拉萨新民居建筑冬季室内热环境影响因素分析

刘艳峰，胡筱雪，周 勇，王登甲，胡 威

(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055)

拉萨是世界上海拔最高的城市之一，年日照时数达3 000 h以上，年总太阳辐射高达7.2 GJ/m2[1-3]，其太阳能资源相当丰富，是主被动太阳房热利用的良好热源[4-5].在社会经济和被动节能技术迅猛发展的背景下，拉萨地区出现了大量集中搬迁村庄，其新式建筑运用被动太阳能设计的比例也逐年增加[6-7].前期调研表明，此类搬迁建筑房屋形态符合西藏文化特征，当地居民接受度较高，但其室内热环境现状仍有待进一步调研.

影响被动式建筑室内热环境的因素主要包括室外气候(太阳辐射、温湿度等)、建筑特征参数(建筑外形、朝向、体形系数、室内空间结构等)和围护结构(材料、遮阳、窗墙比等)三大部分.文献[8]通过提出非平衡保温概念，阐述了在太阳辐射作用下，不同朝向围护结构的不同传热现象.文献[9]研究了拉萨地区现有单体建筑中不同朝向、不同围护结构保温组合条件对室内热环境的影响.文献[10]对拉萨典型传统民居的被动太阳能利用进行实测，发现冬季室内温度整体偏低，南向直接受益式房间温度波动较大，并给出了加强保温和蓄热能力的建议；文献[11]比较了居民自建新建筑与旧建筑室内热环境和围护结构热工性能，分析了新式民居室内热环境的变化与特点.文献[12-13]主要对单元式住宅建筑，从建筑空间设计与围护结构热工性能设计讨论了直接受益式和附加阳光间式太阳房的被动设计要素对冬季采暖能耗的影响.文献[14]基于大连某农村住宅热环境现状，利用正交数值试验与综合平衡法对建筑布局、围护结构等方面进行了优化设计.

这些研究对各类住宅建筑及其影响室内热环境的主要因素都做了较好的分析，但关于新式集中搬迁建筑室内热环境的调研仍较少.为此本文对拉萨市集中搬迁村庄建筑室内热环境展开全面调研测试，通过与旧建筑对比，全面分析建筑热工特性、围护结构等方面对建筑的影响、探究影响室内热环境的因素.同时，针对调研结果中存在较大问题的空间结构和直接受益窗设计，结合测试结果和数值模拟结果，进行了详细探讨，以期提出更加全面的室内热环境优化措施，完善影响室内热环境的因素，达到优化室内热环境和减少能耗的目的.本文对当地新建建筑室内热环境设计提供一定参考.

1 测试调研概况

为了解集中搬迁村庄新建筑室内热环境现状，课题组于2017年2月对比各搬迁项目选择较为典型的林周县卡孜乡白朗新村进行测试调研(图1为搬迁示范建筑)，且选择白觉林乡色康村旧建筑进行对比.测试内容包括太阳辐射强度、室外空气温度、室内主要房间空气温度及壁面温度等，测量参数及仪器如表1所示.调研以发放问卷及走访观察为主，主要内容包括建筑结构、常住人口、室内热感觉、作息时间、穿着以及对现有住宅的评价.

图1 白朗村集中搬迁示范项目Fig.1 Bailang village centralized relocation demonstration project

测试调研内容及目的：(1)测试室内空气温度及壁面温度，调研建筑结构，了解被动节能技术运用现状，分析造成室内热环境差的原因；(2)调查冬季室内人员的作息规律、热感觉和热需求，确定居民主要生活空间，作为模拟分析的依据.

2 测试调研对象

选择林周县卡孜乡白朗新村和白觉林乡色康村具有代表性的新建建筑和既有旧建筑进行测试.新建建筑为双拼排屋，砼石砌体结构，测试房间为一层客厅和二层南北向房间，建筑平面布局及测点布置如图2所示；旧建筑形式为二层独栋，传统土木结构，无保温层，一层为储物间，二层为客厅、卧室等主要人员活动区，测试房间为二层客厅，建筑平面布局及测点布置如图3所示.两户均未采暖.

图2 新建建筑平面及测点布置图(单位：mm)Fig.2 Plane and measured spots of new building (unit: mm)

图3 旧建筑二层平面及测点布置图(单位：mm)Fig.3 Plane and measured spots of two floors of old building (Unit: mm)

新旧建筑围护结构热工条件见表2、3，客厅南向、南向房间南向、西向、北向房间北向窗墙比分别为0.40、0.44、0.36、0.25.旧建筑客厅南向、东向窗墙比分别为0.47、0.37.两栋建筑南向开窗面积大，北向较小，旧建筑外墙较厚，均有利于被动太阳能利用.

