分時分區供暖需求下的被動太陽能建筑適宜性研究

李 濤，王志帆，毛前軍，李冠男，王登甲，劉艷峰

(1. 武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430065；2. 西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引 言

西北大部分采暖區太陽能資源豐富，被動太陽能房是一種簡便易行的冬季室內熱環境改善技術，因此南向采光面大[1-2]的小學建筑具備利用被動式太陽能技術的條件。目前國內外對被動太陽房進行了大量的研究，編寫了相關設計手冊和圖集[3-6]。文獻[7-10]研究了太陽能建筑在西北農村中的應用，推動了太陽能建筑在我國西北地區的發展。

西北鄉域小學建筑缺乏集中供暖措施，室內熱環境差的現象普遍存在[11]。關于被動太陽房在西北鄉域小學建筑的應用研究相對較少，陳景堃、王小鳳等發現通過科學合理的集熱方式和構造措施可提升集熱效率，確定了被動太陽房在學校建筑中的應用可行性[12-13]。但同時對3種典型被動太陽房營造的室內熱環境特性及其對比分析等研究較少。在小學建筑(教室、宿舍等)的使用功能上存在明顯差異，對應的供暖需求也各不相同。

本文通過在最冷月(一月)對西北鄉域同時包含3類被動太陽房的某小學建筑室內熱環境進行測試分析，并基于小學各類型建筑分時分區的熱需求，分析3種被動太陽房的適宜性，為西北鄉域小學依據使用功能的差異性選擇適宜的被動太陽房利用形式提供數據支撐和依據。

1 測試對象

試驗示范測試建筑外景位于陜西省長武縣，太陽能建筑外景如圖1(a)所示。建筑南北朝向，同時采用附加陽光間式、集熱蓄熱墻式及直接受益窗式3種形式的被動太陽房，3種被動太陽房除南向集熱蓄熱構件存在差異外，其他各朝向圍護結構均相同；同時在其設計時已在前期研究成果的基礎上進行優化。由此可見，該測試對象具有一定的典型性，并具備較好的對比效果。此外，為了更好地反映3種被動太陽房室內熱環境的營造效果，在測試太陽能建筑附近，選取教師公寓作為對比建筑，對比建筑外景如圖1(b)所示。

(a)太陽能建筑

(b)對比建筑圖 1 測試建筑外景Fig.1 Outdoor scene of test building

3種被動太陽房南向集熱蓄熱構件結構如圖2所示。圖2中，標注了構件結構的關鍵尺寸參數，其中直接受益窗式南立面為單層玻璃塑鋼窗，傳熱系數4.7 W/(m2·K)；集熱蓄熱墻式南立面玻璃幕墻距離外墻厚0.08 m，2個上通風孔為0.36 m×0.3 m，東西方向對稱，下通風孔為0.6 m×0.36 m，位于墻面中心處，窗戶為雙層玻璃塑鋼窗，傳熱系數2.6 W/(m2·K)；附加陽光間式陽光間深度1.5 m，南立面為單層玻璃塑鋼窗。其他外圍護結構材料尺寸和物性參數見表1[14-15]。

(a)附加陽光間式 (b)集熱蓄熱墻式 (c)直接受益窗式圖 2 3種被動太陽房南向構件結構(單位：mm)Fig.2 The structure of the southward component in three passive solar houses

表1 實驗建筑圍護結構熱物性參數Tab.1 The thermal physical parameters of the test building envelope

2 室內熱環境測試方案

2.1 測試儀器及測點布置

太陽輻射強度采用Vantage pro 2便攜式自動氣象站測量，與TBD-1型輻射儀及QTS-4型全天候光輻射數據自記儀配合使用，布置在建筑屋面。室內外空氣溫度利用TR-72U自記式溫濕度計測量。室內溫度測點設在房間中部，距地面1.5 m，3種被動式太陽房測試現場如圖3所示。選取的測試房間均位于二樓，其左右鄰室及下方房間均為同一類型被動太陽房。因此，測試房間和鄰室空氣溫度變化趨勢相似，鄰室傳熱對測試房間室內空氣溫度的影響可忽略。

(a)附加陽光間式 (b)集熱蓄熱墻式 (c)直接受益窗式圖 3 3種被動太陽房測試現場Fig.3 Three types of passive solar house

