吐魯番地區(qū)居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究

陳 潔，楊 柳，羅智星

(西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

我國建筑能耗約占總能耗的30%，其中用于控制室內(nèi)熱環(huán)境和空氣質量的采暖、通風和空調能耗是建筑運行階段能源消耗的主要組成部分，通過提高設備系統(tǒng)運行效率，優(yōu)化圍護結構太陽輻射得熱及保溫隔熱性能是實現(xiàn)建筑節(jié)能的基本方法.隨著生活水平與城市化水平的不斷提高，夏季高溫地區(qū)空調能耗持續(xù)增加.吐魯番地區(qū)降雨量低蒸發(fā)量高，屬于典型大陸性干旱荒漠氣候，夏季極端干燥炎熱，見圖1，最高溫度47.7 ℃，最熱月平均溫度32.7 ℃，空調度日數(shù)CDD26高達579 ℃·d，是我國除海島以外降溫需求最高的地區(qū).夏季不保證率為2.5%的太陽輻射日均累計值為8 697 W/m2，太陽輻射強烈[1]，室內(nèi)熱環(huán)境存在過熱、干燥和氣悶等問題[2].如何通過圍護結構熱工性能改善室內(nèi)熱環(huán)境，特別是在極端氣候地區(qū)，亟需針對干熱氣候特征的圍護結構隔熱設計方法.

室內(nèi)熱環(huán)境是一個復雜的熱平衡過程，被動式建筑設計方法基于室外氣象條件優(yōu)化圍護結構，使得衰減和延遲后的自然室溫接近人體熱舒適范圍[3]，在選取不同承重結構與保溫隔熱層材料與厚度組合研究中，主要有保溫隔熱層厚度優(yōu)化與圍護結構動態(tài)傳熱性能數(shù)值研究[4]，圍護結構蓄熱性能臨界值及相對位置對建筑冷熱負荷的影響研究[5]，以及熱惰性指標與構造方式對圍護結構熱工性能的影響研究[6]，外圍護結構蓄熱被認為是有利于建筑節(jié)能和調節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境[7]，內(nèi)部蓄熱體雖然不承受室外氣候波動，但因其體積占比大對室內(nèi)環(huán)境作用顯著[8].文獻[9]認為圍護結構蓄熱的作用本質上取決于熱流的時間變化，并且室外氣溫和太陽輻射的周期性是最具決定性的因素之一.文獻[10]結合室外熱作用朝向差異對外墻失熱量進行分析，認為采用墻體傳熱系數(shù)朝向差異化設計可減少墻材用量，且太陽輻射強度越高的地區(qū)節(jié)材性越明顯.在吐魯番地區(qū)，圍護結構夏季受到較高的室外氣溫和強烈的太陽輻射雙重作用，建筑各朝向受到太陽輻射存在差異，單一的隔熱設計將造成室內(nèi)非均勻熱環(huán)境從而降低室內(nèi)人體熱舒適感[11].

針對吐魯番地區(qū)夏季極端高溫與太陽輻射周期性強烈變化的氣候特征，本文對吐魯番居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境進行實測，以雙向非穩(wěn)態(tài)傳熱計算圍護結構內(nèi)表面溫度，通過數(shù)值模擬方法，分析了太陽輻射朝向差異作用下內(nèi)外蓄熱體對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，提出室外綜合溫度朝向差異的建筑墻體熱工設計方法，為該地區(qū)建筑節(jié)能與熱工設計提供參考.

圖1 吐魯番夏季日均干球溫度、日均相對濕度Fig.1 Dry bulb temperature and relative humidity in Turpan in summer

1 圍護結構內(nèi)表面溫度

1.1 室外綜合溫度

在室外綜合溫度的作用下，通過外圍護結構向室內(nèi)大量傳熱，《民用建筑熱工設計規(guī)范》(GB 50176—2016)中室外綜合溫度計算由室外氣溫增加太陽輻射的等效溫度值[12].