3 测试结果及分析

3.1 室外测试结果分析

太阳辐射强度及室外温度如图4所示，测试期间林周县冬季日照持续时间为10 h，平均太阳总辐射为492 W/m2，峰值为776 W/m2，出现在正午；太阳直射辐射占总辐射的74%～93%，表明拉萨地区冬季太阳辐射强，可为主被动太阳房热利用提供较好的热源条件；室外空气平均温度为-3.7 ℃，峰值、最低值分别为3.4 ℃、-10.9 ℃.

表1 测试参数及仪器

表2 新式建筑围护结构热工条件

表3 旧建筑围护结构热工条件

图4 太阳辐射强度及室外温度Fig.4 Solar radiation intensity and outdoor air temperatures

3.2 室内测试结果分析

各被测房间室内空气温度如图5所示，由于南向房间开有南、西两扇外窗，延长了太阳辐射得热时间，导致其房间最高温度相较于新旧客厅延迟3 h左右.新建建筑南北两房间室内平均温度分别为6.7 ℃和3.5 ℃，峰值温差达7.3 ℃，主要是由于南向房间窗墙比明显大于北向房间，增大了接受阳光照射面积，但同时也导致室内温度波动增大.所以应综合考虑选择合适的窗墙比，以提高室内空气温度和稳定性.新建建筑客厅和南向房间南向开窗面积都较大，但客厅平均温度较南向房间低1.0 ℃，除南向房间开有两面外窗的原因外，客厅与楼梯间直接相通未围合的空间布局，也会使热量散失，降低室内温度.

调研发现多数居民为防止室内眩光，其房间窗帘为闭合状态，未能更好利用太阳辐射热量使房间升温，也是各房间温度整体偏低的原因之一.

新旧建筑壁面平均温度及波幅如图6所示，壁面温度普遍较低，进而影响室内温度.新旧建筑南外墙内壁面平均波幅分别为4.5 ℃和1.7 ℃，表明旧建筑外墙蓄热能力优于新建建筑，其原因是新建建筑墙体材料为混泥土砌块，而旧建筑墙体材料为夯土结构，墙体也较厚重，可以平抑温度波动，提高围护结构热稳定性.屋顶平均温度较高，波幅也较大，所以应加强屋顶的保温设计.由图5可知，新旧建筑客厅室内平均温度分别为5.7 ℃和4.9 ℃，峰值相差为1.9 ℃，表明旧建筑保温性能不佳，这主要是围护结构材质导致[14]，而外窗是围护结构热工性能中最薄弱的部位[15]，新建建筑采用中空玻璃，旧建筑为普通单层玻璃，即采用新型保温节能外窗，也是提高建筑保温性能的重要措施.

图5 各被测房间室内空气温度Fig.5 Indoor air temperature of measured rooms

图6 新旧建筑壁面平均温度及波幅Fig.6 Mean temperature and amplitude of new, old building walls

3.3 热感觉测试结果分析

为了解当地居民对集中搬迁建筑的热感觉，对部分住户做了问卷调研，调研对象为常住居民，身体健康，其中男女比例大致相等，最大年龄居民63岁，最小8岁，平均年龄为33.9岁，有效问卷共32份.调研结果显示，冬季室内人员主要以坐、站等轻型活动为主，室内人员着装基本为秋裤+棉裤+秋衣+毛衣+外套+靴子，平均服装热阻为2.4 clo.居民对室内热环境主观感觉与主观期望如图7所示，其中34.3%和43.8%的居民分别认为中性和稍凉，凉的人只占9.4%，其原因是居民对低温环境已产生适应性，且多数居民在室内也穿着较厚的衣服.但调查中，仍有62.5%的人期望室内温度暖一些，且新、旧两栋建筑室内平均温度在3.5～ 6.7 ℃之间，均低于了ASHRAE 55-2013中所规定的人体热舒适最低容忍温度14 ℃[16]，可采用合理的采暖、被动节能措施提高室内温度，改善室内热环境.

图7 室内热环境主观评价与主观期望Fig.7 Subjective evaluation and subjective expectation of indoor thermal environment

4 空间结构和外窗对室内热环境影响

通过调研测试发现在直接受益窗设计方面，为改善其热工性能，新建建筑大多使用双层中空透明玻璃，但因拉萨地区太阳辐射强，南窗面积较大，容易引起室内眩光，当地一些居民习惯在白天拉上窗帘(透明玻璃+白天窗帘闭合模式)，这既减少室内得热亦影响采光.因此本文提出一种深色玻璃+窗帘全开的新模式，通过数值计算，分析该模式对室内热环境的影响.

