吐鲁番地区居住建筑室内热环境研究

2019-10-09罗智星

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年4期

陈洁，杨柳，罗智星

(西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055)

我国建筑能耗约占总能耗的30%，其中用于控制室内热环境和空气质量的采暖、通风和空调能耗是建筑运行阶段能源消耗的主要组成部分，通过提高设备系统运行效率，优化围护结构太阳辐射得热及保温隔热性能是实现建筑节能的基本方法.随着生活水平与城市化水平的不断提高，夏季高温地区空调能耗持续增加.吐鲁番地区降雨量低蒸发量高，属于典型大陆性干旱荒漠气候，夏季极端干燥炎热，见图1，最高温度47.7 ℃，最热月平均温度32.7 ℃，空调度日数CDD26高达579 ℃·d，是我国除海岛以外降温需求最高的地区.夏季不保证率为2.5%的太阳辐射日均累计值为8 697 W/m2，太阳辐射强烈[1]，室内热环境存在过热、干燥和气闷等问题[2].如何通过围护结构热工性能改善室内热环境，特别是在极端气候地区，亟需针对干热气候特征的围护结构隔热设计方法.

室内热环境是一个复杂的热平衡过程，被动式建筑设计方法基于室外气象条件优化围护结构，使得衰减和延迟后的自然室温接近人体热舒适范围[3]，在选取不同承重结构与保温隔热层材料与厚度组合研究中，主要有保温隔热层厚度优化与围护结构动态传热性能数值研究[4]，围护结构蓄热性能临界值及相对位置对建筑冷热负荷的影响研究[5]，以及热惰性指标与构造方式对围护结构热工性能的影响研究[6]，外围护结构蓄热被认为是有利于建筑节能和调节室内热环境[7]，内部蓄热体虽然不承受室外气候波动，但因其体积占比大对室内环境作用显著[8].文献[9]认为围护结构蓄热的作用本质上取决于热流的时间变化，并且室外气温和太阳辐射的周期性是最具决定性的因素之一.文献[10]结合室外热作用朝向差异对外墙失热量进行分析，认为采用墙体传热系数朝向差异化设计可减少墙材用量，且太阳辐射强度越高的地区节材性越明显.在吐鲁番地区，围护结构夏季受到较高的室外气温和强烈的太阳辐射双重作用，建筑各朝向受到太阳辐射存在差异，单一的隔热设计将造成室内非均匀热环境从而降低室内人体热舒适感[11].

针对吐鲁番地区夏季极端高温与太阳辐射周期性强烈变化的气候特征，本文对吐鲁番居住建筑室内热环境进行实测，以双向非稳态传热计算围护结构内表面温度，通过数值模拟方法，分析了太阳辐射朝向差异作用下内外蓄热体对室内热环境的影响，提出室外综合温度朝向差异的建筑墙体热工设计方法，为该地区建筑节能与热工设计提供参考.

图1 吐鲁番夏季日均干球温度、日均相对湿度Fig.1 Dry bulb temperature and relative humidity in Turpan in summer

1 围护结构内表面温度

1.1 室外综合温度

在室外综合温度的作用下，通过外围护结构向室内大量传热，《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)中室外综合温度计算由室外气温增加太阳辐射的等效温度值[12].

(1)

式中:tsa为室外综合温度，℃；te为室外空气温度，℃；为投射到围护结构外表面的太阳辐射照度，W/m2；ρs为外表面的太阳辐射吸收系数；αe为外表面换热系数，W/(m2·K).热工标准中建筑隔热设计以围护结构内表面温度为目标，控制外墙传热性能.外围护结构外表面受到日晒时数和太阳辐射强度存在差异，在谐波作用下的周期性传热过程中，传热量与材料和材料层的蓄热系数及材料层的热惰性有关.因此，考虑室外温度谐波和室内温度谐波传至平壁内表面时的衰减倍数和延迟时间，提出计算围护结构在热阻及朝向差异下的内表面温度.

1.2 围护结构内表面温度计算

室外计算参数值为历年最高日平均温度中的最大值所在日的室外温度逐时值，以及各朝向室外太阳辐射逐时值，计算各个朝向室外综合温度.通过设置外围护结构保温隔热层厚度，计算自然通风状态下吐鲁番地区外围护结构内表面温度，室内外空气平均温度分别为37.13 ℃、35.63 ℃，外表面放热系数19 W/(m2·K)，太阳辐射吸收系数 0.7，内表面放热系数8.7 W/(m2·K)，围护结构热工性能见表1，其总热阻分别为 0.131 m2·K/W(工况一)、0.845 m2·K/W(工况二)、2.511 m2·K/W(工况三)，热惰性指标分别为 2.081(工况一)、2.335(工况二)、2.917(工况三).