(1)

式中:tsa為室外綜合溫度，℃；te為室外空氣溫度，℃； 為投射到圍護結構外表面的太陽輻射照度，W/m2；ρs為外表面的太陽輻射吸收系數(shù)；αe為外表面換熱系數(shù)，W/(m2·K).熱工標準中建筑隔熱設計以圍護結構內(nèi)表面溫度為目標，控制外墻傳熱性能.外圍護結構外表面受到日曬時數(shù)和太陽輻射強度存在差異，在諧波作用下的周期性傳熱過程中，傳熱量與材料和材料層的蓄熱系數(shù)及材料層的熱惰性有關.因此，考慮室外溫度諧波和室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面時的衰減倍數(shù)和延遲時間，提出計算圍護結構在熱阻及朝向差異下的內(nèi)表面溫度.

1.2 圍護結構內(nèi)表面溫度計算

室外計算參數(shù)值為歷年最高日平均溫度中的最大值所在日的室外溫度逐時值，以及各朝向室外太陽輻射逐時值，計算各個朝向室外綜合溫度.通過設置外圍護結構保溫隔熱層厚度，計算自然通風狀態(tài)下吐魯番地區(qū)外圍護結構內(nèi)表面溫度，室內(nèi)外空氣平均溫度分別為37.13 ℃、35.63 ℃，外表面放熱系數(shù)19 W/(m2·K)，太陽輻射吸收系數(shù) 0.7，內(nèi)表面放熱系數(shù)8.7 W/(m2·K)，圍護結構熱工性能見表1，其總熱阻分別為 0.131 m2·K/W(工況一)、0.845 m2·K/W(工況二)、2.511 m2·K/W(工況三)，熱惰性指標分別為 2.081(工況一)、2.335(工況二)、2.917(工況三).

表1 墻體構造及熱物理性能

圖2 室外綜合溫度Fig.2 Sol-Air temperature for each orientation

通過圖2可以看出，不同朝向的室外綜合溫度最高值分別為63.52 ℃(東側)、62.13 ℃(西側)、66.35 ℃(南側)、52.03 ℃(北側)，東西向溫差最小，南北向溫差最大，溫差范圍為1.39～14.32 ℃.峰值出現(xiàn)的時間差異較大，其中東西向時差達到5 h.通過圖3可以看出，圍護結構的衰減和延遲作用使得各個朝向的內(nèi)表面溫度差異減小，隨著熱阻增加，各朝向溫差范圍分別為0.21～2.36 ℃(工況一)、0～0.55 ℃(工況二)、0～0.2 ℃(工況三)，在吐魯番地區(qū)當圍護結構熱阻小于0.85 m2·K/W時，朝向差異對圍護結構內(nèi)表面溫度影響顯著，圍護結構隔熱設計應針對不同朝向提出相應的熱工性能要求.當熱阻增加2.38 m2·K/W，各個朝向峰值降低分別為東側4.13 ℃、西側3.75 ℃、南側4.91 ℃，北側2.75 ℃，因此，在吐魯番地區(qū)對南向、東向圍護結構提高熱阻值可以更經(jīng)濟有效的改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境.

圖3 不同外墻熱阻工況的內(nèi)表面逐時溫度Fig.3 The influence of thermal resistance value of external wall on internal surface temperature

2 室內(nèi)熱環(huán)境測試

2.1 測試對象

選取吐魯番地區(qū)某二層居住建筑進行夏季室內(nèi)熱環(huán)境測試，測試對象處于自然運行狀態(tài)無主動式調溫措施，建筑面積200.1 m2，層高3.5 m，鋼筋混凝土框架結構，圍護結構主體傳熱系數(shù)0.60 W/(m2·K)，蓄熱指標D值為5.60，外墻內(nèi)表面溫度經(jīng)計算最高41.92 ℃，滿足熱工標準隔熱設計要求.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度及圍護結構內(nèi)表面溫度，測試儀器的布置依據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標準》JGJ/T347-2014[13]，如圖4所示，測試儀器性能見表2.

表2 測試儀器性能參數(shù)

2.2 測試結果與分析

選取夏季最高溫時段7月26至8月3日進行室內(nèi)熱環(huán)境測試，由于篇幅所限對7月27日至7月28日連續(xù)48 h數(shù)據(jù)進行分析，如圖5所示.