同时，基于对当地住宅建筑空间结构的调研，发现客厅与楼梯间直接相通未围合的问题造成热量散失，因此，提出加强房间围合性的优化措施，并通过数值模拟得到其措施对改善室内热环境及能耗的积极作用.

4.1 模型建立

调研结果显示，居民在卧室活动时间集中于21:00～次日8:00，其余时间在客厅，可见客厅和卧室是拉萨居民的主要生活空间，因此提高客厅和卧室的室内热环境尤为重要，本节主要以客厅为例，利用Energyplus，分析空间结构和直接受益窗特性对室内热环境影响程度.

对测试建筑进行建模分析，其平面图和建筑围护结构信息分别见图2及表1；内外表面换热系数分别为8.7 W/(m2·K)与23 W/(m2·K)[17].

4.2 模型验证

为验证模型的准确性，将客厅及南向房间室温模拟结果与测试结果进行对比，其中室外气象参数设置为测试值.结果如图8所示，模拟能较好的反映实际情况，客厅、南向房间模拟结果的平均相对误差分别为13.3%、14.7%，最大平均误差小于15%，可认为模拟值与测试值一致，即模拟工况可靠.

图8 客厅及南向房间模拟测试温度对比Fig.8 Comparison of temperature of simulation with test of living room and north room

4.3 模拟结果与分析

4.3.1 南外窗设计及窗帘运行模式分析

传统建筑中常常使用深色玻璃，其多为绿色、蓝色和茶色，透光率小于透明玻璃，为增强室内太阳辐射得热，现今新建建筑很少使用，但拉萨地区因太阳辐射强，南窗面积较大，容易引起室内眩光，当地一些居民习惯在白天拉上窗帘，这既减少室内得热亦影响采光，为改善此现状，拟通过将南向窗双层中空透明玻璃改为双层中空深色玻璃，使当太阳辐射强时可以拉开窗帘增加室内得热且避免眩光影响.

将深色玻璃+白天窗帘全开的模式与透明玻璃的两种窗帘运行模式的模拟结果进行对比，具体工况见表4，其中室外气象参数选择典型气象年数据，冬季典型设计日选择1月21日；模拟设置参数见表5.

表 4 模拟工况

表5 模拟参数

模拟结果如图9所示，工况1、2、3室内平均温度分别为11.3 ℃、10.3 ℃、9.1 ℃.可见透明玻璃加白天窗帘全开的模式(工况1)室内平均温度最高，但由于当地太阳辐射强，室内眩光严重，当地居民较少采用此模式，而更倾向于白天拉上窗帘(即工况3)，其与工况1相比室内平均温度降低2.2 ℃，且采光较差.因此本文推荐深色玻璃加白天窗帘全开的模式(工况2)，其室内平均温度较工况3高1.2 ℃，采光性提高，较工况1可减少室内眩光影响.即，此模式亦可作为当地直接受益窗设计的一种选择.

图9 玻璃颜色及窗帘运行模式对室内温度及负荷的模拟结果Fig.9 Simulation result of indoor temperature and heating load in different glass colors and curtain operation modes

4.3.2 客厅围合性分析

针对调研中发现的集中搬迁建筑客厅与楼梯间直接相通未围合的空间布局，为得到其围合性对室内热环境及能耗的影响，模拟围合、非围合两种工况下的室内温度和采暖热负荷.采暖负荷计算中，室内计算温度均设为18 ℃，采暖房间为客厅和卧室.具体结果如下：

图10 不同围合性客厅室温、采暖负荷模拟结果Fig.10 Simulation result of indoor temperature and heating load in different enclosing living room models

由图10所示，围合、非围合客厅平均温度分别为10.4 ℃和9.1 ℃；围合较非围合客厅温度升高1.3 ℃，且冬季采暖热负荷降低17.3%，因此，提高房间围合性有利于改善室内热环境，降低采暖负荷.

5 结论

为了解现今集中搬迁建筑室内热环境现状，更全面分析影响室内热环境的因素，本文通过对典型新建建筑进行冬季热环境测试，与旧建筑对比，并结合模拟分析，得到主要结论如下：

(1)集中搬迁建筑客厅与传统建筑室温分别为5.7 ℃和4.9 ℃，新建筑室温仅提高0.8 ℃，室内热环境仍有待改善，因此除更全面、规范的使用被动太阳能设计外,冬季还应采暖，即选择主被动结合的采暖方式.

(2)南向采用深色玻璃+白天窗帘全开的模式与现在常用的透明玻璃+白天窗帘闭合模式相比，室内平均温度升高1.2 ℃，采光性提高，其亦为当地直接受益窗设计提供了一种选择依据.

(3)提高客厅围合性可以使室内平均温度升高1.3 ℃，负荷降低17.3%.因此，提高客厅围合性也是改善室内热环境的策略之一.