基于光熱效應(yīng)的建筑自然通風(fēng)外窗保溫性仿真

李維麗，祝秀琴

(華東交通大學(xué)理工學(xué)院，江西 南昌 330011)

1 引言

一般情況下，建筑物內(nèi)熱量是通過墻壁、屋頂、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)流失的，因此在傳統(tǒng)的建筑保溫性能研究中通常只計算這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量流失情況，其中大多數(shù)研究為利用相關(guān)熱環(huán)境分析工具，在分析提升各典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能對室內(nèi)熱環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)提升墻壁、屋頂和門窗的保溫隔熱性能對室內(nèi)熱環(huán)境改善效果顯著，但是由于在計算時未考慮外窗緊閉與自然通風(fēng)兩種溫度條件下的保溫效果，得出的計算結(jié)果通常會與實際溫度存在很大的誤差。為解決這一問題本文基于光熱效應(yīng)的建筑自然通風(fēng)外窗保溫性仿真研究。所謂光熱效應(yīng)，就是太陽能通過特制的外窗轉(zhuǎn)化為熱能，向建筑內(nèi)部輸送熱量[1]，將光熱效應(yīng)理念應(yīng)用于保溫性能分析，可以在一定程度上減少研究中的誤差。

2 基于光熱效應(yīng)的建筑外窗保溫性仿真研究

本次仿真研究使用DeST軟件進(jìn)行建筑分析。DeST軟件是一個建筑分析平臺，在本次仿真中，首先需要搭建建筑模型，計算外窗玻璃的光熱效應(yīng)系數(shù)，考慮外窗緊閉與自然通風(fēng)條件下溫度的影響，結(jié)合室外溫度以及初始的能耗參數(shù)[2]。通過如下文所示的公式確定光熱轉(zhuǎn)換的能量指數(shù)，并將原始模型中的各項參數(shù)輸入仿真軟件進(jìn)行測試。

2.1 計算光熱效應(yīng)系數(shù)

光熱建筑外窗的保溫性仿真的前提條件是計算光熱效應(yīng)系數(shù)。在寒冷地帶的冬季，即使是保溫性最好的建筑外窗也會隨時向外界傳輸熱量，整個傳熱過程包括外窗傳熱、內(nèi)外空氣對流傳熱和太陽光輻射傳熱三種形式。外窗傳導(dǎo)的熱量主要是由室內(nèi)向室外蔓延的熱空氣以及室外透過陽光照射穿透進(jìn)室內(nèi)的太陽輻射能量。這兩種傳導(dǎo)方式都能傳輸熱量，不過前者是由室內(nèi)向室外傳遞熱量，而后者是由室外向室內(nèi)傳遞熱量。由于本文設(shè)定的自然條件為外窗緊閉與自然通風(fēng)，因此本文在光熱效應(yīng)下主要研究的是太陽照射產(chǎn)生的輻射能量，該能量通常將被分為三部分，其中一部分能量會被外窗玻璃反射，不會進(jìn)入室內(nèi)；另一部分則會穿透外窗玻璃進(jìn)入建筑，使室內(nèi)溫度升高；除此以外，還會有一小部分能量會被外窗玻璃吸收，使外窗玻璃溫度升高。而光熱效應(yīng)的主要原理是外窗上安裝一種特殊材質(zhì)的玻璃，該材質(zhì)的玻璃將被反射到空氣中的輻射能量盡可能地吸到外窗玻璃中，并將玻璃中的熱量傳遞進(jìn)室內(nèi)，在不增加建筑能源供應(yīng)量的前提下，升高室內(nèi)溫度[3]。因此可以斷定，外窗的輻射吸收能力是影響建筑內(nèi)部保溫性的重要因素。建筑物中外窗的主要構(gòu)造是窗框和玻璃，其中占據(jù)最大面積的是外窗玻璃，基于此通過改變外窗玻璃的光熱效應(yīng)參數(shù)提高外窗吸收太陽光輻射的能力，其中，光熱效應(yīng)參數(shù)的主要影響因素分別為外窗導(dǎo)熱系數(shù)K，太陽光吸收系數(shù)SC和太陽輻射穿透系數(shù)VT。