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

圖5 7月27-7月28日室內(nèi)熱環(huán)境Fig.5 July 27-July 28 indoor thermal environment

吐魯番地區(qū)中性溫度為30.1 ℃，80%可接受溫度上限為33.8 ℃，[14]當濕度低于30%會引起人體熱感覺的不滿[15]，通過分別計算滿足熱舒適溫度和濕度的時間比對室內(nèi)環(huán)境進行評價，實測建筑夏季室內(nèi)干球溫度32.6～37.2 ℃，相對濕度14%～35%，滿足熱舒適溫度上限時間比為15.8%，達到濕度范圍的時間比為22.1%.可見以滿足圍護結構熱工標準為隔熱設計要求仍難以達到室內(nèi)熱舒適的需求，這是因為熱工標準以夏季室外空氣溫度最高值為參考對象，而吐魯番地區(qū)夏季極端高溫，標準相對過于寬松.值得注意的是各朝向內(nèi)表面溫度實測值差異明顯高于計算值，原因可能是窗墻比差異對非透明圍護結構傳熱的影響，另外計算值未考慮室內(nèi)蓄熱體的熱作用，為分析室內(nèi)蓄熱體對外圍護結構內(nèi)表面溫度的影響，建立數(shù)值模擬模型進行比較分析.

3 模擬與分析

3.1 模型設置

以實測建筑建立幾何模型，通過集成化建筑性能分析軟件IES對圍護結構傳熱進行模擬分析，構造形式及其熱工性能見表3，通過變量控制內(nèi)蓄熱熱惰性分別為0.93、3.73、7.47三種工況下分別計算各朝向的內(nèi)表面溫度.

表3 建筑圍護結構構造及物理性能參數(shù)

3.2 模擬結果分析

通過實測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬計算可行性，在24 h周期內(nèi)，實測溫度均值與模擬計算均值分別為為37.27 ℃、37.33 ℃，變化趨勢一致，逐時溫差最大為1.47℃，均方根誤差為0.74，其結果在誤差允許范圍內(nèi)，經(jīng)驗證IES能夠對室內(nèi)熱環(huán)境進行準確預測.

圖6 不同內(nèi)蓄熱工況的外墻內(nèi)表面溫度Fig.6 The effect of internal regenerator on internal surface temperature

由圖6可見，室內(nèi)蓄熱狀況對熱環(huán)境產(chǎn)生影響，當內(nèi)蓄熱體的熱惰性由0.34增加到3.76時，溫度增加0.18～0.59 ℃，但當熱惰性增加至7.47時，溫度增加-0.01～0.47 ℃，可見外圍護結構內(nèi)表面溫度并不與內(nèi)蓄熱體熱惰性線性相關.室內(nèi)低蓄熱狀況下外圍護結構內(nèi)表面溫度均較低，并且室內(nèi)蓄熱程度對外圍護結構內(nèi)表面溫度影響幅度存在朝向差異，北側變化幅度高于其他方向，在室內(nèi)空間劃分時，應注意北側內(nèi)蓄熱體對夏季降溫的有利作用.西側和東側變化趨勢存在晝夜差異，也就是說，控制室內(nèi)較低蓄熱有利于改善低溫時段室內(nèi)熱環(huán)境.

4 結論

1)通過夏季室內(nèi)熱環(huán)境測試表明吐魯番地區(qū)夏季室內(nèi)溫度偏高，相對濕度較低，熱工標準隔熱設計要求很難滿足室內(nèi)熱舒適需求，80%熱舒適上限達標時間比為15.8%，滿足濕度要求的時間比為22.1%，室內(nèi)熱環(huán)境仍亟待改善.

2)利用圍護結構熱阻提高隔熱性能的方法在不同朝向下存在差異，在吐魯番地區(qū)當圍護結構熱阻小于0.85 m2·K/W時，朝向差異對圍護結構內(nèi)表面溫度影響顯著，對南向和東向圍護結構提高熱阻值可以更經(jīng)濟有效的改善室內(nèi)熱環(huán)境.

3)可通過控制室內(nèi)蓄熱改善室內(nèi)熱環(huán)境，但降溫潛力不與室內(nèi)蓄熱值線性相關.在吐魯番地區(qū)進行空間劃分時，降低室內(nèi)蓄熱對北側外圍護結構內(nèi)表面溫度降低幅度最高，對于東側、西側僅在夜間低溫時段有效.