表1 墙体构造及热物理性能

图2 室外综合温度Fig.2 Sol-Air temperature for each orientation

通过图2可以看出，不同朝向的室外综合温度最高值分别为63.52 ℃(东侧)、62.13 ℃(西侧)、66.35 ℃(南侧)、52.03 ℃(北侧)，东西向温差最小，南北向温差最大，温差范围为1.39～14.32 ℃.峰值出现的时间差异较大，其中东西向时差达到5 h.通过图3可以看出，围护结构的衰减和延迟作用使得各个朝向的内表面温度差异减小，随着热阻增加，各朝向温差范围分别为0.21～2.36 ℃(工况一)、0～0.55 ℃(工况二)、0～0.2 ℃(工况三)，在吐鲁番地区当围护结构热阻小于0.85 m2·K/W时，朝向差异对围护结构内表面温度影响显著，围护结构隔热设计应针对不同朝向提出相应的热工性能要求.当热阻增加2.38 m2·K/W，各个朝向峰值降低分别为东侧4.13 ℃、西侧3.75 ℃、南侧4.91 ℃，北侧2.75 ℃，因此，在吐鲁番地区对南向、东向围护结构提高热阻值可以更经济有效的改善夏季室内热环境.

图3 不同外墙热阻工况的内表面逐时温度Fig.3 The influence of thermal resistance value of external wall on internal surface temperature

2 室内热环境测试

2.1 测试对象

选取吐鲁番地区某二层居住建筑进行夏季室内热环境测试，测试对象处于自然运行状态无主动式调温措施，建筑面积200.1 m2，层高3.5 m，钢筋混凝土框架结构，围护结构主体传热系数0.60 W/(m2·K)，蓄热指标D值为5.60，外墙内表面温度经计算最高41.92 ℃，满足热工标准隔热设计要求.现场数据采集主要包括室内空气温度、相对湿度及围护结构内表面温度，测试仪器的布置依据《建筑热环境测试方法标准》JGJ/T347-2014[13]，如图4所示，测试仪器性能见表2.

表2 测试仪器性能参数

2.2 测试结果与分析

选取夏季最高温时段7月26至8月3日进行室内热环境测试，由于篇幅所限对7月27日至7月28日连续48 h数据进行分析，如图5所示.

图4 测点布置图Fig.4 Layout of measuring points

图5 7月27-7月28日室内热环境Fig.5 July 27-July 28 indoor thermal environment

吐鲁番地区中性温度为30.1 ℃，80%可接受温度上限为33.8 ℃，[14]当湿度低于30%会引起人体热感觉的不满[15]，通过分别计算满足热舒适温度和湿度的时间比对室内环境进行评价，实测建筑夏季室内干球温度32.6～37.2 ℃，相对湿度14%～35%，满足热舒适温度上限时间比为15.8%，达到湿度范围的时间比为22.1%.可见以满足围护结构热工标准为隔热设计要求仍难以达到室内热舒适的需求，这是因为热工标准以夏季室外空气温度最高值为参考对象，而吐鲁番地区夏季极端高温，标准相对过于宽松.值得注意的是各朝向内表面温度实测值差异明显高于计算值，原因可能是窗墙比差异对非透明围护结构传热的影响，另外计算值未考虑室内蓄热体的热作用，为分析室内蓄热体对外围护结构内表面温度的影响，建立数值模拟模型进行比较分析.

3 模拟与分析

3.1 模型设置

以实测建筑建立几何模型，通过集成化建筑性能分析软件IES对围护结构传热进行模拟分析，构造形式及其热工性能见表3，通过变量控制内蓄热热惰性分别为0.93、3.73、7.47三种工况下分别计算各朝向的内表面温度.

表3 建筑围护结构构造及物理性能参数

3.2 模拟结果分析

通过实测数据验证数值模拟计算可行性，在24 h周期内，实测温度均值与模拟计算均值分别为为37.27 ℃、37.33 ℃，变化趋势一致，逐时温差最大为1.47℃，均方根误差为0.74，其结果在误差允许范围内，经验证IES能够对室内热环境进行准确预测.

图6 不同内蓄热工况的外墙内表面温度Fig.6 The effect of internal regenerator on internal surface temperature

由图6可见，室内蓄热状况对热环境产生影响，当内蓄热体的热惰性由0.34增加到3.76时，温度增加0.18～0.59 ℃，但当热惰性增加至7.47时，温度增加-0.01～0.47 ℃，可见外围护结构内表面温度并不与内蓄热体热惰性线性相关.室内低蓄热状况下外围护结构内表面温度均较低，并且室内蓄热程度对外围护结构内表面温度影响幅度存在朝向差异，北侧变化幅度高于其他方向，在室内空间划分时，应注意北侧内蓄热体对夏季降温的有利作用.西侧和东侧变化趋势存在昼夜差异，也就是说，控制室内较低蓄热有利于改善低温时段室内热环境.