其中，外窗導(dǎo)熱系數(shù)主要是用于測量由于室內(nèi)外溫差引起的室內(nèi)向室外傳遞的熱量數(shù)值，這個數(shù)值通常是熱能阻值的倒數(shù)[4]。建筑外窗的導(dǎo)熱系數(shù)計算公式如式(1)所示

(1)

式中，Kt表示建筑外窗的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；Ag表示建筑外窗窗玻璃的面積，單位為m2；Af表示建筑外窗窗框的面積，單位為m2；At表示建筑外窗的總面積，單位為m2；Kg表示建筑外窗窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；Kf表示建筑外窗窗框的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；lψ表示建筑外窗玻璃區(qū)域的邊緣長度，單位為m；ψ表示建筑外窗窗框與窗玻璃之間的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)。

太陽輻射穿透系數(shù)VT表示太陽光在穿透外窗玻璃時能夠傳遞的熱量[5]。在這個過程中，太陽光會分成三部分，其中太陽光吸收系數(shù)的計算公式可以表示為

(2)

式中，SC表示太陽光吸收系數(shù)；gt表示太陽光穿透窗玻璃時的總透射比[5]。此時太陽光穿透窗玻璃時的總透射比可以表示為

(3)

式中，Ag表示建筑外窗窗玻璃的總面積，單位為m2；Af表示建筑外窗窗框的面積，單位為m2；gg表示建筑外窗玻璃區(qū)域的太陽光穿透系數(shù)；gf表示建筑外窗窗框部位的太陽光穿透系數(shù)；At表示建筑外窗的總面積，單位為m2。在對光熱效應(yīng)下的建筑外窗進(jìn)行保溫性的仿真研究時，將以上公式輸入進(jìn)計算機(jī)中。

2.2 自然通風(fēng)條件下溫度變化趨勢分析

通過以上計算公式，可以得到描述建筑物內(nèi)部溫度變化趨勢的采光和日照升溫性能，本文的研究重點也是在光熱效應(yīng)的影響下，建筑物能否在不增加能源供應(yīng)的情況下保證室內(nèi)溫度上升以及開窗通風(fēng)后室內(nèi)溫度的變化是否能夠符合基本條件。在冬季保持室內(nèi)自然通風(fēng)是十分有必要的，尤其是醫(yī)院、學(xué)校等人流量密集且人員免疫力較低的公共場所，合理的自然通風(fēng)是保證人們健康的一種方式。但是在寒冷地帶，一旦開窗通風(fēng)，寒風(fēng)會直接導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低，進(jìn)而加大建筑供暖的能耗[6]。為了能夠降低能耗，本文將光熱效應(yīng)的原理代入建筑設(shè)計工程中，通過光熱效應(yīng)將太陽光的光能轉(zhuǎn)換為熱能，在不需要額外能量的條件下給室內(nèi)供暖，確保室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

2.3 仿真建筑熱能傳遞參數(shù)分析外窗保溫性能

本文在仿真研究時，將某地區(qū)冬季一日內(nèi)的溫度變化、風(fēng)力變化以及太陽輻射變化作為參考量。設(shè)定建筑物的導(dǎo)熱性能如表1所示。

表1 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能

本次實驗的主要研究目標(biāo)為建筑外窗，因此建筑外窗的導(dǎo)熱性能參數(shù)保持恒定值不變，且將其分為傳統(tǒng)建筑與光熱材料建筑兩種。室內(nèi)熱源設(shè)定為3人，且上午8h至下午5h均不在室內(nèi)[7-9]。在實際生活中，建筑物周邊環(huán)境的植物種類和數(shù)量也會對溫度產(chǎn)生影響[10]，因此在實驗過程中需要設(shè)置建筑周邊的綠化程度。假設(shè)該建筑位于城市中心，周邊只有少量植被覆蓋，其余皆是高樓平原闊路，且建筑物并不密集，不具備擋風(fēng)效果。