2.2 測試目的

為了掌握西北小學建筑中3種典型被動太陽房冬季室內熱環境變化特征，基于各類型使用功能和建筑室內供暖需求獲取被動太陽房在小學建筑中的適宜性，測試在最冷月期間(一月)被動太陽房的某小學建筑房間空氣溫度、對比房間(既有教師公寓)空氣溫度和室外氣象參數。測試期間被動太陽房無內熱源干擾，房門關閉。同時為了避免測試人員進出房間改變室內空氣溫度對測試結果的影響，未做出人員進入房間改變直接受益窗窗簾、集熱蓄熱墻通風孔和附加陽光間公用門所處狀態的操作。測試期間始終維持直接受益窗簾、集熱蓄熱墻通風孔和附加陽光間公用門處于開啟狀態。3種被動太陽房夜間均處于未保溫狀態，均存在一定的失熱量；而非僅將某個被動太陽房南向構件進行單獨保溫處理，造成結果出現顯著差異性特點。同時處于未保溫狀態以及選擇最冷月(一月)測試也使3種被動太陽房處于最不利工況，使測試結果具備說服力。整個測試每隔10 min自動記錄數據，選取1月9日—1月13日的測試數據進行對比分析。

3 測試結果與分析

3.1 室外氣象參數

室外氣象參數如圖4所示。從圖4可以看出，測試期間室外空氣溫度最大值5 ℃，最小值-11.5 ℃，平均溫度-3.2 ℃，低于當地采暖季室外空氣平均溫度0.9 ℃。因此可以認為測試期間氣象條件典型，測試結果具有代表性。同時發現，最大太陽輻射強度699 W/m2，平均日照時數10 h，太陽能資源豐富。

(a)太陽輻射強度

(b)室外空氣溫度圖 4 室外氣象參數Fig.4 Outdoor climatic parameter

3.2 被動太陽房與對比房室內熱環境對比

對比測試期間3種形式被動太陽房與對比房間溫度的室內空氣溫度變化如圖5所示。測試期間直接受益窗式、集熱蓄熱墻式和附加陽光間式房間空氣溫度均高于對比房間溫度，其中平均溫度分別高于對比房間4.0、6.5、4.5 ℃，被動太陽房對房間室內熱環境有明顯的改善作用。

圖5 被動太陽房與對比房間室內空氣溫度對比Fig.5 The comparison of indoor air temperaturebetween passive solar house and control house

對比3種被動太陽房室內空氣溫度發現，由于南向大面積窗在晝間透過太陽輻射多，室內溫度提升大，夜間通過窗失熱量大，直接受益窗式太陽房室內溫度日較差最大，達到9.7 ℃。附加陽光間式太陽房溫度日較差最小，僅為3.5 ℃，但其房間溫度全天均不超過12.0 ℃[16]，因為陽光間存在一定的溫度衰減作用。集熱蓄熱墻式太陽房溫度波動低于直接受益窗式太陽房，且集熱蓄熱墻式太陽房溫度超過12.0 ℃的日平均小時數為8.0 h，高于直接受益窗式3.9 h。集熱蓄熱墻式被動太陽房全天供暖效果優于直接受益窗和附加陽光間式。

3.3 被動太陽房適宜性

由測試結果可知，3種被動太陽房呈現不同類型的室內熱環境變化特征，盡管通過全天太陽房室內空氣溫度對比發現，集熱蓄熱墻式太陽房優于其他2種太陽房，但學校建筑在使用上存在明顯的間歇性，且不同類型建筑存在不同的熱需求特征，室內全天溫度并不能反映建筑使用期間的室內熱環境狀況。

3.3.1 西北鄉域小學建筑分時分區熱需求 調查測試建筑當地的小學冬季作息模式為8∶00—12∶00(上午課程時間)，12∶00—13∶30(午餐時間)，13∶30—17∶00(下午課程時間)。依據作息時間表和小學建筑使用功能將西北鄉域小學建筑劃分為教室(晝間使用)、教師宿舍(全天使用)和食堂(午間使用)3種主要使用功能類型建筑。依據小學內人員室內活動狀態，分為晝間學習狀態、午間吃飯活動狀態、夜間睡眠狀態。

依據課題組前期研究小學生處于學習狀態時需同時考慮學生學習效率以及熱舒適性，冬季教室供暖溫度取值為13～18 ℃[17]。學生午間吃飯和教師晝間宿舍活動狀態下供暖溫度取值為16～18 ℃，教師夜間睡眠狀態下溫度取值為11～13 ℃[18-20]。其中通過對當地的調查，22∶00—7∶00為教師睡眠時間段。綜合上述分析，西北鄉域小學建筑分時分區供暖需求見表2。

表2 西北鄉域小學建筑分時分區供暖需求Tab.2 The heating demand in temporal and spatialdimensions of primary schools in northwesttownship domain

