daytime thermal driven ventilation and the night natural ventilation. Different from the traditional passive solar house, mode 3 and mode 4 were designed based on a passive solar house with a basement. Mode 3 was an operation mode similar to mode1, and mode 2 was similar to mode 4. The solar radiation heat gain from the south wall of mode1 was far greater than that from the heat gain of thermal driven ventilation, which could not fulfill the cooling requirements. Although solar radiation heat gain from the south wall of mode 3 was close to that from the heat gain of thermal driven ventilation, solar radiation heat gain from other enclosed elements could not be ignored. The heat absorbed by the enclosed elements was larger than that eliminated by the driven ventilation, which was the fundamental reason for the indoor overheating in summer. After the initial adoption, the indoor average temperature of mode 2 was 1.95 ℃ lower than that of mode1, and mode 4 was reduced by 2.04 ℃ than mode 3 under the same meteorological conditions. The heat flux from the basement to the floor was maintained between 7.2 and 8.7 W/m2, and the cooling load from the basement to the test room was about 10 560.97 kJ. The experiment results showed that it was found that for the passive solar house without a basement in rural areas of Xinjiang, the driven ventilation combined with the night ventilation cooling mode proposed in this paper could increase the proportion of time to meet thermally comfortable conditions at 80% acceptability by 35.04%. And the passive solar house with basement met thermally comfortable conditions at 80% acceptability for 85.80% of the time, which had almost achieved in the goal of summer cooling. These results may lead to the development of designing and distributing passive cooling technology during the summer.

rural areas; cooling; solar houses; thermal driven ventilation; radiant floor cooling

2018-12-11

2019-06-23

新疆生產(chǎn)建設兵團工業(yè)高新技術科技攻關計劃項目（2016AB007）

徐 鑫，主要從事可再生能源與建筑節(jié)能方面研究。Email：524694475@stu.shzu.edu.cn

李 潔，副教授。主要從事綠色建筑與建筑節(jié)能方面研究。Email：18245526@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.025

TU834.3

A

1002-6819(2019)-14-0198-07

徐 鑫，李 潔，姜曙光，代 金，吳夢云. 新疆農(nóng)村被動式太陽房夏季不同降溫控制模式的降溫效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(14)：198－204. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.025 http://www.tcsae.org

Xu Xin, Li Jie, Jiang Shuguang, Dai Jin, Wu Mengyun. Cooling effect of passive solar house with different cooling control modes during summer in rural areas of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 198－204. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.025 http://www.tcsae.org