選定建筑外窗經(jīng)太陽光輻射過后的平均偏移誤差與均方根誤差，然后通過Matlab軟件計算建筑外窗評估模型的變化系數(shù)，得到其導(dǎo)熱性能的精確度，計算公式如式(1)～(3)所示。然后設(shè)定外窗本身通過玻璃傳遞熱量的數(shù)值，在本文中可以通過對比的方式設(shè)定兩種外窗玻璃，其中一種選擇常見的鋁合金窗框，另一種為基于光熱效應(yīng)原理制成的特質(zhì)外窗玻璃。其參數(shù)性能如表2所示。

表2 外窗玻璃的性能參數(shù)

將以上數(shù)據(jù)全部輸入計算機(jī)的仿真軟件構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)模型，然后依次輸入照明系統(tǒng)的熱量、住戶本身能量輻射等多種熱能補(bǔ)充條件的參數(shù)，至此得到一個相對完整且真實可靠的住宅參數(shù)模型。

3 仿真研究

3.1 數(shù)據(jù)收集

為了驗證本文基于光熱效應(yīng)的建筑保溫性研究相較于傳統(tǒng)的研究方法更具備科學(xué)性，進(jìn)行仿真的對比研究，仿真軟件中設(shè)置的建筑物模型如圖1所示。

圖1 建筑仿真模型

圖1中的外窗玻璃面積較大，將傳統(tǒng)外窗玻璃與光熱外窗玻璃分為兩種，分別如表2所示設(shè)置不同的導(dǎo)熱參數(shù)。并且設(shè)定自然通風(fēng)條件下與緊閉門窗條件下室內(nèi)外溫度以及供暖條件的參數(shù)，通過仿真分析得到結(jié)論，并對其變化進(jìn)行分析。

3.2 外窗緊閉時建筑保溫性仿真

首先分析保持光照強(qiáng)度恒定狀態(tài)下建筑保溫性研究方法的科學(xué)性。在仿真軟件中設(shè)置一個初始的室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度，參考表1與表2的數(shù)據(jù)作為傳統(tǒng)的建筑保溫性研究中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，計算該算法下室內(nèi)溫度。設(shè)置太陽光光照強(qiáng)度為200lx，然后根據(jù)式(1)～(3)計算光熱效應(yīng)影響下的室內(nèi)溫度。

如表3可知，初始預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度在16℃到30℃之間緩步提升，與此同時，通過傳統(tǒng)方法與光熱效應(yīng)方法計算得到的室內(nèi)溫度也在逐漸提升，但是因為計算公式的不同，在結(jié)果上存在一定的差異。在表3的數(shù)據(jù)中，傳統(tǒng)方法的計算結(jié)果在最初的16℃時就比預(yù)設(shè)溫度小2℃，在30℃時，與預(yù)設(shè)溫度相差4℃，這種計算方法存在較大的誤差。而光熱效應(yīng)下的計算方式雖然也有一定的誤差，在某些情況下計算結(jié)果偏小，但也保證了70%的正確率，相較于傳統(tǒng)的計算方式更具有科學(xué)性，這也正說明了光熱效應(yīng)的計算方式是正確的，在建筑保溫性研究中確實需要引入太陽光的光照強(qiáng)度作為參考值。

表3 恒溫條件下建筑保溫性研究對比

在上述實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同光照強(qiáng)度下的建筑室內(nèi)溫度仿真。以光照強(qiáng)度為變量，通過不同時間下設(shè)置不同的光照強(qiáng)度。因此可以得到預(yù)設(shè)溫度、光熱效應(yīng)下的室內(nèi)溫度以及傳統(tǒng)計算方式下的室內(nèi)溫度如圖2～圖4所示。

圖2 仿真預(yù)設(shè)溫度

圖3 光熱效應(yīng)下溫度變化趨勢

圖4 傳統(tǒng)研究方法下溫度變化趨勢

在圖2中，假設(shè)室外溫度恒定為0℃，且24h內(nèi)不額外供能，此時無論使用什么類型的建筑外窗，室內(nèi)溫度會呈現(xiàn)一個“幾”字型的變化趨勢。夜晚溫度最低時為4℃，中午陽光輻射較為充足，溫度最高時為23℃。