3.3.2 被動太陽房適宜性 ①教室等晝間使用類建筑。通過3種被動太陽房晝間室內空氣溫度與教室供暖需求溫度區間對比結果如圖6所示。

從圖6可以看出，直接受益窗式及集熱蓄熱墻式太陽房房間空氣溫度均呈較好的溫度優勢，二者溫度較接近。由于直接受益窗式南向集熱構件簡單，造價低于集熱蓄熱墻式；同時考慮到教室還需要一定的采光性，直接受益窗式能夠較好的滿足。綜合考慮室內熱環境、經濟性和采光性，晝間使用教室類功能建筑適宜選擇南向大面積窗的直接受益窗式太陽房。

圖6 3種被動太陽房8∶00—17∶00時室內空氣溫度變化Fig.6 The indoor air temperature variationof three types of passive solar house during 8∶00 to 17∶00

②宿舍等全天使用類建筑。3種被動太陽房全天室內空氣溫度變化如圖7所示。

圖7 3種被動太陽房全天室內空氣溫度變化Fig.7 The indoor air temperature variation of three types of passive solar house

從圖7可以看出，通過3種被動太陽房室溫對比發現，集熱蓄熱墻式對于滿足教師宿舍等全天使用類建筑晝夜2種不同的熱需求特征具有顯著優勢。但集熱蓄熱墻式太陽房晝間和夜間的室溫均低于宿舍類建筑晝夜2個時間段的熱需求區間，難以完全滿足其供暖需求。其中晝間室溫低是由于該地區當前測試設計條件下其集熱量不足。夜間室溫低是由于在午后16∶00左右溫度驟降，因為室外溫度低，太陽輻射明顯降低，通風孔仍處于開啟狀態，在空氣夾層內出現較大的熱壓差，存在明顯的熱損失?？赏ㄟ^合理的運行管理，關閉通風口減少熱損失，使其具有較好的供暖效果。因此還需對集熱蓄熱墻式太陽房進行優化設計，改變室溫變化特征滿足分時分區供暖需求。

③餐廳等午間的使用類建筑。本文僅考慮午間供暖需求時將陽光間內溫度，整理12∶00—13∶30時間段內3種被動太陽房與附加陽光間內溫度變化特征如圖8所示。

圖8 3種被動太陽房與陽光間內12∶00—13∶30空氣溫度對比Fig.8 The indoor air temperature variation between the three passive houses andthe sun room during 12∶00 to 13∶30

從圖8可以看出，12∶00—13∶30時3種太陽房平均室溫均低于16 ℃；陽光間內溫度可較好地滿足餐廳類建筑午間供暖需求。因此僅僅使用不足2 h的餐廳午間使用類建筑可考慮采用陽光間；此外，溫度日較小穩定的陽光間房間可考慮作為廚房、值班室等使用。

綜上所述，3種被動太陽房營造出不同的室內熱環境變化特征，在一定程度上能夠滿足小學建筑分時分區供暖需求，因此西北村鎮小學建筑應用被動太陽房技術具備可行性。但是由于受室外氣象條件、設計運行等因素影響，可基于不同使用功能類型建筑室內分時分區供暖需求對被動太陽房設計運行等進行優化，進一步完善優化被動太陽房技術在西北鄉域小學建筑中的應用。同時考慮到雨雪天氣等因素，僅采用被動太陽房形式難以滿足整個采暖季的供暖需求，還可以通過增加主動式設備對室內供暖以期滿足小學建筑供暖需求。

4 結 論

1) 被動太陽房對房間室內熱環境的改善作用顯著，可提高室內空氣平均溫度4.0 ℃以上；集熱蓄熱墻式和附加陽光間式太陽房室溫日較差小，其中集熱蓄熱墻式太陽房室溫超過12.0 ℃的日平均小時數達8.0 h，供暖效果優于直接受益窗式和附加陽光間式。

2) 獲得了3種被動太陽房溫度變化特征與各功能建筑供暖需求間的匹配對應關系，集熱蓄熱墻式適宜于教師宿舍等全天使用的建筑類型；教室等晝間使用的建筑類型則仍宜采用大面開窗的直接受益窗式；餐廳等午間使用的建筑類型宜采用陽光間。

3) 在當前設計測試條件下，3種被動太陽房所營造室內熱環境變化特征難以完全滿足小學建筑各類功能房間分時分區的熱需求，但典型氣象條件下典型建筑在最不利工況測試所得室內溫度的變化規律與分時分區熱需求的匹配對應關系為小學建筑利用被動太陽房提供參考。