由圖2～圖4可知，圖2與圖3最相像，但是還存在一定的誤差。在正午階段，兩者溫度較接近，但是在上午八點之前與下午四點以后，兩者的溫度存在2℃以上的差異，這主要是室內(nèi)生物輻射的影響。將圖2與圖4相對比，夜晚的溫度相差不大，但是在室外溫度逐漸上升時，兩幅圖像的曲線存在較大的差異，除此以外，可以明顯觀察到圖2預(yù)設(shè)溫度的曲線是一個“幾”字型，而圖4的曲線則是一個拱形。通過圖2～圖4的溫度變化曲線可以得知，太陽光照強(qiáng)度對計算建筑保溫性有很大的影響，太陽光照強(qiáng)度越大，室內(nèi)溫度越高，而如果不計算光熱效應(yīng)，則會導(dǎo)致計算結(jié)果與實際結(jié)果存在較大誤差。

3.3 通風(fēng)條件下外窗保溫性仿真

上文的實驗中主要研究了光熱效應(yīng)對密閉建筑內(nèi)溫度變化的影響，并突出了計算建筑保溫性時光熱效應(yīng)參數(shù)下本文的優(yōu)勢。接下來的實驗是在自然通風(fēng)條件下進(jìn)行的仿真分析。設(shè)定外界溫度恒為0℃，光照強(qiáng)度隨時間變化而變化。在正午12時開窗自然通風(fēng)半小時后關(guān)閉外窗，根據(jù)仿真預(yù)設(shè)溫度、光熱效應(yīng)下的室內(nèi)溫度以及傳統(tǒng)計算方式下的室內(nèi)溫度如圖5～圖7所示。

圖5 自然通風(fēng)條件下預(yù)設(shè)溫度

圖6 自然通風(fēng)條件下光熱效應(yīng)溫度變化趨勢

圖7 自然通風(fēng)條件下傳統(tǒng)方法溫度變化趨勢

如圖5～圖7所示，在寒冷地帶的冬季開窗通風(fēng)后，室內(nèi)溫度會驟然下降，但是在關(guān)閉外窗后，由于室內(nèi)暖氣的影響，溫度還會繼續(xù)回升。圖6與圖5相比，外窗關(guān)閉后的溫度變化曲線十分相似，都是急速回升后再下降。本次實驗的研究重點在外窗開啟時的溫度變化誤差，12時30分也是三幅圖像中溫度最低的時刻。在這個時間點，圖5的最低溫度在4℃左右，這是初始的預(yù)設(shè)溫度，圖6的最低溫度在5℃，與預(yù)設(shè)值相差1℃，這主要是由于計算光熱效應(yīng)參數(shù)可以降低誤差，而在不考慮光熱效應(yīng)影響的傳統(tǒng)計算方法中，最低溫度只有1℃。因此可知本文研究的基于光熱效應(yīng)的建筑自然通風(fēng)外窗保溫性研究方法，較傳統(tǒng)的研究方法更具備科學(xué)性。

4 結(jié)束語

使用光熱材料設(shè)計建筑外窗是一種十分有效的保溫手段，不僅能夠保證寒冷地帶冬季室內(nèi)溫度，還能夠有效地節(jié)約能源，因此研究光熱效應(yīng)材料是十分必要的。

1)建筑保溫性仿真中，設(shè)計方法得到的室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)值趨勢一致，均為逐漸提升，雖然也有一定的誤差，但也保證了70%的正確率；

2)不同光照強(qiáng)度下的建筑室內(nèi)溫度仿真中，在正午階段，設(shè)計方法與預(yù)設(shè)值的溫度較接近，但是在上午八點之前與下午四點以后，兩者的溫度存在2℃以上的差異，相比于傳統(tǒng)方法誤差較小；

3)通風(fēng)條件下外窗保溫性仿真中，設(shè)計方法，最低溫度在5℃，與預(yù)設(shè)值相差1℃。

由于此次實驗主要針對寒冷地帶，且建筑周圍綠化程度較小，下一步研究將擴(kuò)大適用領(lǐng)域，進(jìn)一步提升研究的科學(xué)性。